בלון אוויר חם, או בלון מלא בהליום צפים באוויר, כך שאחד מהם עשוי לעמוד בקריטריונים שלך.

אם אתה מחפש חומר מוצק, אולי כדור של ג'ל דליל מאוד, עם המשטח החיצוני שלו אטום בשכבה דקה של פלסטיק ואז פונה, יכול להתקרב למה שיש לך בראש.אך לא משנה מהו "החומר", יהיה עליו להיות בעל צפיפות מסה נמוכה יותר מאשר האוויר הסביבתי.

האם תיאורטית זה אפשרי עם חומר אחד בלבד? כן. לכל חפץ שתופס נפח גז (או נוזל, או מוצק) לחץ מתח גבוה מעט יותר מאשר הלחץ עליו (בזמן ישיבה בשקט) בגלל הלחץ היורד עם הגובה. אם הוא פחות צפוף מהאוויר שהוא תופס (משקל משולב של המעטפת החיצונית שלו ושל המסה שבתוכו), אז לחץ האוויר ההפרשי מעט יגרום לו לעלות. הוא ימשיך לעלות עד שלחץ האוויר ההפרשי יתאים למשקל האובייקט.

משקל של בלון, בשילוב עם גז קל יותר מאוויר בפנים משיג זאת. ההליום בבלון אינו דוחף את הצד הפנימי העליון של הבלון כדי לגרום לו לעלות. הלחץ החיצוני החזק יותר בתחתית הבלון מאשר בחלקו העליון הוא שגורם לו לעלות. בהליום יש מספיק לחץ כדי לשמור על מעטפת הבלון, אך מסה נמוכה מספיק כך שכל משקלו של הבלון יהיה פחות מכמות האוויר שתופסת את אותו נפח הבלון. אותו רעיון לדברים שצפים על נוזל (לחץ ההפרש גדול יותר ומאפשר ספינות גדולות ממתכת).

זה לא רק כמו כנף מטוס. כנפי מטוס מאיצות את זרימת האוויר כלפי מטה (עם מעט ברנולי גם כן), כמו גולש מים, והכנף צריכה לנוע באוויר.

האם זה תיאורטית אפשרי או שיש השפעות אחרות או פשטות שהתעלמו מהן?

תיאורטית, שתי תצורות שאני יכול לחשוב עליהן:

• חומר יחיד כבד יותר מאוויר, אך עם ואקום בפנים, קל מספיק כדי להיות פחות צפוף בסך הכל, אך חזק מספיק כדי לא רק למנוע דליפה של אוויר פנימה, אלא למנוע את האוויר גם לרסק אותו; או
• כפי שרמזת, מוצק שצפיפותו פחות מזו של אוויר.

מזל טוב! הבנתם את הבסיס של העיקרון של ארכימדס. המאמר המקושר כאן נותן הסבר מניח את הדעת, אם כי ניתן להביע את הנקודה העיקרית בפשטות:

שקול גליל המכוון אנכית בתוך הנוזל. ההבדל בלחץ בין החלק העליון והתחתון של אותו גליל נובע ממשקל הנוזל שבתוכו, והוא בדיוק אותו משקל ש מחולק לפי שטח החתך שלו. תחליף גוף מוצק באותם ממדים, וההבדל בכוח שמפעיל הנוזל בחלקו העליון ובתחתית אותו גוף - העומק עליו - הוא ההבדל בלחץ מוכפל ב אזור החתך. אך זהו רק משקל הנוזל שכבש בעבר את החלל שנלקח על ידי אותו גוף, וכעת נעקר ממנו.

בהתחשב בכל חפץ שלא בצורה סדירה כצרור גלילים דקים, שכל אחד מהם מציף את הנוזל שהוא עוקר, ברור שהצורה לא משנה, רק נפח. הדחף גדול ממשקל הגוף אם הגוף שוקל פחות מהנוזל שהוא עוקר, ומכיוון שהם אותם נפחים, זה בדיוק כשהגוף פחות צפוף מהנוזל.

