Wie kann ich die maximal erreichte Höhe eines Heißluftballon berechnen?

7 Antworten

Vom Beitragsersteller als hilfreich ausgezeichnet

Zuerst rechnest du dir die Gewichtskraft des Ballons aus:

F_g=m*g (wobei m die Masse des Ballons mit dessen Gasfüllung ist)

Nun stellst du eine Formel für den Druck der Atmosphäre auf:

p=p_0 * (1-u)^(h/150)

Dabei ist p der Druck in einer gewissen Höhe, p_0 ist der Druck auf Meereshöhe und u der Prozentsatz der pro 150m abnimmt.

Der Druck ist proportional zur Dichte. Bedeutet du kannst die Formel auf die Dichte umschreiben.

roh=roh_0*(1-u)^(h/150)

Hierbei ist roh_0 die Dichte der Luft auf Meereshöhe.

Nun berechnest du dir die Auftriebskraft:

F_a=roh*V*g

Wobei V das Volumen des Luftballons ist.

Jetzt noch einsetzten:

F_a=roh_0*(1-u)^(h/150)*V*g

Nun setzt du F_a=F_g. Dies löst du nach h auf und erhältst dein Ergebnis.

Ps. Es gibt die sogenannte Barometrische Höhenformel. Diese gibt dir den Druck (oder dichte) in einer gewissen Höhe an.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – Bachelor in Physik

J0T4T4  05.08.2019, 19:10

Igitt, bei der Höhenformel ist ja irgendwas mit exp dabei xD

1
Raph101  05.08.2019, 19:11
@J0T4T4

Dachte ich mir auch jedes mal😂 genauso wenn ein log oder ein „i“ vorkommt. Zum Glück gewöhnt man sich dran😂

1
J0T4T4  05.08.2019, 19:19
@Raph101

Ja gut, von den drei Vertretern ist mir das e tatsächlich noch am liebsten 😂

Bei mir hat die Gewöhnung aber immer noch nicht so richtig eingesetzt 🤔

0
Raph101  05.08.2019, 19:22
@J0T4T4

Hmmm....eigentlich ist mir alles recht,.... solang es nicht nen Tensor drinnen hat (0,1 Stufe gehen noch).😂

1
J0T4T4  05.08.2019, 20:23
@Raph101

Gut, ich weiß nicht mal so genau, was jetzt überhaupt einen Tensor von einer Matrix unterscheidet aber Hauptsache Klausur bestanden 👍

0

Bei so vielen gegebenen Größen ist das Problem doch sicher überbestimmt.

Was ist das übrigens für ein V?

Warum musst du überhaupt noch rechnen, wenn du schon die resultierende Kraft hast?


turteltauben 
Beitragsersteller
 05.08.2019, 18:40

V ist das Volumen.

Warum musst du überhaupt noch rechnen, wenn du schon die resultierend Kraft hast?

Naja ich muss noch die Höhe berechne...

0
J0T4T4  05.08.2019, 18:45
@turteltauben

Das Volumen wovon, unter welchen Bedingungen?

Wenn du F(h) hast, dann musst du nur noch F(h_max) = 0 nach h_max umformen.

0
turteltauben 
Beitragsersteller
 05.08.2019, 18:49
@J0T4T4

Das ist jetzt leider keine Aufgabe mit dem Schwerpunkt in der Mathematik, daher sind auch keine Funktionskleidung oder ähnliches wie F(h_max).Ich kann es nur mit physikalischen Formeln berechnen.😶

0
J0T4T4  05.08.2019, 18:52
@turteltauben

Ich würde da tatsächlich auch nicht unbedingt mit Funktionskleidung rangehen, aber jedem ist das selbst überlassen.

Mathematik ist das beste Werkzeug der Physik und natürlich lässt sich die Funktion als Formel darstellen. Deine Angaben sind nur alle unglaublich schwammig und nicht wirklich hilfreich.

0
turteltauben 
Beitragsersteller
 05.08.2019, 18:54
@J0T4T4

Ich meinte auch Funktionsgleichungen ...

0
J0T4T4  05.08.2019, 18:55
@turteltauben

Das war mir durchaus bewusst 🤣

Hast du nicht einfach die originale Aufgabenstellung?

0
turteltauben 
Beitragsersteller
 05.08.2019, 18:57
@J0T4T4

Danke, aber hat jetzt jemand anderes schon gelöst ...

0

Im wesentlichen suchst du die Nullstelle der resultierenden Kraft F(h)

F(h) = F_A(h) - F_G = ρ(h) • g • V - m • g (Archimedes)

Die Dichte der Luft als Funktion der Höhe bekommst du aus dem idealen Gasgesetz:

pV = nRT = m/M • R • T, wenn du es nach m/V umstellst. Bedenke dabei, dass p(h) wiederum eine Funktion von h ist.

Das gilt für ein konstantes Ballonvolumen V. Es mag aber sinnvoll sein, eher mit einer konstanten Luftmasse im Ballon zu rechnen. Dafür fehlt aber die Information.

Welche "resultierende" Kraft hast du? Wenn dies die Summe aller auf den Ballon wirkenden Kräfte ist, so steigt der Ballon, bis diese Kraft 0 ist.


turteltauben 
Beitragsersteller
 05.08.2019, 18:38

Genau diese Kraft habe ich schon berechnet, aber wie soll ich dann wenn ich F(resultierend)=0 habe die Höhe berechnen?Weil da ist ja kein h vorhanden wenn ich die Kraft durch eine andere Formel ersetzte...

0
gfntom  05.08.2019, 19:30
@turteltauben

Ich habe keine Ahnung, in welcher Weise du die von dir gegebenen Werte gegeben hast. Wie soll ich dir also sagen, wie du daraus das von dir gewünschte berechnen kannst?

Ich wollte es zuvor schon schreiben, nun hole ich es nach, da du schon wieder "Formel" schreibst:

Warum suchst du ständig nach Formeln, anstatt dir den Sachverhalt zu überlegen? Da es nicht für alles eine fertige Formal gibt, stehst du damit bei der nächsten Aufgabe schon wieder vor einem Problem.

Woher kommt dieser Zwang, lieber dutzende (sinnlose) Formeln auswendig zu lernen, als sich EINMAL den Sachverhalt zu überlegen und dann unzählige Beispiele durchrechnen zu können?

1

siehe Physik-Formelbuch,internationale Höhenformel

Ph=101,3 KPa*(1-6,5*h/288 km)^5,255

für Höhen bis zu 100 km gilt ph=po*e^(-roho*g*h/po) bei konstanter Temperatur

po=101,325 kPa und t=0° Celsius

ph=po*e^(-h/7,99 km)

es gilt Gewichtskraft=Auftriebskraft

Fg=m*g=Fa

Fa mußt du über die Dichtedifferenz der Luft (Luftdichte im Ballon und Dichte der Luft außen am Ballon) berechnen

Zustandsgleichung idealer Gase p*v=m*R*T

1) po*vo=m*R*T

2) ph*vh=m*R*T

für Luft R=287 J/(kg*K) Normdichte der Luft roho=1,29 kg/m³ (po=101,325 kPa und to=0°)

Den Rest schaffst du wohl selber .

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – hab Maschinenbau an einer Fachhochschule studiert