Helium ballonnen werken volgens dezelfde wet van drijfvermogen. In dit geval drijft de heliumballon die je aan een touwtje vasthoudt in een “zwembad” van lucht (als je onder water op de bodem van een zwembad staat, sta je in een “zwembad van water” van misschien anderhalve meter diep — als je in een open veld staat, sta je op de bodem van een “zwembad van lucht” dat vele kilometers diep is). De heliumballon verplaatst een hoeveelheid lucht (net zoals de lege fles een hoeveelheid water verplaatst). Zolang het helium in de ballon lichter is dan de lucht die hij verplaatst, zal de ballon in de lucht zweven.
Het blijkt dat helium een stuk lichter is dan lucht. Het verschil is niet zo groot als tussen water en lucht (een liter water weegt ongeveer 1000 gram, terwijl een liter lucht ongeveer 1 gram weegt), maar het is wel significant. Helium weegt 0,1785 gram per liter. Stikstof weegt 1,2506 gram per liter, en aangezien stikstof ongeveer 80 procent uitmaakt van de lucht die we inademen, is 1,25 gram een goede benadering voor het gewicht van een liter lucht.
Aanbeveling
Dus, als je een 1-liter frisdrankfles zou vullen met helium, zou de fles ongeveer 1 gram minder wegen dan dezelfde fles gevuld met lucht. Dat klinkt niet veel – de fles zelf weegt meer dan een gram, dus hij blijft niet drijven. Maar in grote volumes kan het verschil van 1 gram per liter tussen lucht en helium behoorlijk oplopen. Dit verklaart waarom blimps en ballonnen over het algemeen vrij groot zijn — zij moeten veel lucht verplaatsen om te kunnen zweven. Het volgende diagram toont de verschillende hefcapaciteiten van verschillende volumes helium:
“Een ballon met een doorsnede van 100 voet kan 33.000 pond tillen! Zo kun je het hefvermogen van het helium in een bolvormige heliumballon berekenen:
- Bepaal het volume van de ballon. Het volume van een bol is 4/3 * pi * r3, waarbij r de straal van de ballon is. Bepaal dus eerst de straal van de bol (de straal is de helft van de diameter). Kubeer de straal (vermenigvuldig hem twee keer met zichzelf: r*r*r), vermenigvuldig met 4/3 en vermenigvuldig dan met Pi. Als je de ballon in voeten meet, krijg je het volume van de ballon in kubieke voeten.
- Een kubieke voet helium tilt ongeveer 28,2 gram, dus vermenigvuldig het volume van de ballon met 28.2.
- Deel door 448 – het aantal grammen in een pond – om het aantal kilo’s te bepalen dat de ballon kan tillen.
Zo heeft bijvoorbeeld een ballon van 20 voet een straal van 10 voet. 10* 10 * 10 * 3,14 * 4/3 = 4.186 kubieke voet aan volume. 4.186 kubieke voet * 28,2 gram/kubieke voet = 118.064 gram. 118.064 gram / 448 gram per pond = 263 pond hefkracht.
Hoewel ze niet veel meer gebruikt worden, waren waterstofballonnen ooit heel populair. Waterstof weegt slechts 0,08988 gram per liter. Het is echter zeer ontvlambaar, dus het kleinste vonkje kan een enorme explosie veroorzaken.
Waarom zijn helium en waterstof dan zoveel lichter dan lucht? Omdat de waterstof- en heliumatomen lichter zijn dan een stikstofatoom. Ze hebben minder elektronen, protonen en neutronen dan stikstofatomen, en dat maakt ze lichter (het atoomgewicht van waterstof is bij benadering 1, dat van helium 4 en dat van stikstof 14). Ongeveer hetzelfde aantal atomen van elk van deze elementen vult ongeveer dezelfde hoeveelheid ruimte. Daarom zijn de gassen die van lichtere atomen zijn gemaakt, lichter.