Dlaczego Balony Unoszą Się? Wypór, Hel i Fizyka Pęknięć

Dlaczego balon wznosi się do góry

Balon naładowany helu unosi się z powodu tego samego faktu, co kawałek drewna unoszącego się na wodzie: wyporu. Zasada Archimedesa mówi, że każdy obiekt zanurzony w cieczy odczuwa siłę do góry równą wadze cieczy, którą wypiera. Powietrze jest również cieczą – cieńszym niż woda, ale nadal cieczą, i balon naładowany helu wypiera objętość powietrza o masie większej niż hel plus materiał elastyczny wewnątrz niego. Różnica między wagą wypieronego powietrza a wagą samego balonu stanowi siłę pchania do góry.

Hel jest drugim najlżejszym pierwiastkiem we wszechświecie, około jednej septymy masy powietrza przy tej samej temperaturze i ciśnieniu. Litr powietrza na poziomie morza ma masę około 1,2 g; litr helu ma masę około 0,18 g. Napełnij balon gumowy helem, a uwięziony gaz sam w sobie jest o około jeden gram lżejszy na litr niż powietrze, które wypycha z drogi – wystarczająco, aby po odjęciu wagi gumy i węzła, pozostawić realny nadwyżkę siły pchania do góry.

Siła wyporności w liczbach

F_wyporność = ρ_powietrza · V · g (siła wypychania powietrza) F_ciężar = (ρ_He · V + masa_gumowa) · g Siła siatkowa = F_wyporność − F_ciężar = (ρ_powietrza − ρ_He) · V · g − masa_gumowa · g Po uwolnieniu balon nie przyspiesza w nieskończoność — szybko osiąga prędkość terminalną, w której siła wyporności jest dokładnie zrównoważona przez opór aerodynamiczny działający dołem i przeciwdziałający jego ruchowi. Dlatego też balony unoszą się delikatnie i stabilnie, zamiast wystrzeliwać jak rakieta. Wraz ze wzrostem wysokości otłaczne powietrze staje się rzadsze, a siła wyporności maleje; ostatecznie balon rzeczywisty przestaje wędrować w górę, a jeśli jest zamknięty, spadek ciśnienia zewnętrznego pozwala gazowi wewnątrz rozszerzyć się do momentu, aż gumowy materiał nie może się jeszcze bardziej naprężyć i pęknie.

F_buoyancy = ρ_air · V · g        (weight of displaced air)
F_weight   = (ρ_He · V + m_rubber) · g

net force  = F_buoyancy − F_weight
           = (ρ_air − ρ_He) · V · g − m_rubber · g

Wiatr, dryf i pękanie

Na tej stronie symulacji, suwica wiatru nachyla całą płynną falę na boki, a każda kula reaguje na nią podobnie jak lekki obiekt pod wpływem lekkiego podmuchu wiatru: ponieważ kula ma bardzo niską masę, ale dużą powierzchnię, wiatr popycha ją znacznie bardziej niż robiłoby to cięższy obiekt o takich samych rozmiarach. Tryb pękających kul dodaje prosty wybuch cząstek – gdy na kulę kliknie się, jej wielokąt jest odrzucany i zastępowany setkami małych fragmentów kolorowych, które otrzymują losowe prędkości wychodzące i grawitację, imitując sposób, w jaki skóra z gumy rozszczepia się i unosi się pod wpływem nagłego uwolnienia ciśnienia wewnętrznego.

Prawdziwe balony urodzinowe są zwykle nadmuchiwane do ciśnienia tylko nieco wyższego niż ciśnienie atmosferyczne – kilka kilopaskali, co jest wystarczające, aby je utrzymać napięte bez konieczności użycia grubego tworzywa sztucznego. Przesadnie napompuj jeden i elastyczny materiał w pobliżu szyjki, który jest najcieńszy i najbardziej rozciągnięty, ma tendencję do uszkodzenia się jako pierwszy, dlatego balony tak często pękają zaczynając od tego końca.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Balloons i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.