כדורים פורחים לשמים

מי לא מכיר את בלון ההליום הצבעוני, הבלון הממולא בגז הליום ומרחף באוויר באופן עצמאי? כולכם יודעים שרק האחיזה בחוט הקשור אליו היא שמונעת את השתחרותו כלפי מעלה. הרפייתו של חוט זה גורמת להשתחררות הבלון כלפי מעלה כך שאם אינכם זהירים מספיק הוא נשמט מאחיזתכם, נוסק מעלה מעלה לשמים ואובד לעולמים.

כיצד עולה בלון ההליום מעלה ומרחף באוויר?
על כל גוף השרוי באוויר פועל כוח כלפי מעלה. כוח זה קרוי בשם כוח עילוי.
למה שווה כוח עילוי זה?

כדי להסביר זאת, נזכיר קודם שלאוויר ולכל גז אחר יש משקל.
חישבו על האוויר שמסביב לבלון. כוח העילוי הפועל על הבלון שווה למשקלו של אוויר שנפחו כנפח הבלון ושצפיפותו כמו האוויר שמסביב לבלון. לדוגמה, אם נפח הבלון הוא ארבעה מטרים מעוקבים, הכוח שיפעל עליו כלפי מעלה הוא כמו של משקל אוויר שנפחו ארבעה מטרים מעוקבים ושצפיפותו כצפיפות האוויר שמסביבו.

זהו חוק פיזיקלי (חוק ארכימדס) שהתגלה לפני למעלה מאלפיים שנה על ידי איש מדע יווני בשם ארכימדס ( 212-287 לפני הספירה). הוא נכון לא רק לגבי בלון אלא לגבי כל גוף המצוי באוויר או בגז אחר.

אם כך, איך זה שרוב הגופים המצויים על פני כדור הארץ אינם מרחפים באוויר, למשל בני אדם, בעלי חיים, מכוניות?
הסיבה היא שכנגד כוח העילוי, הפועל כלפי מעלה, פועל כוח אחר שהוא משקלו של הגוף, הפועל כלפי מטה. משקלם של רוב הגופים המצויים על פני כדור הארץ גדול מכוח העילוי ולכן הם נשארים על הקרקע ואינם מרחפים.

לעומת זאת, משקלו של בלון ההליום קטן מכוח העילוי הפועל עליו כלפי מעלה על ידי האוויר הסובב אותו. מדוע?

ההסבר נעוץ בהבדלי משקל סגולי. משקל סגולי הוא המשקל של יחידת נפח של חומר, למשל משקל של סנטימטר מעוקב, או של מטר מעוקב. משקלו הסגולי של ההליום קטן מזה של האוויר. לכן, גם המשקל הכולל של ההליום בבלון קטן ממשקל אוויר באותו הנפח של הבלון. במצב זה, כוח העילוי הפועל על בלון ההליום גדול ממשקל הבלון ולכן הבלון עולה למעלה. המסקנה הבלתי נמנעת מכך היא שרק בלון הממולא בגז שמשקלו הסגולי קטן מזה של האוויר הסובב אותו, יכול לעלות מעלה ולרחף.

לבלון גדול המתרומם כלפי מעלה ומרחף באוויר באופן עצמאי קוראים בשם כדור פורח. כדורים פורחים מצויידים בסל או בתא המשמשים להניח בתוכם מטען או בני אדם.

ההיסטוריה של הכדורים הפורחים החלה בשנת 1783. ביוני של אותה שנה ניפחו שני האחים מונגולפייה (Montgolfier) שק משי בקוטר של כעשרה מטרים באוויר חם. הם עשו זאת על ידי הנחת השק מעל מדורה. השק התרומם באוויר משום שמשקלו הסגולי של אוויר חם קטן יותר משל אוויר בטמפרטורת הסביבה. השק עלה לגובה של יותר מקילומטר. בספטמבר של אותה השנה שילחו האחים מונגולפייה כדור פורח שנשא עליו שלושה בעלי חיים - כבש, תרנגולת וברווז. בנובמבר של אותה השנה כבר המריאו המתנדבים האנושיים הראשונים בכדור פורח. הם המריאו מפריס ושהו באוויר 23 דקות.

