Запускайте різнокольорові кулі і спостерігайте за їхньою поведінкою. Прості зіткнення та дифузія разом утворюють складну атмосферну гру. Доторкніться до кулі, щоб її здути.
Кулі демонструють принципи збереження кінетичної енергії при зіткненнях. Архімедова виштовхна сила змушує легший за повітря гелій підніматися і утримувати кулю на мотузці.
Натискайте на поле, щоб додавати кулі. Регулюйте кількість і гравітацію за допомогою повзунків. Натисніть на кулю, щоб здути або штовхнути її.
Гелій для повітряних куль — невідновний ресурс. Він утворюється в результаті радіоактивного розпаду і накопичується в родовищах природного газу. Вивільнений гелій піднімається у верхні шари атмосфери і назавжди покидає Землю.
Ця симуляція моделює різнокольорові гелієві кульки, що піднімаються вгору під дією виштовхувальної сили, з легким погойдуванням і керованим вітром, що штовхає їх убік. Фізичний рушій застосовує принцип Архімеда: на кожну кульку діє результуюча сила, спрямована вгору, що дорівнює вазі витісненого нею повітря мінус вага гелію всередині. Користувачі можуть спостерігати, як розмір кульки, сила вітру та виштовхувальна сила разом створюють реалістичну поведінку польоту, а також лопати кульки, щоб побачити ефект конфетті, що падає під дією гравітації.
Аеростатика кульок формувала розвиток авіації людства від першого польоту повітряної кулі братів Монгольф'є 1783 року до сучасних стратосферних дослідницьких куль, що піднімають наукові прилади до краю космосу. Розуміння виштовхувальної сили в газах є фундаментальним для метеорології метеозондів, інженерії дирижаблів і проєктування високоатмосферних наукових платформ.
Гелієві кульки злітають угору, бо гелій набагато менш густий за навколишнє повітря. Згідно з принципом Архімеда, будь-яке тіло, занурене в рідину чи газ, відчуває виштовхувальну силу, спрямовану вгору, що дорівнює вазі витісненої речовини. Оскільки кулька, наповнена гелієм, витісняє повітря, яке важить більше за гелій усередині, результуюча сила, що діє на кульку, спрямована вгору, і кулька піднімається.
Оберіть режим унизу екрана: режим «Лопай» дозволяє клацнути будь-яку кульку, щоб вона луснула з конфетті, режим «Політ» дає кулькам вільно дрейфувати, а режим «Пошук» пропонує лопати лише кульки певного кольору-цілі. Повзунок «Вітер» штовхає кульки вліво або вправо, а повзунок «Кульки» задає, скільки їх одночасно на екрані. Ваш рахунок відображається у панелі зверху ліворуч.
Швидкість підйому залежить від результуючої виштовхувальної сили, яка обчислюється як F = (rho_air - rho_helium) x V x g, де rho_air — густина повітря (~1.225 кг/м3), rho_helium — густина гелію (~0.164 кг/м3), V — об'єм кульки, а g — прискорення вільного падіння (9.81 м/с2). У цій симуляції кожна кулька також має невелику випадкову складову погойдування, а опір повітря наближено моделюється загасанням швидкості, що обмежує максимальну швидкість підйому.
Принцип Архімеда, відкритий приблизно у 250 році до н.е., стверджує, що виштовхувальна сила, яка діє на тіло вгору, дорівнює вазі рідини чи газу, витісненого цим тілом. Для кульки в повітрі витіснена речовина — це стовп повітря, який займає кулька. Якщо кулька разом з газом усередині важить менше за цей витіснений стовп повітря, результуюча сила спрямована вгору. Густина гелію становить близько 0.164 кг на кубічний метр проти приблизно 1.225 кг на кубічний метр у повітря, тож гелій забезпечує приблизно 1.06 грама чистої підйомної сили на кожен літр об'єму кульки — ось чому навіть невеликий жмут кульок може відчутно тягнути вгору.
