In diesem Projekt beschäftige ich mich mit der Frage, wie mit einfachen Methoden der Aufpumpvorgang eines handelsüblichen Luftballons gemessen werden kann. Ein Luftballon, der bei einem Aufblasvorgang direkt vor dem Gesicht platzt, kann erhebliche Gefahren verursachen. Zum einen kann die Schalldruckwelle in der kurzen Entfernung die Ohren beeinträchtigen, aber auch Gummifetzen können Verletzungen im Gesicht und in den Augen verursachen. Während in weiteren Projekten die Energie der Druckwelle und der wegfliegenden Gummifetzen betrachtet werden soll, wird in diesem Projekt der Fokus auf den eigentlichen Vorgang des Aufblasens gelegt. Dabei stellt sich die Frage, ob der Zeitpunkt des Zerberstens durch eine Änderung der Innendruckzunahme oder Änderung der Wachstumsrate des Luftballons erkennbar ist. Diese beiden Eigenschaften können von einer Person, die einen Luftballon aufpustet wahrgenommen werden.
Versuchsaufbau
Als Versuchsaufbau dient ein Luftballongebläse, an dessen Austrittsdüse ein Drucksensor montiert ist. Dieser Sensor wird von einem ESP32-Mikrocontroller ausgelesen, der die Daten über eine virtuelle Schnittstelle an einen Computer überträgt. Gleichzeitig wird der Aufpumpvorgang mit einer Videokamera gefilmt. Im Abstand von 20 cm ist ein Schalldruckmessgerät positioniert, das die maximale Schalldruckstärke ermittelt.
Versuchsdurchführung
Der Luftballon wird weder vor gedehnt, noch erwärmt. Unter Beachtung der Sicherheitsvorkehrungen (Schutzbrille und Gehörschutz) wird der Luftballon bis zum Zerplatzen kontinuierlich aufgepumpt.
Versuchsauswertung
Innendruck
Die Messdaten des Luftdrucksensors werden als Overlay in das Videobild eingezeichnet, sowie mit der Abtastrate der Videoaufnahme in eine Datei geschrieben.
Es ist deutlich erkennbar, dass zu Beginn ein hoher Druck ( ca. 108% des Normalluftdruckes) aufgebracht werden muss. Dieses allgemein bekannte Phänomen zeigt, dass das Gummi zu Beginn eine hohe Zugfestigkeit besitzt, die mit der Dehnung rapide abnimmt. In der anschließenden Phase wächst der Innendruck jedoch mit einer nahezu konstanten Rate, bis er aufgrund des Platzen des Luftballons schlagartig abnimmt. Interessant ist hierbei, dass sich mit dem Erreichen der maximalen Füllmenge der Innendruck nicht schlagartig zunimmt. Laienhaft wird vermutet, dass zum Zerreißen der Gummischicht eine höhere Zugkraft überwunden werden muss. Es zeigt sich allerdings, dass der Innendruck mit der gleichen Rate zunimmt. Ebenso ist der notwendige Innendruck zum Zerbersten des Luftballons nicht extrem höher (2%) als der Luftdruck der in der Initialphase erreicht werden muss.
Größenzunahme und Veränderung der Form
Um die Änderung der Füllgröße und der Form des Luftballons zu bewerten, wurde dieser während des Aufblasvorgangs mit einer Videokamera gefilmt. Zur Auswertung jedes Videobildes wurde dieses mit einem Chromakey gefiltert, sodass nur der eigentliche Luftballon sichtbar war. Auf dieses wurde ein Algorithmus zur Konturerkennung angewandt, um Kontur der Querfläche zu ermitteln.
An der Auswertung der Querfläche, die als grobe Abschätzung des Füllvolumens dient zeigt sich, dass dieses mit zum Zeitpunkt des Zerberstens kontinuierlich zunimmt. Eine signifikante Änderung der Volumenzunahme kurz vor dem Zerbersten ist nicht erkennbar. Jedoch ist deutlich erkennbar, dass der Luftballon mit Erreichen der maximalen Füllmenge die Form deutlich verändert. Der Bereich des Mundstückes wird erst bei einem höheren Luftdruck gedehnt und stellt damit ein signifikantes Indiz zum Erreichen der maximalen Größe des Luftballons dar.
Schlussfolgerungen in der Sicherheitsbetrachtung
An dem Innendruck, den ein Mensch durch die Anstrengung der Atemmuskulatur und Sensoren im Mund und Rachenbereich aber auch durch haptische Sensorik in den Fingern abschätzen kann, kann der Zeitpunkt des Zerberstens nicht abgeschätzt werden. Folglich müsste die Person, die den Luftballon aufpustet, den absoluten Innendruck abschätzen können – dies ist ohne entsprechendes Training sehr unwahrscheinlich, zumal der maximale Druck von dem verwendeten Luftballon abhängig ist. Ebenso kann vermutet werden, dass eine Person, die den für die Initialphase notwendigen Luftdruck aufbringen kann, auch den notwendigen Luftdruck zum Zerbersten des Luftballons aufbringen kann. Somit stellt eine schwächere Atemmuskulatur bei Kindern keinen zuverlässigen Schutz dar. Eine Veränderung in der Größenzunahme konnte auch nicht signifikant beobachtet werden, wohl aber eine Veränderung der Form des Luftballons.
Insgesamt lässt sich zusammenfassen, dass weder Größe noch Innendruck sichere wahrnehmbaren Eigenschaften sind, mit denen das Platzen des Luftballons abgeschätzt werden kann. Ebenso ist anzunehmen, dass Kinder bereits über die notwendige Kraft in der Lungenmuskulatur verfügen. Somit sollte vor allen die Form des Luftballons (z.B. Füllung des Mundstückes) und eventuell die Transparenz der Gummihaut beobachtet werden. Hingegen ist ein weitverbreitetes „Eindrücken“ des Luftballons wiederum eine Messung des Innendrucks uns stellt kein sicheres Indiz dar.
Allgemein sollten Luftballons mit einer Pumpe aufgepumpt werden, damit im Falle eines Zerberstens ein genügender Sicherheitsabstand zu Gesicht und Ohren besteht. Sollte der Luftballon dennoch mit dem Mund aufgepustet werden, sind Sicherheitsmaßnahmen (Augenschutz durch Brille oder Handflächen, regelmäßige Beobachtung der Form des Luftballons) empfehlenswert. Weitere Gefahrenbetrachtungen, die an dieser Stelle nicht unerwähnt bleiben soll, ist eine mögliche Kontamination mit Nitrin sowie Gefahren von unkontrolliertem Zerplatzen aufgrund schlechter Gummiqualität. Daher ist für den Umgang mit Kindern dringen zu raten, nur Luftballons aus geprüfter Herstellung zu verwenden. Ebenso ist eine Sensibilisierung der Gefahrenlage (Luftballons sollen nicht in Nähe von Ohren oder Augen zerplatzen) speziell für Kinder anzuraten.