氢气球往上飘,和地球引力有什么关系?

这是一位孩子已经上大学的家长提出来的,我想了一下,还是很有意思的,涉及到对阿基米德浮力定律的解释。

推荐  (0) | 19人关注关注
17个答案
62 0

松鼠老孙天文学博士,出版社编辑,科学松鼠会成员

2014-12-26 16:40

原问题是分两步问的:

氢气球为什么会往上飘?(等你回答之后再问)这和地球引力有关系吗?

第一个问题显而易见,直接应用阿基米德浮力定律,物体受到的浮力等于它排开的流体所受到的重力(引力)。氢气球本身的重量显然小于同体积的空气,所以气球往上飘。

如果我没听说过阿基米德浮力定律呢,我可以这样解释,和空气密度同样的一个“假想气球”,它显然在空气里是不动的,它受到地球的重力mg,以及周围空气的浮力,二者显然是平衡的,所以浮力=重力。把这个假想气球换成真气球,浮力(由周围空气决定)显然不变,重力(由气球本身)变了,所以上浮。这实际上是,我们借“假想气球”总结出了阿基米德浮力定律。在阿基米德时代,人们还不了解什么叫引力,所以浮力定律才是阿基米德的天才发现。今天来看,我们用简单的力的分析就能得出来。

那么问题来了,为什么这里浮力里面有个g呢?也就是题目中第二个问题,为什么这里会是跟重力/引力加速度有关呢?阿基米德定律背后是地球引力吗?
没错,大气正是由于地球引力才被束缚在地球上的,像月球那么小的天体,引力太小,原本可能存在的气体也飞走了。进一步分析我们的“假想气球”,它左右位置受气压是大小相等方向相反的,所以水平方向合力为0,下表面气压要大于上表面气压,这个气压差导致了浮力的产生。而浮力=mg,表明气压也就是等于气体本身的重力。大气压,我们就可以说,是大气层被引力束缚压在地球上所产生的。
也就是说,压强差是由于引力导致大气分层所产生的,尽管我们体会不到周围的大气也是分层的,各层压力随高度有变化,但氢气球就体会到了(嗯,与空气相比,还是我们密度太大了)。这种高度效应在宏观还是很明显,比如你爬到高山顶上,空气就有些稀薄了,爬上青藏高原,高原反应就来了。随着气压变化,温度等条件也会产生变化。

换句话说,如果没有地球引力,也就不会有浮力,气球也就不会往“上”飘了。上下本来就是由引力决定的,空间站里(有引力,但用来做旋转了,所以相当于)零重力,东西会飘来飘去,但没有明确往上飘。那么脑洞一下,空间站里的火焰是什么样子的?多长时间会熄灭?

从这里可以推出一个有意思的结论,高中的时候会遇到,就是地面所受压力,等于所有大气的重量(地球旋转的效应暂忽略),也就是海平面大气压乘以地球面积(地形起伏也暂忽略)。

从气压的概念,我们还能回忆起来,流体传递的是压强,比如U形管的平衡。如一个木块放在水里漂着,它的上表面收到的压强是大气压,下表面受到的压强是大气压+浸没这部分水高度产生的压强。大气压是传递过来的,上下抵消,所以我们只要算木块重量=排开水的重量就可以了,大气压在这里不必考虑。

这里我们可以略开谈一下物理学模型。大气或水本身是很复杂的,分子热运动或宏观效应造成流体内部行为模式非常复杂,对布朗运动的解释曾经困扰了物理学家很多年。但我们完全没有考虑它们,只考虑了引力引起的压强差产生浮力。这就是说,物理学模型就是抓住影响问题的主要因素,来解决实际问题。
比如说,如果我们要计算屋子里空气的质量/重量,因为相对于大气压来说,屋子不同高度气压变化很小,密度变化也可以忽略,你用标准大气压密度乘以体积也就可以了,也就是说,我们这时候把屋子里的空气看作被大气层压着的一块儿“均匀气体”,进一步忽略了高度细节。在解决不同的问题的时候,对物理学模型细节的考虑是不一样的。

26 0

我来个简单粗暴的。

1、桌子上的杯子为何会掉地上?

因为重力的作用。跌落时,杯子的重力势能降低,获得了向下的加速度,势能转为动能。


2、为何不倒翁不倒?


因为它整体浑圆,缺乏支撑面;同时,它底部重,上面轻。所以由于重力作用,它的重心下降,使得整体的重力势能降低。

表现上,就是较重的底部总是在底下,而较轻的顶部总在上面。


3、为何水中铁块会下沉?

类似不倒翁。同体积的水轻,自然被铁“挤”到上面;铁重,就挤开水,落到底部。整个体系的重力势能降低。


4、为何木块会浮于水面?

同体积的木块轻,水重。所以木块就被水“挤”到上方,使得整个体系的重力势能最低。


5、最后,氢气球为何在空气中上浮?

