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10.6 N (3)5.10 b) z for V = V1 perfectly loose for V &lt

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Academic year: 2022

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(1)

5.10

A wheather balloon with mass m and initial volume V0 ascends in an isothermal atmosphere. Its envelope is loose up to the achievement of the maximal volume V1.

p0 = 105 N/m2 ρ0 = 1, 27 kg/m3 m = 2, 5 kg V0 = 2, 8 m3 V1 = 10 m3 R = 287 N m/kgK g = 10 m/s2

a) What is the necessary force to hold down the balloon before launch?

b) In what altitude the balloon reaches its amximum volume V1? c) What ceiling reaches the balloon?

(2)

5.10

a) before launch

V0 F F

Fh F z

A G

N

P Fz = 0 = FA − FG − FN − FH FH = FA − (FN + FG) =

= ρL(z = 0)V0g − mg =

= (ρ0V0 − m)g) = 10.6 N

(3)

5.10

b) z for V = V1

perfectly loose for V < V1

the envelope can change its volume

mG = const = ρGV = RpG

GTGV pi = pa

The movement is quite slow: −→ Ti = Ta

Assumption: isothermal atmosphere −→ scale height relation V = mGRGTG

pG ∼ 1

pG = 1 pL

(4)

5.10

V

V

V

z z

0 1

1

z = 0 −→ V = V0 V (z) = V0e

RLT0gz

V1 = V (z = z1) = V0e

gz1 RLT0

−→ z1 = ln VV1

0

RLT0

g p0

ρ0 = RLT0

−→ z1 = ρp0

0g ln VV1

0 = 10.0 km

(5)

5.10

c)

z ≤ z1 : FA = ρLV g = pL RLT0

mgRGTGg

pG = const

−→ The lift force onto a loose balloon is constant.

(TL = TG, g = const)

FA(z ≤ z1) = ρ0V0g = ρL(z1)V1g FA(z > z1) = ρL(z)V1g

FA(z > z1) = FA(z ≤ z1) · ρL(z)

ρL(z1) =

= FA(z ≤ z1) · e

g(zz1) RLT0

(6)

5.10

F

z z

z

A

1 max

(7)

5.10

ceiling: P Fz = 0 −→ mg = FA

= mg − ρ(zmax)V1g

−→ ρ0egzmaxRLT0 = m V1 zmax = RLgT0 ln Vm1ρ0 ρp0

0g ln Vm1ρ0 =

= 12.8 km

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