Балони и хелий – вълшебната комбинация за страхотно летене

На пръв поглед има нещо невероятно и дори вълшебно в балоните пълни с хелий. Ако някога сте си купували такъв от цирка, панаир или от парка със сигурност сте били пленени от това, как държите връвчицата и балонът вместо да се влачи по земята, лети във въздуха над вас. А ако го пуснете, той ще отлети нагоре и ще лети, и лети, и лети, докато го изгубите от погледа си. Ако някога сте се чудили как така балоните пълни с хелий летят, а тези с обикновен въздух – не, то четете нататък и ще разберете всичко за хелия.

Повечето от нас са виждали и знаят защо нещо плава във водата. Виждаме това всеки ден. Всъщност дори и самите ние плуваме във водата, така че не намираме това за нещо необикновено и необичайно. Причините, поради които балонът с хелий лети, както и нещата плуват във водата, са пряко свързани, така че, нека първо разберем защо нещата плуват във водата.

Представете си, че имате една еднолитрова бутилка от сок или газирана вода и вече сте изпили съдържанието й. Но сте решили да я запазите и сте я завинтили с капачката отгоре. Бутилката може да ви изглежда празна, но тя е пълна с въздух. Сега си представете, че също както на балон, завързвате връвчица около бутилката и се гмуркате с нея в много дълбок басейн. Тъй като бутилката е пълна с въздух, тя веднага ще изплава на повърхността на водата, колкото и да искате да я задържите на дъното. Можете дори да седнете на дъното на басейна, но също както балонът във въздуха, така и бутилката „ще полети“ към повърхността на водата. Причината, поради която бутилката-„балон“ отива на повърхността на водата е много проста. Нарича се „плавателност". Това е термин от физиката, който отразява способността на различни тела да се задържат на повърхността на даден флуид (течност или газ). Плавателността се дължи главно на архимедовата сила, която представлява разлика в налягането между горната и долната повърхност на тялото. Тази сила позволява на предмета да плава на повърхността и да изглежда по-лек. Или по-просто казано всеки предмет в течност или газ се повдига нагоре от сила, равна на теглото на изместената течност от предмета. Това става и с бутилката от нашата история – тя е един литър, това означава, че тя измества един литър вода от басейна и тъй като теглото на бутилката и въздуха в нея е по-малко от теглото на водата, която измества, бутилката плава.

Преди да продължим, ще ви предложим и един лесен опит, с който на практика да видите това, за което говорим. Закрепете средно надут балон на дъното на съд или аквариум, пълен с вода. Ако развържете въжето, плавателността издига балона до повърхността. Разбира се, въжето, закрепено на балона, може да носи по-малък предмет, който може да продължи верижната реакция.

Сигурно вече се чудите какво общо имат балоните с хелий, водата и бутилката. Много просто – балоните с хелий се ръководят от същия принцип на плавателността. Всичко е същото, само че в случая балонът, който държите за връвчица се намира в „басейн“ от въздух. Балонът пълен с хелий измества количество въздух (точно както празната бутилка измества количество вода). Докато хелият и балонът са по-леки от въздуха, те го изместват и балонът лети. Оказва се, че хелият е много по-лек от въздуха. Разликата не е толкова голяма, колкото между вода и въздух (литър вода тежи около 1000 грама, докато литър въздух тежи около 1 грам), но е значителна. Хелият тежи 0,1785 грама на литър. Азотът тежи 1,2506 грама на литър, а той съставлява около 80 процента от въздуха, който дишаме. Затова можем да кажем, че един литър въздух тежи около 1,25 грама. Следователно, ако напълните еднолитрова бутилка с хелий, бутилката ще тежи около 1 грам по-малко от същата бутилка напълнена с въздух. Това не звучи много – самата бутилка тежи повече от един грам, така че няма да полети. Въпреки това, в големи обеми, разликата между въздух и хелий при 1 грам на един литър наистина може да накара дори бутилката да полети. Това обяснява защо другите балони, с които хората летят обикновено са доста големи – те трябва да изместят много въздух. Въпреки, че вече почти не се използват, балоните с водород някога са били доста популярни. Водородът тежи само 0,08988 грама на литър. Въпреки това, той е силно запалим, така че най-малката искра може да предизвика голяма експлозия.

Въпреки това въпросът тук е друг: защо хелият и водородът са много по-леки от въздуха? Това е така, защото водородните и хелиевите атоми са по-леки, отколкото азотните атоми. Те имат по-малко електрони, протони и неутрони от азотните атоми, което ги прави по-леки (приблизителното атомно тегло на водорода е 1, на хелия е 4, а на азота е 14). Приблизително същият брой атоми на всеки един от тези елементи запълва приблизително същия обем. Следователно, газовете съставени от леки атоми са по-леки.

Надяваме се, че вече ви е ясен този въпрос и другия път, когато си купите такъв балон вече ще знаете всичко за него. И като казахме купите, се сетихме, как радостта от този летящ балон трае няколко дни, след което балонът пада и става обикновен. Вие чудили ли сте се защо издържа толкова малко? Отговорът на този въпрос е много по-лесен отколкото на този, който обсъждахме досега – хелият излиза от балона и това става от момента, в който бъде надут. Това е така, защото материалът от който са направени балоните има доста дупки, те не се виждат с просто око, защото са много мънички, но това не значи, че не са там. Атомите на хелия са много малки и успяват един по един да излизат от тези дупчици и колкото повече хелиеви атоми излизат, толкова повече балонът спада, докато накрая не изгуби „магията“ си.

Любопитно за хелия:

Хелият е вторият най-лек и вторият най-разпространен химичен елемент в наблюдаваната Вселена след водорода. В рамките на нашата галактика той заема около 24% от масата на всички елементи, а общата му маса във Вселената се оценява на повече от 12 пъти по-голяма от тази на всички по-тежки елементи, взети заедно. Подобна е концентрацията на хелия и в Слънцето и планетата Юпитер. Това се дължи на високата енергия на свързване на хелий-4 в сравнение със следващите три елемента (литий, берилий и бор). По същата причина хелий-4 често присъства в продуктите на ядрения синтез и радиоактивния разпад. По-голямата част от хелия във Вселената се състои от изотопа хелий-4, като се смята, че е образуван по време на Големия взрив. Известно количество нов хелий се образува в резултат на термоядрен синтез в звезди с маса, по-голяма от половината маса на Слънцето.

Снимки: sxc.hu

Вижте още:
Непослушният балон
Магическо надуване на балон
Летенето с балон – любопитно, забавно и красиво