Heliumballons funktionieren nach dem gleichen Gesetz des Auftriebs. In diesem Fall schwebt der Heliumballon, den Sie an einer Schnur halten, in einem „Pool“ aus Luft (wenn Sie unter Wasser auf dem Grund eines Schwimmbeckens stehen, stehen Sie in einem „Pool aus Wasser“, der vielleicht 10 Fuß tief ist – wenn Sie auf einem offenen Feld stehen, stehen Sie auf dem Grund eines „Pools aus Luft“, der viele Kilometer tief ist). Der Heliumballon verdrängt eine bestimmte Menge an Luft (genauso wie die leere Flasche eine bestimmte Menge an Wasser verdrängt). Solange das Helium plus der Ballon leichter ist als die Luft, die er verdrängt, wird der Ballon in der Luft schweben.
Es stellt sich heraus, dass Helium sehr viel leichter ist als Luft. Der Unterschied ist nicht so groß wie zwischen Wasser und Luft (ein Liter Wasser wiegt etwa 1.000 Gramm, während ein Liter Luft etwa 1 Gramm wiegt), aber er ist signifikant. Helium wiegt 0,1785 Gramm pro Liter. Stickstoff wiegt 1,2506 Gramm pro Liter, und da Stickstoff etwa 80 Prozent der Luft ausmacht, die wir atmen, sind 1,25 Gramm ein guter Näherungswert für das Gewicht eines Liters Luft.
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Wenn Sie also eine 1-Liter-Sodaflasche mit Helium füllen würden, würde die Flasche etwa 1 Gramm weniger wiegen als die gleiche Flasche gefüllt mit Luft. Das hört sich nicht nach viel an – die Flasche selbst wiegt mehr als ein Gramm, also wird sie nicht schweben. Bei großen Volumina kann sich der Unterschied von 1 Gramm pro Liter zwischen Luft und Helium jedoch wirklich summieren. Dies erklärt, warum Luftschiffe und Ballons im Allgemeinen recht groß sind – sie müssen eine Menge Luft verdrängen, um zu schweben. Das folgende Diagramm zeigt die unterschiedlichen Tragfähigkeiten verschiedener Volumina von Helium:
„Ein Ballon mit einem Durchmesser von 100 Fuß kann 33.000 Pfund tragen! Hier ist, wie Sie die Tragfähigkeit des Heliums in einem kugelförmigen Heliumballon herausfinden können:
- Bestimmen Sie das Volumen des Ballons. Das Volumen einer Kugel ist 4/3 * pi * r3, wobei r der Radius des Ballons ist. Bestimmen Sie also zunächst den Radius der Kugel (der Radius ist die Hälfte des Durchmessers). Würfeln Sie den Radius (multiplizieren Sie ihn zweimal mit sich selbst: r*r*r), multiplizieren Sie mit 4/3 und dann mit Pi. Wenn Sie Ihren Ballon in Fuß messen, ergibt das das Volumen des Ballons in Kubikfuß.
- Ein Kubikfuß Helium hebt etwa 28,2 Gramm, also multiplizieren Sie das Volumen des Ballons mit 28.2.
- Dividieren Sie durch 448 – die Anzahl der Gramm in einem Pfund – um die Anzahl der Pfund zu bestimmen, die er heben kann.
So hat zum Beispiel ein 20-Fuß-Ballon einen Radius von 10 Fuß. 10* 10 * 10 * 3,14 * 4/3 = 4.186 Kubikfuß an Volumen. 4.186 Kubikfuß * 28,2 Gramm/Kubikfuß = 118.064 Gramm. 118.064 Gramm / 448 Gramm pro Pfund = 263 Pfund Hebekraft.
Obwohl nicht mehr oft verwendet, waren Wasserstoffballons einst sehr beliebt. Wasserstoff wiegt nur 0,08988 Gramm pro Liter. Allerdings ist er hochentzündlich, so dass der kleinste Funke eine riesige Explosion auslösen kann.
Warum sind Helium und Wasserstoff dann so viel leichter als Luft? Das liegt daran, dass die Wasserstoff- und Heliumatome leichter sind als ein Stickstoffatom. Sie haben weniger Elektronen, Protonen und Neutronen als Stickstoffatome, und das macht sie leichter (das ungefähre Atomgewicht von Wasserstoff ist 1, Helium ist 4 und Stickstoff ist 14). Ungefähr die gleiche Anzahl von Atomen jedes dieser Elemente füllt ungefähr die gleiche Menge an Raum aus. Daher sind die Gase, die aus leichteren Atomen bestehen, leichter.