I palloncini di elio funzionano con la stessa legge di galleggiamento. In questo caso, il palloncino ad elio che si tiene per una corda sta galleggiando in una “piscina” d’aria (quando si sta sott’acqua sul fondo di una piscina, si sta in una “piscina d’acqua” forse profonda 10 piedi – quando si sta in un campo aperto si sta sul fondo di una “piscina d’aria” che è profonda molte miglia). Il palloncino ad elio sposta una quantità d’aria (proprio come la bottiglia vuota sposta una quantità d’acqua). Finché l’elio più il palloncino è più leggero dell’aria che sposta, il palloncino galleggerà nell’aria.
Si scopre che l’elio è molto più leggero dell’aria. La differenza non è così grande come quella tra acqua e aria (un litro d’acqua pesa circa 1.000 grammi, mentre un litro d’aria pesa circa 1 grammo), ma è significativa. L’elio pesa 0,1785 grammi per litro. L’azoto pesa 1,2506 grammi per litro, e poiché l’azoto costituisce circa l’80% dell’aria che respiriamo, 1,25 grammi è una buona approssimazione per il peso di un litro d’aria.
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Quindi, se si dovesse riempire una bottiglia di soda da 1 litro di elio, la bottiglia peserebbe circa 1 grammo in meno della stessa bottiglia riempita con aria. Non sembra molto – la bottiglia stessa pesa più di un grammo, quindi non galleggerà. Tuttavia, in grandi volumi, la differenza di 1 grammo per litro tra aria ed elio può davvero sommarsi. Questo spiega perché i dirigibili e i palloni sono generalmente piuttosto grandi: devono spostare molta aria per galleggiare. Il seguente diagramma mostra le diverse capacità di sollevamento di diversi volumi di elio:
“Un pallone di 100 piedi di diametro può sollevare 33.000 libbre! Ecco come si può calcolare la capacità di sollevamento dell’elio in un pallone sferico:
- Determinare il volume del pallone. Il volume di una sfera è 4/3 * pi * r3, dove r è il raggio del pallone. Quindi, prima determina il raggio della sfera (il raggio è la metà del diametro). Cubo il raggio (moltiplicalo per se stesso due volte: r*r*r), moltiplicalo per 4/3 e poi moltiplicalo per Pi. Se stai misurando il tuo pallone in piedi, questo ti dà il volume del pallone in piedi cubi.
- Un piede cubo di elio solleverà circa 28,2 grammi, quindi moltiplica il volume del pallone per 28.2.
- Dividere per 448 — il numero di grammi in una libbra — per determinare il numero di libbre che può sollevare.
Quindi, per esempio, un palloncino di 20 piedi ha un raggio di 10 piedi. 10* 10 * 10 * 3,14 * 4/3 = 4.186 piedi cubi di volume. 4.186 piedi cubici * 28,2 grammi/piedi cubici = 118.064 grammi. 118.064 grammi / 448 grammi per libbra = 263 libbre di forza di sollevamento. L’idrogeno pesa solo 0,08988 grammi per litro. Tuttavia, è altamente infiammabile, quindi la minima scintilla può causare un’enorme esplosione.
Perché l’elio e l’idrogeno sono così più leggeri dell’aria? Perché gli atomi di idrogeno ed elio sono più leggeri di un atomo di azoto. Hanno meno elettroni, protoni e neutroni degli atomi di azoto, e questo li rende più leggeri (il peso atomico approssimativo dell’idrogeno è 1, dell’elio è 4 e dell’azoto è 14). Approssimativamente lo stesso numero di atomi di ognuno di questi elementi riempie approssimativamente la stessa quantità di spazio. Pertanto, i gas fatti di atomi più leggeri sono più leggeri.