Закон Архимеда в воздухе
Закон Архимеда работает не только в воде, но и в любой среде, в том числе в воздухе. Выталкивающая сила:
где V — объём шарика, ρ_воздух ≈ 1,29 кг/м³. Шарик взлетит, если эта сила больше его полного веса:
Почему гелий, а не воздух
Плотности (при нормальных условиях):
- Воздух: 1,29 кг/м³
- Гелий: 0,18 кг/м³ — в 7,2 раза легче воздуха
- Водород: 0,09 кг/м³ (ещё легче, но горюч и взрывоопасен)
Разница плотностей даёт подъёмную силу около 1,1 кг на 1 м³ гелия. Типичный праздничный шарик диаметром ~30 см (объём ~0,014 м³) создаёт подъёмную силу около 14 г — достаточно, чтобы преодолеть вес латексной оболочки и ниточки.
Почему шарик со временем опускается
Гелий — маленький атом, он постепенно диффундирует сквозь латекс. За сутки шарик теряет часть гелия, становится тяжелее и в итоге опускается. Фольгированные шарики держатся дольше — до нескольких недель, потому что металлизированная плёнка менее проницаема.
Почему не водород, а гелий
Водород создаёт примерно вдвое бо́льшую подъёмную силу, чем гелий. Но водород горюч и образует взрывоопасные смеси с воздухом. После катастрофы дирижабля «Гинденбург» в 1937 году водород в воздухоплавании практически вышел из употребления. Гелий химически инертен и безопасен.
Воздушный шар и дирижабль
Тот же принцип работает в воздушных шарах (но там лёгкость обеспечивается нагретым воздухом: ρ_горячий воздух < ρ_холодный воздух) и дирижаблях с гелием. Подъёмная сила гелиевого дирижабля объёмом 200 000 м³ — около 220 тонн.
