Hyppää suoraan sisältöön

Mikä saa kaasupallon nousemaan?

Kaasupallon kohoaminen johtuu nosteesta, samasta ilmiöstä, joka saa kaarnalaivat, kylpyankat ja ilmalla täytetyt pallot kellumaan vedessä.

Esineet syrjäyttävät tilavuutensa verran nestettä

Oletko joskus koettanut upottaa palloa? Jos olet, yritit varmaan kaikin voimin ja saitkin pallon pinnan alle, mutta sitten se pulpahti pintaan kuin raketti. Miksi?

Kuvitellaan pallon tilalle tyhjä muovinen litran limsapullo. Voisit kiinnittää siihen narun kuin kaasupalloon, sukeltaa uima-altaan pohjaan ja istua siellä pitämässä narusta kiinni. Jos päästäisit irti narusta, pullo tietysti syöksähtäisi kohti pintaa.

Tarkastellaan tilannetta lähemmin. Mitä tapahtuu, kun laskeudut kylpyyn? Vedenpinta nousee, joskus tuhoisin seurauksin. Itseasiassa nousee juuri sen verran kuin sinä viet tilaa ammeessa. Voit itse vakuttua asiasta upottamalla läpinäkyvään mittakannuun vaikka jogurttipurkin tai muun ensineen, jonka tilavuuden tunnet.

Vesi ei painu kasaan painonkaan alla, niin kuin vaikka kämmenten väliin litistetty pesusieni,vaan veteen upotetut esineet saavaat sen pinnan nousemaan. Sanotaan, että ne syrjäyttävät vettä. Myös litran limsapullo syrjäyttää vettä juuri tilavuutensa verran, siis yhden litran.

Vedessä ilmakuplat kohoavat kohti pintaa. Niistä sukeltaja tiukan paikan tullen tietää, missä suunnassa pinta on.

Noste kohottaa

Nesteessä oleviin esineisiin kohdistuu ylöspäin vaikuttava voima, noste. Se johtuu nesteen paineesta.

Olet varmaan joskus sukeltanut niin syvälle, että veden paine on alkanut tuntua korvissa. Tuntemasi paineen aiheuttaa yläpuolella olevan veden paino. Mitä syvemmälle sukellat sitä enemmän vettä on yläpuolellasi ja sitä suurempi on veden paine.

Koska paine kasvaa kohti pohjaa, on veden paine alapuolellasi suurempi kuin yläpuolellasi. Tästä paine-erosta aiheutuu ylöspäin suuntautuva voima, joka kannattelee sinua vedessä. Huomaat tämän voiman, jos yrität nostaa kaveriasi uima-altaassa. Sama kaveri, jota et kuivalla maalla saisi hievahtamaankaan, nousee vedessä suhteellisen kevyesti. Häneen vaikuttaa alaspäin suuntautuvan painovoiman lisäksi ylöspäin suuntautuva kannattelva voima. Veden kannattelevaa voimaa sanotaan nosteeksi. Noste yhtä suuri kuin kappaleen syrjäyttämän nestemäärän paino.

Kun alaspäin vajottava painovoima ja kappaletta kohottava noste ovat yhtä suuret, kappale leijuu. Jos noste on suurempi kuin kappaleen paino, kappale kohoaa ylös, eli se kelluu. Jos taas noste on pienempi kuin kappaleen paino, kappale painuu pohjaan.

Ilmalla täytetyt renkaat kelluttavat uimaria. Ne lisäävät uimarin tilavuutta, mutta eivät juurikaan tämän massaa. Onkohan tässä vähän liioiteltu?

Kohoava pallo on kevyempi kuin pallollinen ilmaa

Esimerkkipulloomme mahtuu litra vettä, jonka massa on yksi kilo, 1000 grammaa. Tyhjässä pullossa taas on litra ilmaa, jolla on massaa vain reilun gramman verran. Itse pullo painaa muutaman gramman. Koska tyhjä pullo on kevyempi kuin sen tilavuudelta vettä, pulloon kohdistuva painovoima on pienempi kuin sen syrjäyttämän vesilitran paino. Kohottava noste voittaa, ja pullo nousee pintaan.

Ilmassa yläpuolisten ilmakerrosten paino synnyttää ilmanpaineen, joka siis on suurimmillaan maan pinnalla. Kaasupalloon vaikuttaa sekä alaspäin kohdistuva painovoima että sen ylä- ja alapuolisten ilmakerrosten paine-eron synnyttämä noste. Ilmassa noste on yhtä suuri kuin pallon syrjäyttämän ilmamäärän paino. Niin kauan kun pallo ja sen sisältämä helium yhdessä painavat vähemmän kuin pallollinen ilmaa, pallo kohoaa ylös.

Vety heliumiakin kevyempää mutta hengenvaarallista

Ennen kaasupalloissa ja ilmalaivoissa käytettiin vetyä. Litra vetyä painaa vain 0.09 grammaa, puolet siitä mitä sama määrä heliumia. Vaikka vedyn nostovoima on parempi kuin heliumin, sen käytöstä luovuttiin sattuneiden onnettomuuksien vuoksi.

Vety on hyvin tulenarkaa. Pieninkin kipinä voi saada aikaan räjähdyksen.

Helium on ilmaa kevyempää

Helium on kevyempää kuin ilma, vaikkakaan ero ei ole niin suuri kuin veden ja ilman välinen painoero. Litra heliumia painaa 0,18 grammaa ja sama määrä ilmaa reilun gramman. (Ilma on kaasuseos, josta noin neljä viidesosaa on typpeä. Koska ilma koostuu suurimmaksi osaksi typestä, ilmalitran massan likiarvona voi käyttää typpilitran massaa, 1,25 grammaa.) Siitä voi päätellä, että litralla heliumia on ilmassa nostokykyä osapuilleen yhden gramman verran (1,25g -0,18 g = 1,07g).

Kukaan ei varmaan kuvittele, että heliumilla täytetty litran limsapullo nousisi ilmaan. Eipä tietenkään, sillä pullo itse painaa enemmän kuin gramman. Mutta kun tilavuutta kasvatetaan, nostovoima kasvaa. Esimerkiksi viisi litraa heliumia nostaa jo viiden gramman painoisen esineen.

Miksi vety ja helium ovat kevyempiä kuin ilma?

Vedyn ja heliumin atomit ovat kevyempiä kuin ilman koostumusta hallitsevan typen atomit, sillä niissä on vähemmän protoneja, neutroneja ja elektroneja kuin typen atomeissa. Vedyn suhteellinen atomimassa on 1, heliumin 4 ja typen 14.

Koska sama määrä näiden aineiden atomeja täyttää suurin piirtein yhtä suuren tilan, kevyemmistä atomeista koostuvat kaasut ovat kevyempiä.

Lisää ilmapalloista:

sivun alkuun Laboratorion juttujen luetteloon Hoksaa-lehden Hoksaa-lehden etusivulle

  • Toiminimi Hoksaan sivuille