Les ballons à l’hélium fonctionnent selon la même loi de flottabilité. Dans ce cas, le ballon à hélium que vous tenez par une ficelle flotte dans une « piscine » d’air (lorsque vous vous tenez sous l’eau au fond d’une piscine, vous vous tenez dans une « piscine d’eau » de peut-être 10 pieds de profondeur — lorsque vous vous tenez dans un champ ouvert, vous vous tenez au fond d’une « piscine d’air » de plusieurs kilomètres de profondeur). Le ballon à hélium déplace une quantité d’air (tout comme la bouteille vide déplace une quantité d’eau). Tant que l’hélium plus le ballon est plus léger que l’air qu’il déplace, le ballon flotte dans l’air.
Il s’avère que l’hélium est beaucoup plus léger que l’air. La différence n’est pas aussi grande qu’entre l’eau et l’air (un litre d’eau pèse environ 1 000 grammes, tandis qu’un litre d’air pèse environ 1 gramme), mais elle est significative. L’hélium pèse 0,1785 gramme par litre. L’azote pèse 1,2506 gramme par litre, et comme l’azote constitue environ 80 % de l’air que nous respirons, 1,25 gramme est une bonne approximation du poids d’un litre d’air.
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Par conséquent, si vous deviez remplir une bouteille de soda d’un litre d’hélium, la bouteille pèserait environ 1 gramme de moins que la même bouteille remplie d’air. Cela ne semble pas beaucoup — la bouteille elle-même pèse plus d’un gramme, elle ne flottera donc pas. Cependant, dans de grands volumes, la différence d’un gramme par litre entre l’air et l’hélium peut vraiment s’accumuler. Cela explique pourquoi les dirigeables et les ballons sont généralement assez grands : ils doivent déplacer beaucoup d’air pour flotter. Le diagramme suivant montre les différentes capacités de levage de différents volumes d’hélium:
Un ballon de 100 pieds de diamètre peut soulever 33 000 livres ! Voici comment vous pouvez déterminer la capacité de levage de l’hélium dans un ballon sphérique à l’hélium :
- Déterminer le volume du ballon. Le volume d’une sphère est de 4/3 * pi * r3, où r est le rayon du ballon. Donc, déterminez d’abord le rayon de la sphère (le rayon est la moitié du diamètre). Cubifiez le rayon (multipliez-le par lui-même deux fois : r*r*r), multipliez-le par 4/3, puis multipliez-le par Pi. Si vous mesurez votre ballon en pieds, cela vous donne le volume du ballon en pieds cubes.
- Un pied cube d’hélium soulève environ 28,2 grammes, donc multipliez le volume du ballon par 28.2.
- Divisez par 448 — le nombre de grammes dans une livre — pour déterminer le nombre de livres qu’il peut soulever.
Donc, par exemple, un ballon de 20 pieds a un rayon de 10 pieds. 10* 10 * 10 * 3,14 * 4/3 = 4 186 pieds cubes de volume. 4 186 pieds cubes * 28,2 grammes/pied cube = 118 064 grammes. 118 064 grammes / 448 grammes par livre = 263 livres de force de levage.
Bien qu’ils ne soient plus beaucoup utilisés, les ballons à hydrogène étaient autrefois assez populaires. L’hydrogène ne pèse que 0,08988 gramme par litre. Cependant, il est hautement inflammable, de sorte que la moindre étincelle peut provoquer une énorme explosion.
Alors, pourquoi l’hélium et l’hydrogène sont-ils tellement plus légers que l’air ? C’est parce que les atomes d’hydrogène et d’hélium sont plus légers qu’un atome d’azote. Ils ont moins d’électrons, de protons et de neutrons que les atomes d’azote, ce qui les rend plus légers (le poids atomique approximatif de l’hydrogène est de 1, celui de l’hélium de 4 et celui de l’azote de 14). Le même nombre approximatif d’atomes de chacun de ces éléments remplit approximativement la même quantité d’espace. Par conséquent, les gaz composés d’atomes plus légers sont plus légers.