和木块一样。同体积的氢气球比同体积的空气轻,所以它必须上浮,让它上面更重的空气占据更低的位置,这才能使得整个体系重力势能最低。


总之,一切都是地球引力搞的鬼,使得一切放在高处的东西都有掉下来的趋势(这就是重力势能);或者说,使得密度更大的东西总是倾向于落在下方(反过来说也对:密度更小的东西总是倾向于漂在密度更大的东西上面),这才能使得整个体系的重力势能最低。


——————————————————

换一个角度继续简单粗暴。


小朋友们喜欢叠罗汉。那么是趴最底下的人受的压力大呢,还是趴在上面的人受的压力大?

如果在失重状态下叠罗汉时,下面的人还会受到压力吗?


水和空气也可以看成一层层的流体在叠罗汉,自然,处于下方的水/空气就比靠上哪怕一点点的,被压的也会更厉害一点点。

但和叠罗汉不一样,流体是会流动的。


对浸泡在流体中的固体来说,由于它的上下表面有高度差,所以导致上下表面受到的压力不一致,下表面受到的压力会更大一些。


物体在流体中时,它的上下表面所受到的压力的差值,就是所谓的“浮力”。

当浮力大于物体本身所受的重力时,物体就上浮;反之,物体就下沉。


什么时候浮力会大于物体所受重力呢?就是它的质量,比它所排开的、同体积的流体更轻的时候(所以钢铁造的轮船一样可以浮于水上)。


很显然,既然没有重力时,叠罗汉就不产生压力;没有压力,自然就没有压力差。所以说,没有重力,浮力就不存在。


PS:这里有个很重要的概念,压力和压强:为了更好的讨论一些物理问题,清晰的概念可能比一切都重要。

生活经验:你觉得是被一个人整个扑身上比较痛呢,还是被一只穿高跟鞋的脚踩中脚背比较痛?但后者也是一个人的体重啊?

甚至,拈根绣花针扎你一下——你跳什么啊?才出了四两力而已。


“压力”就相当于别人作用在你身上的全部力量;而压强呢,则是单位面积受到的压力。

显然,决定被压的痛不痛的,并不是压力,而是压强。


所以,我们说,在大气层底部,手指甲盖那么大一块地方受到的大气压力是1公斤左右;而大气层底部的压强大约和760毫米的水银柱底部相当。


换句话说,压强和流体深度成正比;而某个物体受到的压力,则等于该深度的压强乘以物体表面积。


PS2:两个“简单粗暴”的思路完全不同,究竟哪个对呢?

都对。它们都是基于万有引力定律的推论,只是推理思路不同而已。

所以,两者最终得到的结果,不允许有丝毫不同——物理学的不错的同学可以试试,两者算出来的浮力必然是不差分毫的——否则万有引力定律就可以找个垃圾桶丢进去了。


这也是科学理论的一个重要性质,叫做“自洽性”;当代科学理论的“自洽性”甚至可以达到这种程度:观测宇宙演变,利用观测数据计算精细结构常数;同时,在实验室用微观粒子做实验,利用实验数据测精细结构常数;结果,对最宏大现象的观测和对最微小世界的观测居然碰头了:两者得出的数据,竟然在小数点后12位的精度级别上完全吻合(些许差异完全可用测量误差解释)。

http://zh.wikipedia.org/zh/%E7%B2%BE%E7%BB%86%E7%BB%93%E6%9E%84%E5%B8%B8%E6%95%B0

相反,拿着矛说自己的矛能刺穿一切;又拿着盾说自己的盾没有任何东西能刺穿;显然这两个说法是格格不入的。这就说明这俩说法不能“自洽”。

一个不能自洽的理论,必然是蕴含错误的,当然就无法被科学所接受。

中学学过的很多数学证明方法,实质上就是通过证明“一旦接受/不接受某个命题,就会使得理论基础不自洽”,从而否定那些错误的。

6 0

说句大白话,氢气球是被比他重的气体挤上去的,就这么简单

5 0

前面的回答已经很详细了。我这里补充一个比较简单粗暴的:即使完全不清楚气球上浮发生的物理机制和细节,也一样能断定这必然与引力有关,因为气球是向上飘的,而能够让我们区分“上下”的是引力,因此一个在“上下”方向定向的过程必然与引力相关。

2 0

没有重力就不会有浮力,太空舱里的氢气球是不会飘起来的。

宏观上看,其实就是重的东西下沉,轻的东西上浮。浮沉之由相对密度决定。比如地壳浮到了地球表面,而金属的地核沉到了中间。

“轻清者上浮而为天,重浊者下凝而为地”不是一句假话了,因为事实就是这样的。

0 0

因为气体也有浮力 这也就是为什么氦气资源越用越少的 基本上都飘逸到外太空了 还不能像氢气一样从水里方便的提取出来

1 1
支持者: Neo..

我有一个疑问

如果用某种特别轻的材料(比如某种气凝胶?)

吧一个气球撑开,并且保持真空或者接近真空,让气球的单位密度比空气小

那这个气球是不是也会飘起来?