התשובה לשאלתך, אם כן, היא שכל דבר שצפיפות שווה או פחות מאוויר יצוף באוויר, ובלונים המכילים מימן או הליום הם הדוגמאות הנפוצות ביותר. תשובות אחרות הצביעו על אירוגל ואקום, אך איירגל ג'ל המכיל מימן או הליום בלחץ אטמוספרי הוא מועמד פשוט יותר, מכיוון שהוא אינו מחייב את הג'ל בכוח רב. לדוגמא, ל- איירגל הפנוי הקל ביותר שהושג עד כה יש צפיפות של 1000 $ g / m ^ 3 $ , וטמפרטורת החדר ולחץ מימן בעל צפיפות של 83.2 $ g / m ^ 3 $ , מה שמקנה צפיפות לג'ל, כאשר מחדירים אותו במימן, של לא יותר מ 1083.2 $ g / m ^ 3 $ , פחות מצפיפות האוויר באותם תנאים - 1200 $ g / m ^ 3 $ ( על פני השטח של האוויר ג'ל יהיה צורך לאטום בקרום, אך תרומתו לצפיפות תפחת עם הגדלת הנפח על ידי שינוי גודל השטח / נפח המוכר.)

באופן רדיקלי יותר, ל אירוגרף זה יש צפיפות מפונה של 160 $ g / m ^ 3 $ בלבד.

אלטרנטיבה לבלונים היא מעטפת כדורית, עם ואקום בפנים, עם עובי וחוזק חומר שנועד לעמוד בפני לחץ אטמוספרי. הכוח כלפי מעלה שווה ערך למשקל האוויר. ומשקלו פרופורציונלי למשטח ולעובי. למעטפת דקה:

$$ F_ \ text {up} = \ mu_ \ text {air} g (4/3) \ pi r ^ 3 $$
$$ \ text {weight} = \ mu_ \ text {shell} g 4 \ pi r ^ 2 \ cdot \ text {עובי} $$ span>

על מנת להשתנות $ F_ \ text {up} \ ge \ text {weight} \ Rightarrow \ mu_ \ text {air} / \ mu_ \ text {shell} \ ge 3 \ cdot \ text {עובי} / r $

למעטפת עשויה פלדה ( $ \ mu = 7850 \ \ mathrm {kg / m ^ 3} $ ) עם 10 $ \ \ mathrm {mm} $ עובי, ועבור $ \ mu_ \ text {air} = 1.2 \ \ mathrm {kg / m ^ 3} $ span>

$$ r_ \ text {min} = \ frac {7850 \ \ mathrm {kg / m ^ 3}} {1.2 \ \ mathrm {kg / m ^ 3}} \ פעמים 3 \ פעמים 0.010 \ \ mathrm m = 196 \ \ mathrm m $$

אם זה יכול לעמוד בלחץ של $ 1 \ \ mathrm {kg / cm ^ 2} $ מבלי להתמוטט זו שאלה אחרת.

אתה שואל על אוויר, אני חושב, אבל אם אתה מתכוון לגזים באופן כללי, אז אירוגלים הם סוג של חומר שיכול לצוף על קסנון.בויקיפדיה וביוטיוב יש הרבה מידע.

זהו בלון ואקום. כדור של חומר חזק להפליא, שבתוכו ואקום. הוא יעלה עד שמשקל האוויר שהוא עוקר יהיה שווה למשקל של אותו כדור חזק להפליא. ובמדע בדיוני הוא יכול להישאר לגובה ללא הגבלת זמן ולהתאים את גובהו באמצעות משאבת ואקום קטנה, סוללות, פאנלים סולאריים ושסתום דליפה ....

להוכחת מושג (אם היה צורך בכך) שעשוי לעבוד עד כמה אלפי מטרים, הייתי מחפש את האווירגל החזק ביותר שיכולתי למצוא, עוטף אותו בקרום פלסטיק קשיח דק ומוצץ את האוויר באמצעות משאבת ואקום. אם האוויר ג'ל לא התמוטט בלחץ, יתכן שיהיה לך בלון הוואקום שלך.

בעולם האמיתי אנו ממלאים קרום בהליום או במימן, ואין בכך צורך בחומרים חזקים להפליא. הם יכולים לעלות עד שהם הולכים לפוצץ כשהגז בפנים מתרחב. לגוגל יש פרויקט "לון" לבלונים שמווסתים את גובהם כך שהם לא קופצים ויוצרים לא לווינים בגובה רב כדי להביא שירותי פס רחב וטלפון לאזורים מרוחקים באמת.