Voando com o vento

Antes do lançamento, os pilotos entrarão em contato com o serviço de meteorologia para obter informações sobre o clima e condições do vento na área. Pilotos cautelosos voam somente quando o clima está perto do ideal - quando o céu está claro e as condições do vento estão normais. Tempestades são extremamente perigosas para balões de ar quente, por causa do perigo de uma queda de raio. Até a chuva é um problema, porque ela diminui a visibilidade e prejudica o material do balão e, é claro, não é muito divertido voar em clima molhado. E enquanto você precisa de uma boa corrente de vento para ter um bom vôo, ventos muito fortes poderiam facilmente destruir o balão.

Os pilotos também podem ligar para o serviço de meteorologia para ter uma idéia aproximada do caminho que o balão viajará, e como eles devem manobrar quando estiverem no ar. Além disso, um piloto pode mandar um piball (abreviação para "piloto de balão"). Um piball é somente um balão cheio de hélio que o piloto libera para ver a direção exata do vento em um futuro local de lançamento. Se parecer que o vento irá levar o balão para um espaço de ar proibido, a tripulação precisa encontrar um novo ponto de lançamento.

O piloto libera um piball cheio de hélio para ver a direção que o vento está soprando

No ar, o piloto usará um altímetro, um variômetro e suas próprias observações para encontrar a altitude certa. Alcançar a altitude certa é um tanto complicado porque há pelo menos um atraso de 30 segundos entre abrir os queimadores e o balão realmente subir. Pilotos de balão têm que operar os controles apropriados um pouco antes de querer subir, e fechá-los um pouquinho antes de que queiram parar de subir. Pilotos inexperientes freqüentemente sobem muito alto antes de nivelar-se. Uma operação controlada vem somente com muitas horas de experiência em baloagem.

O piloto carrega vários instrumentos a bordo do balão

Agora que nós vimos como um balão de ar quente voa pelo ar, vamos ver as forças que tornam isto possível. Como podemos ver, balões de ar quente são uma demonstração extraordinária de algumas das mais fundamentais forças na Terra.

Algo extraordinário sobre a nossa vida na Terra é que estamos constantemente andando em um fluido de alta pressão - uma substância com massa e sem forma. O ar ao nosso redor é composto de vários elementos diferentes em um estado gasoso. Neste gás, os átomos e moléculas dos elementos deslocam-se livremente, batendo uns nos outros e em tudo mais. Quando estas partículas colidem com um objeto, cada uma delas pressiona-o com uma pequena quantidade de energia. Isso porque como há muitas partículas no ar, esta energia resulta num considerável nível de pressão (ao nível do mar, aproximadamente 14,7 libras por polegada quadrada (psi), ou 1kg por centímetro quadrado (kg/cm²).

A força da pressão do ar depende de duas coisas:

• da taxa de colisão de partículas - se mais partículas colidem em um período de tempo, então mais energia é transferida para um objeto
• da força do impacto - se as partículas baterem com uma força maior, mais energia é transferida para um objeto

Estes fatores são determinados pela quantidade de partículas de ar que existem em uma área e pela velocidade com que elas estão se movendo. Se há mais partículas, ou se elas estão viajando mais rapidamente, haverá mais colisões, e então maior pressão. Aumentar a velocidade da partícula também aumenta a força do impacto da partícula.

Na maior parte do tempo não notamos a pressão do ar porque ele existe em nossa volta. Sendo todas as coisas iguais, partículas de ar dispersarão uniformemente em uma área de forma que exista uma densidade de ar igual em todos os pontos. Se nenhuma outra força agir, então a pressão de ar será a mesma em todos os pontos. Não somos empurrados por essa pressão porque as forças ao nosso redor se equilibram. Por exemplo, 1kg/cm² é certamente o suficiente para derrubar uma cadeira ou mesmo esmagá-la, mas como o ar é aplicado aproximadamente com a mesma pressão a partir da direita, da esquerda, de cima e de baixo e em qualquer outro ângulo, toda a força na cadeira é equilibrada por uma força igual e em sentido oposto. A cadeira não sente substancialmente pressão maior em nenhum ângulo em particular.

Então, sem nenhuma outra força agindo, tudo estaria completamente equilibrado em uma massa de ar, com igual pressão de todos os lados. Mas na Terra, há outras forças que devem ser consideradas, sobretudo a da gravidade. Mesmo partículas de ar sendo extremamente pequenas, elas têm massa, e então são atraídas em direção à Terra. Em qualquer nível da atmosfera terrestre, esta atração é muito leve - as partículas de ar parecem se mover em linhas retas, sem caírem notadamente em direção ao solo. Então, a pressão é bastante equilibrada em pequena escala. De uma maneira geral, no entanto, a gravidade puxa as partículas para baixo, causando um aumento gradual da pressão à medida que você se move em direção à superfície da Terra.

