Ballonnenballast

In een langlopende studie naar een meer wetenschappelijke aanpak van het koninginnedaggebeuren vandaag opnieuw aandacht voor de feestballon, in het bijzonder de gasgevulde ballon met een kaartje daaronder waarop een kindernaam en -adres staat geschreven. De wedstrijdballon.

Doel van de studie is richtlijnen te verschaffen voor het verbeteren van de wedstrijdprestaties. Niet iedereen weet langs welke weg dat kan, de meeste ouders/begeleiders laten het maar zo'n beetje aan het toeval over en reduceren het ballonvliegen tot een soort mens-erger-je-niet.

Het AW-ballonproject, dat in 1993 begon en na 1999 even stilviel, verloopt enigszins moeizaam maar heeft toch al wat blijvende inzichten opgeleverd. In het kort: de ballonnen zijn meestal van milieuvriendelijk natuurrubber (latex, cis-polyisopreen) en worden gevuld met zuiver helium (dichtheid bij 0 graden Celsius en 1 bar druk: 0,178 gram per liter). De overdruk in de heliumgevulde feestballon is bij aflevering naar schatting niet veel meer dan 80 cm waterdruk, de absolute druk is dus 1,08 bar. Een bolvormige ballon met een (gangbare) diameter van 22 cm en een temperatuur van 20 graden bevat dus 1,0 gram helium. Zelf weegt die ballon een gram of drie. Het kaartje dat er onder gaat weegt, samen met het touwtje, vaak ook zo'n twee à drie gram.

Heliumgevulde ballonnen zijn meestal binnen 20 tot 30 uur zover leeggelopen dat ze geen drijfvermogen meer hebben. Van doorslaggevend belang is het inzicht dat aan de vlucht van de wedstrijdballon al veel eerder een eind komt doordat hij op grote hoogte explodeert. Nooit worden er kaartjes gevonden waaraan nog een intacte, slappe ballon hangt, hooguit zijn er wat gerafelde latexrestjes. (Dat was wat de feestcommissie van die Amsterdamse school argwanend had kunnen maken toen zij na een wedstrijd in 1999 een ballon met kaartje terug kreeg uit Port Moresby in Papoea Nieuw Guinea, 16.000 kilometer verderop. AW-rondvraag leerde dat de betreffende ballon in Amsterdamse struiken was blijven hangen en daar werd aangetroffen door een kindvriendelijke Amsterdammer die toevallig naar de Papoea's ging en het ding meenam in het vliegtuig – dit komt vaker voor in de ballonsport). Ook uit de gemiddelde afstand die de ballonnen afleggen, vaak niet meer dan tweehonderd kilometer, valt af te leiden dat ze maar een paar uur in de lucht blijven.

Explosie, niet lekkage, bepaalt dus het einde. De ballonnen komen te hoog. Alleen al dit gegeven is voldoende om de wedstrijdtactiek te verbeteren. Men kan aan een uitgereikte ballon wat ballast (kauwgom, paperclips) toevoegen of, geraffineerder, twee ballonnen aan elkaar knopen. Du moment dat de eerste explodeert trekt hij de tweede uit de gevarenzone. Bedenk dat de knappende ballon zelf nagenoeg verloren gaat: de extra ballast bestaat uit het tweede kaartje, misschien dat dit vooraf wat moet worden ingekort. Knip dat andere adres eraf!

De aanwijzingen blijven aan de kwalitatieve kant omdat nog steeds niet precies bekend is op wèlke hoogte de ballonnen knappen. Het KNMI heeft bij de analyse van een vlucht (die uiteindelijk een ballon in Polen bracht) in 1995 de conclusie getrokken dat ze wel vijf kilometer hoog komen. AW-schattingen kwamen lager uit, maar neigen nu ook tot die waarde.

Het schort niet aan informatie over druk, temperatuur en dichtheid van de lucht op grote hoogte, er zijn talloze internetsites die deze waarden in `Standard Atmosphere Computations' voor elke hoogte in grote precisie kunnen geven (zoals http://aero.stanford.edu/StdAtm.html). De stijgende ballon wordt aan twee tegengestelde invloeden onderworpen: de dalende omgevingsdruk doet hem uitzetten, de dalende temperatuur doet hem krimpen. Met de gegevens uit de standaardatmosfeer ziet men snel in dat het druk-effect procentueel verreweg domineert, was dat niet zo geweest dan zouden er helemaal geen explosies volgen.

Het grote tekort in kennis bestaat uit (1) onzekerheid over de relatie tussen overdruk en diameter (of volume) van de ballonnen en in samenhang daarmee (2) de onbekendheid van de bezwijkdruk (desgewenst: bezwijkdiameter) van de ballonnen. Van AW-wege is dit probleem steeds omzeild door maar aan te nemen dat de stijgende ballonnen niet noemenswaardig meer in diameter zouden toenemen. De dichtheid van het geheel (met kaartje) werd constant gedacht.

Deze week schoot te binnen dat de relatie eenvoudig experimenteel te bepalen is door de ballonnen bij diverse vullingsgraden met behulp van een Zwitsers Pesola-veerbalansje (met een bereik van 5 of 10 gram) te wegen. De methode was hier, vreemd genoeg, al eerder toegepast en wordt bovendien beschreven in het aardige `Why toast lands jelly-side down' van Robert Ehrlich (Princeton University Press, 1997). Essentieel in het werk is dat men steeds corrigeert voor de opwaartse kracht die de lucht à la Archimedes uitoefent. Het levert heel bruikbare waarden op en des te teleurstellender natuurlijk dat het AW-team pas zo laat op de gedachte kwam. Een conclusie is er nog niet.

Het excuus komt van het tweesporenbeleid dat werd gevolgd. De blik was zomaar weer eens gevallen op zo'n goedkoop elektronisch thermometertje waarmee de burger binnen de buitentemperatuur kan meten. De sensor van het metertje was lang geleden, ter verbetering van het reactievermogen, met een scherp mes geminimaliseerd en bleek opeens in het slurfje van de ballonnen te passen.

In situ temperatuurmeting dus. Het leverde een paar aardige waarnemingen op. In de eerste plaats blijkt een warme ballon verbazend snel in temperatuurevenwicht met koude omgevingslucht te komen, een temperatuurverschil van 15 graden werd in vijf minuten genivelleerd. Bovendien kon worden aangetoond dat de dofzwarte ballonnen die tegenwoordig zo in de mode zijn, inderdaad, zoals al werd vermoed, veel meer zonnestraling absorberen dan witte. De zon scheen niet, een 150 watt gloeilamp moest het bewijs leveren, maar het verschil in eindtemperatuur beliep op 30 centimeter van de lamp een paar graden. Dit aspect kan dus ook nog worden meegenomen in de nieuwe wedstrijdtactiek.