0 0

浮力跟密度,体积,质量有关, 越高大气密度越小, 压强越小, 气球体积越大. 同样引力也会变小. 精确的公式应该没有.

0 0

冰火梦幻信息与计算科学学士,算法控,AI爱好者

2014-12-28 06:43

设想一个真空中的天平秤,一边是1立方米的空气,另一边是1立方米的氢气。

0 0

压强是又重力产生的,在大气中的物体面临一种“选择”,单位体积质量高过空气的,掉落,单位体积质量低于空气的,浮升。

0 0

我从小到大一直想问一个跟氢气球有关的问题。

公园买的氢气球,在家放几天,气体会泄露,气球逐渐变小。这个过程中,氢气球原本拿回家时,松开绳子,它会浮在屋顶(顶着屋顶),但随着气球逐渐变小,它慢慢的下楼。不过,这个过程中,它会有一段时间浮在半空中,上不着顶,下不着地。随着体积变小,会一天比一天低,直到彻底落地。这是为什么?

如果说它能浮在半空中,是因为受到的浮力与重力相等,但为什么它体积一定时(漏气程度一定时)是在一个固定高度。而我把它向上挪一下,它又会回到那个高度。

另外,当它体积一定时(悬浮中),我在一楼松开它,它浮在距离地面一定高度(比如1米高)。此时再把它拿到二楼或其他楼层,它似乎在不同楼层松开手后,还是距离地面1米吗?(感觉距离差不多,不过没具体测量过,所以提出此疑问。)

鄙人高中物理很烂,望达人用能简单语言解答。

0 0

由于地球的引力作用,使得大气在地球表面的分布是根据密度分层的,重气体下降,轻气体上升,以至于各密度气体停留在某一平衡高度上。对于氢气球上升来说,上升的动力来自地球引力给予的个方向的压力差,也就是我们所说的阿基米德原理。

但问题并不是中学课本上说的这么简单,我们只考虑了外部因素,其实还有一个上升速度的问题,内外部的气体因素就要都考虑了。一般讨论的时候,我们假设的前提是匀质大气,也就是说在氢气球上升高度不太高的情况下,我们周边的大气压和气体密度是稳定的。那么上升的加速度取决于(F-G)/m,但实际的情况是,越往高处去,空气越稀薄,也就是受到的浮力作用越小,气球在不受气流的影响下,实际上是做一个加速度减小的加速运动。

另外,气球的上升运动也不是无止境的,我们观察到,很多无意中逃到天上的氢气球在上升到某一高度时,是做水平运动的。在这个高度,其实气球所受到的浮力已经等于自身的重力了。在这个时候,氢气球受高空水平气流影响,会出现我们看到的水平移动。

可能有人会问,既然氢气球可能会在高空做水平运动,那么我们放一个上天,给飞机上的乘客或驾驶员打个招呼吧。理论上如果对于低空飞行器来说,是可以的,当然也是危险的,这就是为什么禁止在机场附近释放漂浮物的原因。对于高空飞行的客机来说,其运行的气层是平流层,氢气球要想达到这个高度,除非气球的材质柔韧性和气密性绝对好,否则的话,会因为外部气压的减小,造成内外气压失衡,导致气球爆炸。还有一种可能就是,还没等到氢气球上升到这一高度,就因为气体的扩散作用,使得气球内部的氢气和外界气体通过气球壁进行交换,从而减小了内外气压差,气球最终在某一个地方掉落下来。

所以说,凡是往上飘得氢气球,最终都会归于尘土,而在这个过程中的左右手,就是地球引力。

0 0

浮力=空气密度*g*物体体积


显然g就是引力的作用。

0 0

这个问题太过常识了吧,建议学习初中物理教材。

0 0

一直有个关于氢气球的疑问

买个氢气球玩具,在气球下面挂一配重,刚好悬浮于距地面1米处。

那么问题就来了,把这个带有配重的气球拿到20层楼顶,气球会与楼顶保持1米距离么?

0 0

星云半仙心理学菜鸟,数学控

2014-12-30 22:03

其实我觉得这不是一个物理学问题,而是一个教育心理学问题

原因嘛只要学过初中物理肯定都知道呀

根据皮亚杰的理论,在对“地球引力”这个概念进行学习理解的时候,人们会首先用自己的经验对其理解,比如苹果会掉下来之类的,对自己的认知图示同化、顺应。但是氢气球上升是一个反例,就意味着有其他的变量在调节~~~从而在错误中修正自己的认知图示~~~

教育心理学没学好掩面掩面=3=

查看更多

添加回答

登录 后回答问题,你也可以用以下帐号直接登录

相关问答

关于我们 加入果壳 媒体报道 帮助中心 果壳活动 家长监控 免责声明 联系我们 移动版 移动应用

©果壳网    京ICP证100430号    京网文[2018] 6282-492号    新出发京零字东150005号     京公网安备11010502007133号

违法和不良信息举报邮箱:jubao@guokr.com    举报电话:18612934101    网上有害信息举报专区    儿童色情信息举报专区