Easy Sciences

Di luar negeri orang berlomba mencetak rekor dengan balon. Balon bukan sekadar mainan, tetapi juga alat angkut. Kayak apa sih prinsipnya?

Usaha Andy Elson dan Colin Prescot memecahkan rekor penjelajahan udara patut diacungi jempol. Misinya menjelajah batas atmosfer dengan balon udara bukan hal yang mustahil. Keberhasilan mereka tentu melengkapi catatan sejarah perjalanan balon udara sejak kakak beradik Joseph dan Etienne Montgolfier melakukan penerbangan dengan balon di Annonay, Perancis, 5 Juni 1783.

Dulu balon udara terbuat dari kertas atau sutra berminyak, kemudian berkembang. Namun, yang paling fenomenal adalah penemuan karet sebagai bahan baku pembuatan balon. Bahkan, dengan bahan karet saja tak cukup, lantas ditemukan balon dengan menggunakan lapisan tekstil.

Balon udara itu mengembang karena diisi udara panas. Ada pula yang menggunakan gas batu bara atau hidrogen. Dengan begitu balon akan melayang bebas di udara. Untuk menaikkan atau menurunkan balon dapat dilakukan dengan menambah atau mengurangi gas yang mengisi ruang balon.

Tapi, tahukah kita bahwa apa yang terjadi hingga balon naik atau turun sesungguhnya mengikuti hukum Archimedes. Persisnya begini: gaya apung yang diterima oleh suatu benda yang melayang di suatu fluida sama dengan berat fluida yang dipindahkannya.

Prinsip ini juga menjelaskan fenomena tentang kapal baja yang bobotnya begitu berat, namun mampu mengapung di laut. Jika makin banyak orang yang naik ke kapal maka kapal akan semakin terbenam dalam air. Kapal itu juga memindahkan semakin banyak air sampai berat air yang dipindahkan sama dengan berat kapal termasuk isinya.

Balon menggunakan prinsip yang sama. Hanya saja, karena kita menginginkan balon naik ke udara dan melayang pada ketinggian tertentu, maka yang dilakukan adalah mengisi balon sehingga berat udara yang dipindahkan lebih berat dari berat balon. Hingga kemudian mencapai titik ketinggian yang diinginkan.

Untuk mencapai hal tersebut, prinsip kimia mengajarkan kita tentang mengisi balon dengan gas yang massa molekulnya lebih kecil dari massa rata-rata di udara atau dengan gas panas. Tidak semua gas memenuhi persyaratan itu, apalagi jika ada pertimbangan harga dan keselamatan. Beberapa di antaranya adalah gas Hidrogen (H2) dan Helium (He).

So, sekarang bagaimana cara kerja sebuah balon?

Oke, sekarang kita andaikan sebuah balon udara yang memiliki volume 2.250 meter kubik. Balon tersebut kira-kira akan memindahkan udara yang massanya sekitar 2.650 kilogram (pada tekanan 1 atm dan suhu 25 derajat Celsius). Kita bisa menghitungnya dengan menggunakan persamaan gas ideal pV = nRT dan menggunakan massa molekul relatif rata-rata udara yang dianggap 80 persen Nitrogen (N2) dan 20 persen Oksigen (O2).

Jika balon udara diisi dengan udara yang suhu dan tekanannya sama (25 derajat Celsius dan 1 atm), balon tidak akan naik karena kini berat udara yang dipindahkan sama dengan berat udara dalam balon. Seandainya kita panaskan udara dalam balon sampai sekitar 100 derajat Celcius, maka massa udara dalam balon dengan volume 2.250 meter kubik itu kini menjadi sekitar 2.100 kilogram alias lebih ringan dari massa udara yang dipindahkan.

Andaikan massa balon dan muatannya (termasuk berat awal) sekitar 500 kilogram, maka kita masih mempunyai selisih massa sebesar 50 kilogram atau selisih berat 50 kg.g (g = tetapan gravitasi bumi). Selalu diingat, jangan kacaukan massa dan berat. Berat sama dengan massa kali gravitasi. Dengan selisih ini maka balon akan bisa terbang.

Lantas, bagaimana untuk suhu atmosfer, massa balon dan muatan, serta suhu gas panas dalam balon yang berbeda?

Tentu kita bisa bermain-main dengan berbagai angka pada tiga besaran di atas. Namun, yang pasti ada hal lain yang harus diperhatikan, yaitu tekanan atmosfer yang bergantung pada altitude. Semakin tinggi dari permukaan air laut, semakin rendah tekanan atmosfer, penurunannya secara eksponensial. Hal ini akan memengaruhi nilai berat udara yang dipindahkan.

Gaya dan tekanan pada balon

Bila balon diisi dengan air, maka distribusi tekanannya dapat dihitung dan hasilnya dapat disimak. Di mulut balon, tekanannya akan sama dengan tekanan udara luar. Semakin ke dalam balon, semakin besar tekanannya. Harap diingat, tekanan dan gaya adalah besaran vektor sehingga selain mempunyai nilai juga mempunyai arah. Ingat pula, tekanan adalah gaya per satuan luas.

Jika diperhatikan, ternyata ada tekanan dan berarti ada gaya yang arahnya ke bawah, yang artinya justru menarik balon ke bawah. Namun, gaya ini ditiadakan oleh setengah dari separuh bagian atas balon. Dengan kata lain, hanya seperempat bagian teratas balon sajalah yang "bertanggung jawab" atas daya angkat balon.

Pertanyaannya, mengapa tidak dibuang saja separuh bagian bawah balon?

Kalau kita buang separuh bagian bawah balon, maka pada daerah ekuator balon yang kini menjadi bagian terbawah balon tekanannya sama dengan tekanan atmosfer. Jadi, perbedaan antara tekanan balon dan tekanan atmosfernya adalah nol. Perbedaan tekanan akan bertambah semakin ke atas dari mulut balon dan kita menginginkan perbedaan yang besar di separuh bagian atas balon agar daya angkatnya besar.

ISMUNANDAR Dosen Kimia, ANDRA NURYADI Tim MUDA