Метеорологічні служби по всьому світу щодня запускають радіозонди — латексні кулі діаметром близько метра при старті, які розширюються до шести й більше метрів, піднімаючись на 30-40 км у стратосферу, де атмосферний тиск близький до нуля. Радіозонди передають дані про температуру, вологість і тиск у реальному часі. NASA та інші агентства також використовують надвеликі поліетиленові кулі з нульовим тиском, щоб піднімати телескопи й детектори космічних променів вище 99.5% земної атмосфери для багатоденних наукових місій за частку вартості запуску ракети.
Не зовсім — це поширене твердження плутає дві різні речі. Запечатана кулька, випущена на Місяці, насправді спалася б, а не розширилася, бо на Місяці практично немає атмосфери, а саме зовнішній тиск утримує кульку надутою на Землі. Проте якщо надути гнучку кульку до того самого внутрішнього тиску в умовах низької гравітації, розтягнення матеріалу було б подібним. Цікавий факт у симуляції — це спрощений спосіб сказати, що знижена гравітація зменшує вагу, яку потрібно підтримувати, тож та сама кількість гелію може підняти набагато важчий вантаж — приблизно вшестеро важчий — а не те, що сама кулька була б удвічі більшою за об'ємом.
Жак Шарль і брати Робер запустили першу безпілотну кулю, наповнену воднем, 27 серпня 1783 року в Парижі на очах у натовпу приблизно 50 000 людей, серед яких був Бенджамін Франклін. Куля піднялася приблизно на 1000 метрів і пролетіла 25 км, перш ніж приземлитися біля села, де налякані фермери, за переказами, атакували її вилами. Лише за кілька тижнів до того, у червні 1783 року, брати Монгольф'є продемонстрували першу повітряну кулю з гарячим повітрям, тож 1783 рік став роком народження обох головних технологій повітряних куль.
Виштовхувальна сила кульок безпосередньо пов'язана з гідродинамікою та симуляціями частинок. Симуляція «Вогонь та Дим» на цьому сайті демонструє конвективний підйом гарячого газу — той самий принцип, що лежить в основі повітроплавання з гарячим повітрям. Симуляція «Гідротермальні жерла» показує бульбашки газу, що піднімаються крізь воду, керовані тим самим рівнянням виштовхувальної сили Архімеда, але в густішому середовищі. Симуляції «Дощ» і «Пісок» досліджують протилежне явище — частинки, що падають під дією гравітації, — доповнюючи картину того, як різниця густин створює рух у рідинах і газах.
Окрім святкового декору, гелієві кульки живлять кілька сучасних технологій. Високоатмосферні псевдосупутники (HAPS) — це стратосферні кулі чи дирижаблі на сонячних батареях, спроєктовані триматися на висоті 20 км місяцями, забезпечуючи широкосмуговий інтернет у віддалених регіонах. Проєкт Loon від Google (2013-2021) використовував флот куль розміром із тенісний корт у стратосфері, щоб доставляти сигнал LTE на сотні кілометрів від кожної кулі. Військові аеростати — прив'язані гелієві дирижаблі — несуть радари й камери спостереження над зонами конфліктів, забезпечуючи постійне широкоформатне спостереження дешевше за літаки.
Науковці активно розробляють апарати зі змінною плавучістю, здатні активно керувати висотою, стискаючи чи розширюючи об'єм газу, — за принципом, подібним до баластних цистерн підводного човна, але в повітрі. Концепція NASA «Venus Aerial Vehicles» передбачає хмарорівневі кульові платформи, здатні місяцями плавати в густій атмосфері Венери. Дослідники з JPL та ESA також вивчають запуски «rockoon» — використання високоатмосферних куль, щоб піднести невеликі ракети над більшою частиною атмосфери перед запалюванням, що суттєво зменшує потрібне для виходу на орбіту паливо. З боку матеріалів плівки з покриттям із графену обіцяють кульки, здатні утримувати гелій тижнями замість годин, що є основним обмеженням сучасних латексних святкових кульок.