Leichter als Luft?

Wissenschaft Physik
#1

Hallo,

bin grad mit meinen Kommilitonen über ein kleines Gedankenexperiment am diskutieren:
Gehen wir von aus, wir haben drei Luftballons alle mit dem gleichen Volumen:
Der erste Ballon ist mit Luft gefüllt,
Der zweite mit Helium,
Der dritte enthält ein Vakuum (er behalte dennoch die Form eines aufgeblasenen Luftballons)

gehen wir weiter von aus wir sind auf der Erde bei ganz normalen Druckverhältnissen.
Der Ballon mit Luft sinkt zu Boden, der mit Helium steigt auf weil er leichter ist als Luft, was aber ist mit dem Ballon in dem Vakuum herrscht, steigt er auf oder sinkt er zu Boden?

Ich behaupte das er ebenfalls aufsteigt und zwar noch schneller als der mit Helium gefüllte Ballon. Meine Kommilitonen behaupten steif und fest er würde ebenfalls zu Boden sinken.

Könnt ihr die Frage beantworten und begründen?
Vielen Dank dafür.
Kroeger

#2

Hallo,

Du hast recht. Es gilt das Archimedes-Prinzip: Auf jeden Ballon wirken zwei Kräfte - die Gewichtskraft nach unten und die Auftriebskraft nach oben. Die Auftriebskraft ist bei allen drei Ballons gleich - sie ist gleich dem Gewicht der verdrängten Luft. Und wenn dieses grösser ist als das Gewicht des Ballons (mit Inhalt), dann steigt er eben nach oben.
Der „Vakuum-Ballon“ ist der leichteste, also steigt er am schnellsten auf. Allerdings eben nur theoretisch. Praktisch müsste man mit Verstrebungen und Versteifungen dafür sorgen, dass er seine Form behält. Und die würde ihn dann wahrscheinlich so schwer machen, dass er ganz schnell nach unten fällt.

OlafG

#3

Moien

Gehen wir von aus, wir haben drei Luftballons alle mit dem
gleichen Volumen:
Der erste Ballon ist mit Luft gefüllt,
Der zweite mit Helium,
Der dritte enthält ein Vakuum (er behalte dennoch die Form
eines aufgeblasenen Luftballons)

Sind alle 3 Hüllen gleich schwer ?

Der Ballon mit Luft sinkt zu Boden, der mit Helium steigt auf
weil er leichter ist als Luft, was aber ist mit dem Ballon in
dem Vakuum herrscht, steigt er auf oder sinkt er zu Boden?

Der steigt auf. Sogar schneller als der mit Helium. Allerdings nur wenn das Gewicht der Hüllen gleich ist.

cu

#4

Hallo Kroeger,

Der erste Ballon ist mit Luft gefüllt,
Der zweite mit Helium,
Der dritte enthält ein Vakuum (er behalte dennoch die Form
eines aufgeblasenen Luftballons)

Der Ballon mit Luft sinkt zu Boden, der mit Helium steigt auf
weil er leichter ist als Luft,

stimmt.

was aber ist mit dem Ballon in
dem Vakuum herrscht, steigt er auf oder sinkt er zu Boden?
Ich behaupte das er ebenfalls aufsteigt und zwar noch
schneller als der mit Helium gefüllte Ballon.

Da hast Du recht …

Meine
Kommilitonen behaupten steif und fest er würde ebenfalls zu
Boden sinken.

… und Deine Kommilitonen unrecht.

Könnt ihr die Frage beantworten und begründen?

nehmen wir mal der Einfachheit halber an, der Ballon hat ein Volumen von 22,4l (also ein ziemlich grosser Ballon). Dann enthaelt er naemlich ziemlich genau ein Mol Gas (ergibt sich aus der idealen Gasgleichung; sowohl trockene Luft als auch Helium verhalten sich unter Normalbedingungen sehr gut wie ein ideales Gas).

Aus den Molgewichten von Stickstoff (N2) und Sauerstoff (O2) ergibt sich, dass der Balloninhalt bei Ballon eins knapp 30g wiegt, aus dem Atomgewicht von Helium ergibt sich, dass der Inhalt von Ballon zwei 4g wiegt. Im Ballon drei ist nichts drin, also wiegt der Inhalt auch nichts. Dazu kommt das bei allen drei Ballonen gleiche Gewicht der Ballonhuelle.

