Подъемная сила гелиевых шаров
Архимедова сила. Подъемная сила. Сила трения об воздух. Надувание шаров стандартной смесью гелия с воздухом. Получение воздушно-гелиевой смеси вручную.
Представляем вашему вниманию обучающий курс: Гелий, баллоны, редукторы.
В обучающем курсе собрана воедино вся информация о гелии, о гелиевых баллонах и редукторах, и о том, как аэродизайнеру всем этим пользоваться. Информация в курсе дана простым и понятным языком.
Архимедова сила
Гелий — это газ, который легче воздуха (плотность гелия меньше плотности воздуха). Если надуть шарик гелием, то он станет легче, чем окружающий его воздух. Поэтому окружающий воздух будет выталкивать его из себя, и шарик станет всплывать. Этим и объясняется почему гелиевые шары взлетают.
Сила, выталкивающая шар наверх, называется архимедовой силой. Архимедова сила напрямую связана с объёмом гелиевого шара: чем больше гелиевый шар по размерам, тем больше у него объем, тем большая сила толкает его вверх.
При нормальных условиях воздух, занимающий объем 1 м. куб., будет весить 1293 г, а гелий, занимающий тот же объем, будет весить всего 178 г. В пересчёте на литры: литр гелия легче литра воздуха почти на 1 грамм.
Иными словами: каждый литр гелия, которым надули шарик, увеличивает архимедову силу на один грамм.
Пример 1.
Латексный шар 12″, надутый гелием до диаметра 28 см, вмешает в себя около 14 литров гелия. Значит, архимедова сила, действующая на такой шар, составит 14 грамм.
Пример 2
Фольгированный шар типа «сердце», размером 18″, вмещает в себя 21 литр гелия. Значит архимедова сила, действующая на такой шар, составит 21 грамм.
Чем больше архимедова сила, тем больше ускорение у взлетающего шарика. Иными словами, чем больше шар по размерам, тем быстрее он взлетает. И наоборот, чем меньше архимедова сила, толкающая шар, тем медленнее он набирает скорость взлета.
Подъемная сила
Кроме архимедовой силы, на воздушный шар действует сила тяжести (гравитация), которая тянет его вниз. Чем большую массу имеет сам шар, тем сильнее он притягивается к земле.
На шар обе силы действуют одновременно. Разница между архимедовой силой и силой тяжести называется подъёмной силой. Если подъемная сила больше нуля, то шар взлетает. Если подъемная сила равна нулю, или она имеет отрицательное значение, то шар не взлетает и остается на своём месте.
Пример 1
Латексный шар 12″, надутый гелием до диаметра 28 см, вмешает в себя около 14 литров гелия. Архимедова сила: 14 грамм.
Масса латексного шара 12″ составляет 3 грамма, масса ленточки: 1 грамм.
Результирующая подъёмная сила составит 10 грамм.
Пример 2
Фольгированное сердце 18″, вмещает в себя 21 литр гелия. Архимедова сила: 21 грамм.
Масса фольгированного шара составляет 17 грамм, масса ленточки: 1 грамм.
Итоговая подъёмная сила составит 3 грамма.
Пример 3
Латексный шар 5″, надутый гелием до диаметра 12 см, вмешает в себя около 1 литра гелия. Архимедова сила : 0,9 грамм.
Масса латексного шара 5 составляет 1 грамм.
Результирующая подъёмная сила составит -0,1 грамм, т.е. шар не взлетит.
Если этот же шар 5″ надуть гелием так, что его диаметр составит 15 см (передутый шар), то Архимедова сила составит 1,7 грамма.
Результирующая подъемная сила составит 0,7 грамма, и шар взлетит. Но когда шар покинет хоть немного гелия (это случится через несколько часов), то архимедова сила снизится и шар упадет вниз.
Сила трения об воздух
Чтобы взлететь шару необходимо преодолеть сопротивление воздуха. Сила сопротивления воздуха (сила трения шара об воздух) связана со скоростью движения шара: чем с большей скоростью взлетает шар, то тем больше возрастает сила трения шара об воздух.
Сила трения уменьшает подъемную силу так же, как и сила тяжести. Поэтому, вначале скорость взлетающего шара увеличивается быстро (шар разгоняется). Однако, при этом возрастает и сопротивление воздуха. В итоге, скорость шара перестает возрастать, и шар продолжает взлетать с постоянной скоростью, без ускорения.
