Чому здувається повітряна кулька

У світі немає нічого незмінного. Якщо укласти під тиск деякий обсяг газу в герметичну оболонку, то і там будуть протікати певні процеси. Будуть змінюватися тиск газу і його обсяг.

Як утримати газ?

Найпростіший на перший погляд досвід – це надути повітряну кульку звичайним повітрям. Варто взяти до уваги ту обставину, що кулька виготовлена з тонкої гуми, але щоб надати їй належний обсяг, повітря в ній має перебувати під тиском, що перевершує зусилля розтягнення гуми.

Зрозуміло, що чим товще і міцніше буде шар гуми, тим більший тиск буде потрібен. Камера автомобільного колеса приймає звичну форму і необхідну пружність тільки при надмірному тиску не менше одного Бар або технічної атмосфери.

Зрозуміло, надлишковий тиск у повітряній кульці значно нижчий. Але в будь-якому випадку воно є. Таким чином, створюється передумова для витоку повітря через найменші нещільності. Найвразливіше місце в цій системі – це канал, через який кулька надувається. Гума там товще, таким чином, при зав ‘язуванні кульки утворюються мікро канали, що перевищують розмір молекули газу, що міститься в кулі. Враховуючи підвищений тиск всередині, цілком зрозумілий механізм витоку повітря з кульки. Безперервно здавлюваний обсяг повітря прагне вийти назовні крізь мікроскопічні отвори. Існують й інші причини того, що кулька здувається. Тонка гума досить часто має мікроскопічні пори, крізь які повітря також залишає оболонку. Зрозуміло, що до прискореного виходу повітря може призвести значне підвищення тиску. Для цього цілком достатньо залишити кулю на сонці. Сонячні промені дуже швидко піднімуть температуру, що міститься в кульці повітря, і тим самим підвищать тиск в нім. Природно, повітря стане залишати оболонку значно швидше.

Кулька з гелієм

Практично та ж ситуація складається, якщо кулю наповнити гелієм. Гелій значно легше повітря – і за рахунок цієї різниці забезпечується підйомна сила. Тобто, якщо кулька, наповнена гелієм, відпустити – вона досить швидко відлетить вгору. Але найдивніше, що рано чи пізно кулька повернеться! І виною тому буде втрата підйомної сили. Причин для її зменшення кілька, а найочевидніша – це опади. Краплі водяного пари, що осідають на поверхню кульки, наповненої гелієм, в якийсь момент перевищать показники підйомної сили – і куля кинеться до землі. Але це ще не все, обсохнувши, кулька знову почне підніматися. Сонячні промені, що зігрівають його поверхню, випаровують вологу, але одночасно і підвищать тиск газу і, тим самим, прискорять його витік за тією ж схемою, що і з повітрям. Навіть швидше, оскільки розмір молекули гелію значно менше часу гумової оболонки.

Чому повітряні кулі літають?

Повітряні кулі піднімаються вгору, тому що заповнює їх газ легше навколишнього повітря. Багато газів, зокрема водень і гелій, мають меншу щільність, ніж повітря. Це означає, що при даній температурі вони мають меншу масу одиниці об’єму, ніж повітря.

Коли настільки легкі гази закачані в повітряна куля, він буде підніматися до тих пір, поки загальна вага оболонки з газом, кошики, вантажу і тросів буде менше, ніж вага повітря, витісненого повітряною кулею. (Оскільки повітря розглядається у фізиці подібно рідкому середовищі, тут застосовується той же самий закон, що і для тіл, занурених у рідину.) Гаряче повітря, що має меншу щільність в порівнянні з холодним, також піднімається вгору. Незважаючи на те, що гаряче повітря не настільки легкий, як деякі гази, він більш безпечний і легко відтворюємо пропановими пальниками, встановленими під горловиною оболонки повітряної кулі, яку зазвичай виготовляють з легкої тканини, такий, як зміцнений нейлон. Заповнені гарячим повітрям повітряні кулі зазвичай залишаються в польоті протягом декількох годин, але без додаткового підігріву повітря усередині оболонки вони будуть поступово втрачати висоту.

Молекули при різній температурі

• Коли повітря холодний, молекули рухаються повільно і розташовуються близько один до одного.
• Коли повітря нагрівається, молекули починають рухатися швидше і розходяться в сторони, заповнюючи більший обсяг.
• Так як нагрівається повітря продовжує розширюватися, він стає менш щільним.
• При охолодженні повітря його молекули втрачають свою швидкість, об’єм зменшується, а щільність збільшується.

Повітряна куля лежить на боці. Пропанових пальника нагрівають повітря усередині оболонки, який змусить її роздутися і піднятися вгору.

Гаряче, легке повітря (малюнок під текстом) піднімається усередині оболонки вгору і потім стікає вниз уздовж її стінок. Холодне повітря видавлюється через горловину, вага оболонки з повітрям зменшується і повітряна куля піднімається вгору.
Пілоти підтримують або збільшують висоту польоту шляхом періодичного включення пальників. До тих пір, поки повітря усередині оболонки гаряче зовнішнього, підйомна сила долає силу тяжіння.

Повітряна куля знижується в міру того, як заповнює його повітря охолоджується і стискується. Пілоти можуть прискорити зниження, випускаючи гаряче повітря через отвір у верхній частині повітряної кулі.
Взаємодія тиску, обсягу і температури

Взаємозалежність трьох параметрів. Тиск, об’єм і температура газу взаємопов’язані. При кімнатній температурі (ближній малюнок праворуч) рух молекул газу всередині судини створює певний тиск. Якщо обсяг> менший наполовину (середній малюнок праворуч), внутрішній тиск подвоюється. Коли повітря нагрівається (далекий малюнок праворуч), його тиск зростає і об’єм збільшується пропорційно зростанню температури.