Pressão de ar + gravidade= flutuabilidade: todas as partículas na atmosfera são puxadas para baixo pela força da gravidade (força descendente). Mas a pressão no ar cria uma força ascendente agindo opostamente à atração da gravidade, ou seja, a densidade do ar equilibra a força da gravidade, assim ela não se torna forte o bastante para puxar para baixo um número maior de partículas.

Esta pressão é bem mais alta na superfície da Terra porque o ar neste nível está sustentando o peso de todo o ar acima dele - mais peso acima significa uma força gravitacional mais forte para baixo. À medida que você se move através dos níveis da atmosfera, o ar tem menos massa acima dele e então, a pressão de equilíbrio diminui. Este é o motivo pelo qual a pressão cai quando você sobe em altitude.

Esta diferença na pressão do ar causa uma força de flutuação (empuxo) ascendente no ar ao nosso redor. Essencialmente, a pressão do ar é maior embaixo do que acima das coisas, então o ar empurra mais para cima do que para baixo. Mas esta força de flutuação é fraca comparada à força da gravidade - é somente tão forte quanto o peso do ar deslocado por um objeto. Obviamente, a maioria dos objetos sólidos serão mais pesados que o ar que ele desloca, então a força da flutuação não move o objeto. A força da flutuação somente pode mover algo que seja mais leve que o ar em volta dele.

Agora, vamos ver como os balões de ar quente tiram vantagem deste princípio básico.

Para a flutuabilidade empurrar algo para cima, este algo tem que ser mais leve que um igual volume de ar em volta dele. Obviamente, nada é absolutamente mais leve que o ar. O vácuo pode ter volume mas não ter massa e, sendo assim, um balão com vácuo em seu interior deveria ser suspenso pela flutuabilidade do ar em volta dele. Isto não funciona, no entanto, por causa da força da pressão do ar ao redor. A pressão do ar não esmaga um balão inflado, porque o ar dentro do balão é empurrado para fora com a mesma força que o ar de fora empurra para dentro. O vácuo, por outro lado, não faz nenhuma pressão para fora, já que não há partículas batendo contra nada. Sem pressão igual para equilibrá-lo, a pressão externa do ar facilmente esmagará o balão e qualquer objeto forte o suficiente para agüentar a pressão do ar na superfície da Terra será pesado demais para ser suspenso pela força de flutuação.

Outra opção seria encher o balão com ar menos denso que o ar ao seu redor. Como o ar do balão tem menos massa por unidade de volume que o ar na atmosfera este ar do interior do balão seria mais leve que o ar que ele está deslocando, então a força de flutuação suspenderia o balão. Porém, menos partículas de ar por volume significa pressão de ar mais baixa, então a pressão do ar ao seu redor comprimiria o balão até que a densidade do ar de dentro fosse igual à densidade do ar de fora.

Tudo isto supondo que o ar no balão e o ar fora dele existam  sob as mesmas condições. Se mudarmos as condições do ar dentro do balão, podemos diminuir a densidade, enquanto mantemos a pressão do ar igual. Como vimos acima, a força do ar em um objeto depende da freqüência que as partículas de ar colidem com esse objeto, assim como a força de cada colisão. Nós vimos que podemos aumentar a pressão total de duas maneiras:

• aumentar o número de partículas de ar para que haja um maior número de colisões de partículas sobre uma dada área da superfície dada;
• aumentar a velocidade das partículas para que batam em uma área com mais freqüência e cada uma delas colida com uma força maior.

Há menos partículas de ar por unidade de volume dentro do balão, mas como estas partículas estão se movendo mais rápido, a pressão interna e a externa do ar são as mesmas

Então, para diminuir a densidade do ar em um balão sem perder a pressão, é preciso aumentar a velocidade das partículas de ar. Você pode fazer isto muito facilmente aquecendo o ar. As partículas de ar absorvem a energia térmica e se tornam mais ativas. Isto faz com que elas movam-se mais rapidamente, o que significa que elas colidem com uma superfície mais freqüentemente, e com uma força maior.

Por essa razão, o ar quente exerce maior pressão por partícula que o ar frio, por isso você não precisa de tantas partículas de ar para obter a mesma pressão. Então o balão sobe porque está cheio de ar quente e menos denso e está rodeado de ar mais frio e mais denso.