טיסות כדור פורח רבות בוצעו בעולם בשלהי המאה השמונה עשרה ובמהלך המאה התשע עשרה, למטרות שונות. ב 1793 אורגנה בצרפת יחידה צבאית של כדורים פורחים. בשנת 1858 ביצע פליקס נאדר (Nader) צילומי אוויר. נאדר גם העביר דואר באמצעות כדור פורח. בארה"ב נעשה שימוש בכדורים פורחים לצרכי תצפית על ידי שני המחנות היריבים (מחנה הצפון ומחנה הדרום).

שתי שיטות שימשו ומשמשות להעלאתם של כדורים פורחים כלפי מעלה ולריחופם. בשיטה האחת נעשה שימוש באוויר חם. ממלאים את הכדור הפורח באוויר חם והוא מתרומם באוויר. בשיטה האחרת גורמים להתרוממותו על ידי מילויו בגז שמשקלו הסגולי קטן מזה של האוויר כגון מימן או הליום.

לאחר שיחרורו הכדור הפורח ממריא מעלה עוד ועוד אולם לא בלי סוף. ככל שמגביהים יותר, משקל האוויר המקיף את הבלון הוא קטן יותר. בסופו של דבר מגיע הכדור הפורח לגובה שבו משקלו הסגולי שווה למשקל הסגולי של האוויר שבסביבתו. בגובה זה שווה משקל הבלון לכוח העילוי הפועל עליו והוא נעצר.

כיצד ניתן לשלוט בגובהו של הכדור הפורח מעל פני הקרקע? כדי להגביהו ניתן לזרוק מתוכו מטענים המוכנסים לתוכו בעוד מועד. לאחר זריקתו של מטען, קטן משקל הכדור הפורח ולכן הוא מתרומם באוויר. כדי להנמיכו, ניתן להוציא חלק מן הגז הממלא אותו.
אחד מחסרונותיו הבולטים של הכדור הפורח הוא חוסר האפשרות לנווטו באופן עצמאי קדימה ואחורה ולכיוונים אחרים, מלבד הכיוונים למעלה ולמטה. באופן כזה לא ניתן, למשל, לקבוע את מקום הנחיתה של הכדור הפורח.

במשך דורות ניסו ממציאים לפתור בעייה זאת עד שלבסוף עלה בידם לפתח כדור פורח שניתן לנווטו. כדור פורח זה ידוע בשם ספינת אוויר. ספינות האוויר פותחו כבלון מאורך, על מנת להפחית את התנגדות האוויר בזמן תנועתם. הן צויידו במנועים שאיפשרו סוף כל סוף את ניווטם העצמאי במרחב כולו ולא רק למעלה ולמטה.

ספינת האוויר הראשונה יצאה לדרכה בשנת 1884. היא הוטסה בידי הצרפתים רנארד (Renard) וקרב (Kreb). שמה היה "לה פראנס". רנארד וקרב הצליחו להטיסה הלוך ושוב בין שני מקומות ובכך פתחו למעשה את עידן ספינות האוויר.
ספינות האוויר שימשו את האנושות בקנה מידה נרחב למדי עד שנות השלושים של המאה העשרים. בין השאר הן שימשו להובלת נוסעים בקנה מידה לא קטן, אם כי בעיקר בחוגי הצמרת.

לספינת האוויר קם מתחרה שהלך וצבר כוח עד שלבסוף גבר עליה. מתחרה זה הוא לא אחר מאשר המטוס שהוטס לראשונה בשנת 1903 על ידי האחים רייט. המטוס, כידוע לכולנו, הוא אמצעי התעבורה האווירי הבלעדי בימינו להובלת נוסעים ומטענים.

המכה הסופית שהונחתה על ספינות האוויר וגרמה להפסקת השימוש בהן ככלי תעבורה להובלת סחורות ובני אדם אירעה בשנות השלושים של המאה העשרים, כאשר ספינת האוויר הגרמנית "הינדנבורג" אבדה בתאונה קטלנית.
בלונים פורחים וספינות אוויר נמצאים היום בשימוש שולי בלבד.

שניים מן השימושים של בלונים פורחים בימינו הוא לחקר האטמוספירה ולחיזוי מזג אוויר. ממלאים כדור פורח בגז שמשקלו הסגולי קטן מזה של האוויר (גז כזה קרוי גז קל מן האוויר). הכדור הפורח נושא עליו מכשירי מדידה. הוא נוסק לגובה ובאמצעות המכשירים מבצע מדידות. שימוש נוסף של כדורים פורחים הוא לצרכי פרסום. כמו כן מתקיימות גם תחרויות של כדורים פורחים הנושאים בתוכם בני אדם.