Ein fliegendes Objekt muss leichter werden. Es braucht einen Auftrieb. Beim Heißluftballon wird der Auftrieb durch heiße Luft erzeugt. Die Hülle dient zum Umfassen dieser heißen Luft.

Wikipedia Stichworte: Heißluftballon, Auftrieb

Der Heißluftballon umfasst mit seiner Hülle heiße Luft. Sie hat im Gegensatz zur umgebenden kalten Luft eine geringere Dichte und erzeugt so einen Auftrieb. Wenn dieser Auftrieb größer ist als das Gewicht des Ballons, steigt der Ballon.

Ein Heißluftballon benötigt einen Mindestdurchmesser, um abheben zu können. Bemerkenswert ist, dass der Auftrieb kubisch (Hoch 3) mit dem Ballondurchmesser wächst: 2-mal so großer Durchmesser: 2•2•2 = 8-mal so hoher Auftrieb.

Wir müssen nun noch die Frage klären, warum heiße/wenig dichte Luft in kalter Luft aufsteigt. Das wird zwar immer als selbstverständlich angenommen, aber begründet muss das physikalisch werden.

Das Phänomen wird “statischer Auftrieb” genannt. Das selbe Phänomen tritt auf beim Schwimmen/Schweben/Aufsteigen eines U-Bootes. Ein bauchiges, voluminöses Objekt wird in einer Umgebung, wo der Druck nach oben hin abnimmt, und nach unten hin zunimmt, einen Auftrieb bekommen. Ob das der Wasserdruck (U-Boot) ist, oder der Luftdruck (Heißluftballon) ist egal.

Eine Zeichnung kann das illustrieren:

(1) Luftdruck nimmt nach oben hin ab.
(2) Luftdruck von oben
(3) Luftdruck von unten
(4) Luftdruck von links und rechts
(5) Alle Druckkräfte zusammen ergeben einen Auftrieb

Ist das Gewicht des Objektes geringer als sein Auftrieb, gewinnt der Auftrieb: das Objekt steigt auf. Ist sein Gewicht größer als der Auftrieb, sinkt es zu Boden.

Wie war das nun mit der heißen Luft?

1. Ein Ballon mit kalter Luft bekommt einen Auftrieb. Der Ballon fliegt nicht, da das Gewicht der Hülle größer ist.

2. Ein Ballon mit heißer Luft dehnt sich aus. Der Auftrieb steigt durch das größer werdende Volumen und irgendwann ist der Auftrieb größer als der Gewicht des Ballons. Er beginnt zu schweben.

Übrigens: ein Ballon würde am Mond nicht fliegen, da es keine Atmosphäre gibt, deren Druck nach oben hin abnimmt. Es entsteht kein Auftrieb.

Historischer Kontext

Der Heißluftballon wurde von den Brüdern Joseph Michel und Jacques Etienne Montgolfier erfunden. Aus der Beobachtung, dass Rauch nach oben steigt, schlossen sie, dass Rauch, in einem leichten Behälter verpackt, den ganzen Behälter nach oben ziehen müsste. Sie gingen irrtümlich davon aus, ein neues, leichtes Gas entdeckt zu haben. Die erste Fahrt war genau am 4. Juni 1783, Menschen waren nicht an Bord. Die zweite Fahrt fand am 19. September in Versailles statt. Weil man der Sache aber noch nicht richtig traute, und auch noch nichts über das Luftmeer wusste, zog man es vor, statt Menschen drei Tiere, nämlich einen Hahn, eine Ente und einen Hammel zu befördern.

Die ersten Ballonfahrer in der Menschheitsgeschichte waren Pilâtre de Rozier und der Gardeoffizier d’Arlandes, die am 21. November 1783 aus dem Garten des Schlosses La Muette bei Paris mit einem Heißluftballon aufstiegen.