Un salt în înălțime
Parașutistul austriac Felix Baumgartner a realizat recent o ispravă sărind de la un balon la altitudinea stratosferică. Cum a mers această misiune? ?
Plimbarea cu balonul lui Felix Baumgartner a durat aproximativ două ore și jumătate. În ciuda fluctuațiilor mari la sfârșitul urcării, rata de ascensiune a rămas în ordinea de 300 până la 400 de metri pe minut.
Desene de Bruno Vacaro
Pe 14 octombrie 2012, urcând într-un balon la o altitudine de 39 de kilometri pentru a efectua o săritură în cădere liberă, austriacul Felix Baumgartner a părăsit troposfera, primul strat al atmosferei Pământului. În ciuda albastrului de miezul nopții care părea să-i înconjoare capsula și a absenței aproape totale a aerului, parașutistul nu era încă în spațiu. Ajunsese în stratosferă, un mediu fragil, dar încă suficient de dens pentru a susține ascensiunea balonului și pentru a încetini coborârea parașutistului destul de repede. În timpul acestui salt remarcabil, F. Baumgartner a traversat în mod special bariera sunetului, deși cuvântul „perete” nu este pe deplin adecvat.
Altitudinea de 39 de kilometri este mult prea mare pentru a o atinge cu avionul. Alegerea proiectului Stratos s-a axat, așadar, pe un zbor într-un balon umflat cu heliu, ca și pentru baloanele meteo. Dar, în timp ce masa acestor din urmă instrumente este de câteva zeci de kilograme, este aici de ordinul a 1.500 de kilograme pentru pasager, costumul său de scufundări și, mai presus de toate, capsula sa.
Împingerea lui Arhimede împotriva greutății și a greutății
Pentru ca forța lui Arhimede să compenseze greutatea acestui echipaj, balonul a trebuit să deplaseze cel puțin la fel de multă masă de aer. La nivelul mării, unde aerul are o densitate de 1,2 kilograme pe metru cub, aceasta corespunde unui volum de cel puțin 1.250 de metri cubi, sau unei sfere de 13 metri în diametru.
Dar 39 de kilometri deasupra nivelului mării? Aerul de acolo este atât de rar, încât nu mai difuzează lumina soarelui, iar spațiul înconjurător pare negru. Din fericire, stăm departe de un vid spațial: densitatea este de aproximativ 4,4 grame pe metru cub, sau de 270 de ori mai mică decât la nivelul mării. Volumul de aer care urmează să fie mutat corespunde unei sfere de cel puțin 80 de metri în diametru.
Prin urmare, a fost necesar să se proiecteze un balon gigantic, cu o înălțime de 100 de metri și un diametru de 130 de metri la extensia sa maximă (a se vedea Figura 1). Pentru a-și regla volumul la scăderea densității odată cu altitudinea, lăsați natura să-și facă treaba. Prin umplerea parțială a balonului, ne asigurăm că presiunea internă este aceeași cu cea a aerului exterior: astfel, atunci când crește și densitatea aerului scade, cea a heliului o face în aceleași proporții.
Heliul crește astfel în volum, astfel încât produsul volumului balonului prin densitatea aerului și, prin urmare, împingerea lui Arhimede, rămâne constantă. În practică, dacă adăugăm la masa echipajului cea a balonului și a heliului, trebuiau ridicate mai mult de trei tone. Pentru a asigura o rată de ascensiune suficientă, volumul de heliu utilizat a fost de fapt 5.100 de metri cubi, adică de două ori cantitatea necesară pentru ridicare.
Cu forma sa de profil redus, mingea suferă întreaga forță a tracțiunii aerodinamice a aerului. Acesta din urmă este proporțional cu produsul pătratului vitezei de ori densitatea aerului și secțiunea frontală a balonului. Sub rezerva greutății sale și a forței lui Arhimede, balonul accelerează până când atinge o viteză astfel încât tragerea să compenseze forța rezultată.