Chắc hẳn bạn đã từng thắc mắc tại sao quả bóng bay mình tự thổi bằng hơi thở lại rơi xuống đất, trong khi quả bóng mua ở cửa hàng lại bay vút lên trời? Câu trả lời không hề phức tạp mà nằm ở một "cuộc chiến" vô hình giữa hai lực trong vật lý: trọng lực kéo xuống và lực nổi đẩy lên.
Lực đẩy Archimedes trong không khí hoạt động thế nào?
Chúng ta thường nghe nói về lực đẩy Archimedes trong nước, giúp con thuyền khổng lồ nổi lên. Một sự thật thú vị là lực đẩy này cũng tồn tại ngay trong không khí xung quanh chúng ta, vì không khí cũng là một dạng chất lưu.
Nguyên lý này phát biểu rằng bất kỳ vật thể nào được đặt trong không khí cũng sẽ bị không khí đẩy lên trên bằng một lực bằng với trọng lượng của phần không khí mà nó chiếm chỗ.
- Hãy tưởng tượng quả bóng bay như một "con thuyền" trong "đại dương không khí".
- Khi quả bóng được thổi phồng, nó chiếm một không gian nhất định, đẩy một lượng không khí tương đương ra xung quanh.
- Lượng không khí bị đẩy ra đó sẽ "phản kháng" bằng cách tạo ra một lực đẩy hướng lên trên quả bóng. Lực này chính là lực nổi, hay lực đẩy Archimedes.
>>> Chi tiết tại: Tìm hiểu về tĩnh điện: Vì sao tóc lại dính vào quả bóng bay đã chà xát?
Khi nào trọng lượng bóng bay lớn hơn lực đẩy?
Một quả bóng bay chỉ có thể cất cánh khi lực nổi (đẩy lên) mạnh hơn tổng trọng lượng của nó (kéo xuống). Nếu tổng trọng lượng lớn hơn, quả bóng sẽ không thể bay. Đây chính là lý do cốt lõi vì sao bóng bay không bay khi nặng.
Vậy, tổng trọng lượng của quả bóng bay bao gồm những gì?
- Trọng lượng vỏ bóng: Phần vỏ làm bằng cao su hoặc nilon.
- Trọng lượng phụ kiện: Sợi dây buộc.
- Trọng lượng của khí bên trong: Đây là yếu tố quyết định nhất!
Khi bạn thổi bóng bằng miệng, bạn đang bơm vào đó khí Carbon Dioxide (CO₂) và Nitơ. Các khí này có mật độ nặng tương đương hoặc nặng hơn không khí. Do đó, tổng trọng lượng (vỏ + dây + khí nặng) dễ dàng thắng thế lực nổi, và quả bóng sẽ rơi xuống.
>>> Xem chi tiết: Thí nghiệm hóa học vui: Vì sao bóng bay có thể tự phồng lên diệu kỳ?
Khí Heli và Hydro giúp bóng bay cất cánh ra sao?
Để giúp quả bóng chiến thắng trọng lực, chúng ta phải làm cho tổng trọng lượng của nó nhẹ hơn lực nổi. Giải pháp đơn giản nhất là thay thế loại khí nặng bên trong bằng một loại khí siêu nhẹ, có mật độ cực thấp so với không khí.
Đây là lúc khí helium (He) và Hydro (H₂) phát huy tác dụng.
Loại khí | Mật độ so với không khí | Đặc điểm |
Không khí | 1 (tiêu chuẩn) | Hỗn hợp khí chúng ta hít thở. |
Hơi thở (CO₂) | Nặng hơn ~1.5 lần | Khiến bóng bay rơi xuống. |
Hydro (H₂) | Nhẹ hơn ~14 lần | Siêu nhẹ nhưng rất dễ cháy nổ. |
Helium (He) | Nhẹ hơn ~7 lần | Siêu nhẹ và rất an toàn (khí trơ). |
Khi bơm khí helium vào bóng, trọng lượng của phần khí bên trong trở nên không đáng kể. Lúc này, tổng trọng lượng của quả bóng (vỏ + dây + khí siêu nhẹ) trở nên nhẹ hơn lực nổi của không khí.
Kết quả là, quả bóng có một lực đẩy ròng hướng lên trên và bay vút lên cao! Vì lý do an toàn, helium là lựa chọn hàng đầu cho các loại bóng bay giải trí.
Việc một quả bóng có bay được hay không là kết quả của một phép so sánh đơn giản giữa lực đẩy và trọng lượng. Bằng cách sử dụng các loại khí nhẹ hơn không khí, chúng ta đã giúp quả bóng chiến thắng trong "cuộc chiến" vật lý này. Lần tới khi thấy một quả bóng bay, bạn đã biết chính xác bí mật cất cánh của nó rồi đấy!
>>> Tìm hiểu ngay: Vì sao một quả bóng bay bơm hơi thì nổi nhưng bơm nước vào lại chìm?
