Физика процесса и закон Архимеда в газах
Закон Архимеда действует одинаково надежно в жидкостях и в газах. Земная атмосфера представляет собой океан из смеси газов, где с приближением к поверхности давление и плотность воздуха возрастают. На любое тело, погруженное в атмосферу, давит окружающий воздух. Снизу это давление чуть выше, чем сверху, благодаря чему возникает направленная вверх выталкивающая сила.
Величина этой выталкивающей силы строго равна весу воздуха, объем которого вытеснил шар. Одновременно на шар действует сила тяжести, направленная к центру Земли. Сила тяжести складывается из веса резиновой или фольгированной оболочки, привязанной нитки и массы самого газа внутри. Шар начинает уверенно подниматься только тогда, когда архимедова сила превышает суммарный вес всей конструкции.
Почему гелий легче воздуха на уровне молекул
Воздух состоит преимущественно из азота и кислорода. Молекула азота состоит из двух атомов с суммарной молярной массой около 28 граммов на моль. Молекула кислорода содержит два атома с массой около 32 граммов на моль. Средняя молярная масса сухого воздуха у поверхности планеты равна примерно 29 граммам на моль. При нормальных условиях один кубический метр воздуха весит приблизительно 1,29 килограмма.
Гелий устроен совершенно иначе. Это благородный газ, молекулы которого состоят всего из одного атома. Молярная масса гелия равна 4 граммам на моль. При тех же условиях давления и температуры один кубический метр гелия весит около 0,18 килограмма. Закон Авогадро утверждает, что равные объемы разных газов при одинаковых условиях содержат одинаковое количество частиц. Раз частицы гелия весят в семь раз меньше частиц воздуха, объем гелия оказывается легче точно такого же объема воздуха более чем в семь раз.
Сколько веса может поднять гелиевый шар
Чтобы вычислить чистую грузоподъемность гелия, из массы вытесненного воздуха вычитают массу самого газа. Один кубический метр воздуха весит 1,29 килограмма, а кубометр гелия — 0,18 килограмма. Разница составляет 1,11 килограмма подъемной силы на каждый кубический метр чистого газа.
В реальной жизни полезная подъемная сила оказывается скромнее из-за веса латекса и завязок. Стандартный праздничный шарик диаметром около 30 сантиметров вмещает примерно 0,014 кубического метра газа. Такой объем создает около 15 граммов подъемной силы. Сама латексная оболочка шарика весит около 3-4 граммов. Шарик способен поднять на ниточке груз массой всего 10-11 граммов, например небольшую открытку или пластиковую фигурку.
Что происходит с шаром высоко в небе
Если выпустить шарик из рук на улице, он не сможет лететь вверх бесконечно. По мере набора высоты окружающая земная атмосфера становится все более разреженной. Плотность воздуха падает, а внешнее атмосферное давление снижается. Давление газа внутри шарика начинает распирать эластичные стенки латекса изнутри во все стороны.
По мере подъема шар непрерывно раздувается. Обычный латексный шарик достигает предела прочности на высоте около 8-10 километров, где разрывается на мелкие ошметки. Специальные метеорологические зонды изготавливают из сверхпрочных полимеров и наполняют лишь частично, оставляя огромный запас для растяжения оболочки. Такие зонды поднимаются на высоту свыше 30 километров. Они останавливаются там, где плотность разреженного воздуха сравнивается со средней плотностью всего летательного аппарата.
Применение гелия в воздухоплавании и технике
Человечество использует легкие газы для полетов более двух столетий. Самым легким газом во Вселенной является водород, молярная масса которого составляет всего 2 грамма на моль. Водород создает максимальную подъемную силу, однако он чрезвычайно пожароопасен и образует взрывоопасную смесь при контакте с кислородом. Катастрофа немецкого дирижабля Гинденбург в 1937 году привела к полному отказу от использования водорода в пассажирском транспорте.
Гелий принадлежит к благородным газам, его внешняя электронная оболочка полностью заполнена. Он химически инертен, не горит, не поддерживает пламя и совершенно безопасен в эксплуатации при полетах. Сегодня гелием наполняют туристические аэростаты, научные стратостаты для наблюдения за погодой и солнечной активностью, а также рекламные дирижабли над стадионами.
Частые вопросы
Почему шар падает, если надуть его ртом
Выдыхаемый человеком воздух состоит из азота, остатков кислорода и углекислого газа. Углекислый газ заметно тяжелее обычного воздуха. Суммарная масса выдоха вместе с весом резиновой оболочки превышает вес вытесненного воздуха, поэтому выталкивающей силы недостаточно для взлета.
Сколько гелиевых шаров нужно, чтобы поднять человека
Человек весом 60 килограммов вместе со страховочными веревками требует около 65-70 килограммов чистой грузоподъемности. Стандартный шарик поднимает около 10 граммов полезного груза. Для подъема потребуется связка минимум из 6500-7000 шаров.
Почему гелий меняет тембр человеческого голоса
Плотность гелия низкая, поэтому скорость распространения звуковых волн в нем достигает 965 метров в секунду против 330 метров в секунду в обычном воздухе. При прохождении гелия через голосовые связки резонансная частота речевого тракта повышается, и голос начинает звучать неестественно высоко и тонко.
Чем гелий отличается от горячего воздуха в монгольфьерах
Гелий легок сам по себе благодаря малой массе отдельных атомов. В монгольфьерах используют обычный воздух, молекулы которого при нагревании горелкой начинают двигаться быстрее и разлетаются дальше друг от друга. Плотность горячего воздуха снижается, благодаря чему шар взлетает.