Надувание шаров стандартной смесью гелия с воздухом
Если смешать гелий с воздухом, то полученная смесь так же будет легче воздуха. Если воздушный шар наполнить такой гелиево-воздушной смесью, то шар взлетит. Подъемная сила у такого шара будет меньше, чем подъемная сила у шара, надутого чистым гелием.
Стандартная гелиево-воздушная смесь состоит из 60% чистого гелия (марки Б) и 40% воздуха. Её называют смесью «60+40».
Стандартную смесь получают при помощи гелиевых редукторов — мешалок гелия с воздухом. Одним из популярных ректоров, позволяющих надувать шары смесью гелий+воздух (60+40), является редуктор CONWIN 81750.
Пример 1
Латексный шар 12″, надутый смесью гелий+воздух (60+40) до диаметра 28 см, вмешает в себя около 14 литров смеси. Архимедова сила составит 60% от архимедовой силы шара, надутого чистым гелием. Для смеси, архимедова сила составит: 14 грамм * 60% = 8,4 грамма.
Масса латексного шара 12″ составляет 3 грамма, масса ленточки: 1 грамм.
Результирующая подъёмная сила составит 4,4 грамма (вместо 10 грамм для аналогичного шара, надутого чистым гелием). Шар, надутый стандартной смесью, разумеется, взлетит, но не так быстро.
Пример 2
Фольгированный шар сердце размером 18″, надутый смесью гелий+воздух (60+40), вмещает в себя 21 литр смеси. Архимедова сила составит 60% от архимедовой силы шара, надутого чистым гелием. Для смеси, архимедова сила составит: 21 грамм * 60% = 12,6 грамма.
Масса фольгированного шара составляет 17 грамм, масса ленточки: 1 грамм.
Результирующая подъёмная сила составит -5,4 грамма. Это означает что фольгированный шар совсем не взлетит.
Пример 3
Шар из латекса, размером 36″, надутый до диаметра 78 см, вмещает в себя 226 литров. Сам шар весит 36 грамм
Если шар надувать чистым гелием, то Архимедова сила составит 226 грамм. Подъемная сила составит: 226 — 36 = 190 грамм.
Если такой шар надувать смесью гелий+воздух (60+40), то архимедова сила составит: 226*60% = 136 грамм. А подъемная сила составит: 136 — 36 = 100 грамм.
Разница в подъемной силе почти в 2 раза (190 и 100 грамм) почти никак не скажется на поведении метрового шара: подъемная сила все равно будет высока.
Выводы
Смесью 60+40 имеет смысл надувать большие шары из латекса, раздуваемые в диаметре до диаметра 30 см и более.
Надувать смесью латексные шары, которые раздуваются до диаметра менее 30 см не рекомендуется.
Фольгированные шары, фигуры и цифры нужно надувать только чистым гелием. Использование смесей для надувания фольгированных шаров и фигур не допустимо.
Получение воздушно-гелиевой смеси вручную
Чтобы получить внутри шара гелиево-воздушную смесь, можно обойтись и без редуктора мешалки, если использовать специальный способ надувания шаров:
Шар частично надувают воздухом при помощи ручного насоса или компрессора, потом, зажав шейку шара, натягивают шейку шара на вентиль баллона (или на носик редуктора) и додувают шар до необходимого размера уже гелием.
Пример 1
Например, надуем шар воздухом до половины желаемого диаметра и потом додуем гелием. В этом случае в шаре окажется гелиево-воздушная смесь, состоящая из 85% гелия + 15% воздуха. Это вполне подходит для надувания шаров размером 12″.
Пример 2
Например, надуем шар до трети желаемого диаметра и потом додуем гелием. В этом случае, в шаре окажется гелиево-воздушная смесь, состоящая из 75% гелия + 25% воздуха. Это вполне подходит для надувания шаров размером 14″ и более.
Экономия гелия
Шары надувают смесью гелия с воздухом для экономии гелия. Если смешивать гелий с воздухом, то из одного баллона можно надуть больше шаров.
Например, если надувать только шары 12″, то из одного баллона, чистым гелием их можно надуть около 400 шт. А если эти же шары надувать стандартной смесью 60+40, то из одного баллона их можно надуть уже около 670 шт., что на 33% больше. Иными словами 170 шаров с баллона мы получаем в подарок, или гелий в каждом четвертом баллоне мы получим бесплатно.
Главное: всегда нужно контролировать состав смеси (сколько гелия и сколько воздуха), а так же не допускать надувания смесь маленьких шаров или фольгированных шаров и фигур. Так же, недопустимо надувать шары и сферы баблс с конфетти: для подъем конфетти требуется большая подъемная сила, которую может обеспечить лишь надувание чистым гелием.