Insgesamt ist Ballon drei also 4g leichter als Ballon zwei und er steigt deswegen auch schneller auf. Der Unterschied zwischen zwei und drei ist allerdings recht klein gegenueber dem Unterschied zwischen eins und zwei. Die Evakuierung bringt also recht wenig gegenueber der Fuellung mit Helium. Und ausserdem kann man natuerlich in einem Gummiballon keinen wesentlichen Unterdruck erzeugen, geschweige denn ihn evakuieren. Helium einzufuellen ist da schon praktikabler … :smile:

Beste Gruesse,
Markus

P.S.: … sorry, hab hier keine Umlaute und so …

#5

Hallo Olaf!

Ich bin einer der Kommilitonen von kroeger, mit denen er sich „streitet“.

Ich stimme zu, das der Vakuumballon theoretisch am leichtesten ist, er enthält ja „Nichts“, keine Atome, also keine Masse, also kein Gewicht (keine Gewichtskraft die „nach unten“ wirkt), also ist tatsächlich nur das Gewicht der Hülle entscheident. Und da die („nach oben“) wirkende Auftriebskraft bei allen drei Ballons gleich ist, hat der Baloon mit Vakuum am wenigsten Gewichtskraft entgegenzusetzten. Also auch den größte Auftrieb. Jetzt hab ichs, danke -g-

Mein Fehler war, das ich die Formel für die Auftriebskraft nicht mehr richtig im Kopf hatte. Ich dachte die hängt auch von der Masse des Körpers ab, aber natürlich ist nur das Volumen entscheident.

Tja, nen Kasten Bier verloren, aber VIEL Spass gehabt.

Bis dann
Clemens

#6

Hallo Pumpkin,

ja alle drei Hüllen sind gleich schwer.

Grüße
Kroeger

#7

Hallo

… drei Luftballons alle mit dem
gleichen Volumen:
Der erste Ballon ist mit Luft gefüllt,
Der zweite mit Helium,
Der dritte enthält ein Vakuum (er behalte dennoch die Form
eines aufgeblasenen Luftballons)
gehen wir weiter von aus wir sind auf der Erde bei ganz
normalen Druckverhältnissen.

OK, Druck = konstant.

Die Aufgabe ist nicht ganz lösbar, da nicht
angegeben ist:

  • die Temperatur
  • das Volumen

Denn: ein Ballon mit Helium wird zu Boden sinken,
wenn die Heliummenge größer als die Masse des
Volumens der vom Heliumballon verdrängten Luft ist.

Der Ballon mit Luft sinkt zu Boden, der mit Helium steigt auf
weil er leichter ist als Luft,

Der „Luft“-Ballon wird aufsteigen, wenn die Masse der ent-
haltenen Luft niedriger ist als die Masse der vom Ballon
verdrängten Luft. z.B. durch „Temperaturerhöhung“ lässt
sich dieser Zustand herstellen.

… was aber ist mit dem Ballon in
dem Vakuum herrscht, steigt er auf oder sinkt er zu Boden?
Ich behaupte das er ebenfalls aufsteigt und zwar noch
schneller als der mit Helium gefüllte Ballon.

„Vakuum“ lässt sich als ein Gas „verstehen“, dessen
Temperatur bei konstantem Druck "gegen unendlich geht
(Das Volumen wird „unendlich“, die Teilchendichte gegen 0).

Daher ist klar, wie sich ein Ballon verhält, der
"nichts"enthält. Ausserdem spielt beim Auftrieb nur
die Relation der Masse des Objekts zur Masse des
verdrängten Mediums eine Rolle. Sonst nichts.

Meine Kommilitonen behaupten steif und fest er
würde ebenfalls zu Boden sinken.

Die wollten testen, ob Du die Lösung kennst.

Grüße

CMБ

#8

Hallo Markus,

ich danke dir!!

Ich glaube bei meinen Komilitonen reift so langsam die Erkenntnis :smile:

Grüße
Kroeger

Ps.: Hab grad n Kasten Bier gewonnen den wir drei dann mit Luft befüllen werden.

#9

Hallo,

bei der Berechnung des Auftriebs gilt nur das Gesamtgewicht und das Gesamtvolumen. Und wenn man von konstantem Volumen ausgeht, ist das Gesamtgewicht entscheidend. Dieses ist bei Vakuum am geringsten, also hat dieser Ballon auch den größten Auftrieb.

Gruß

Dieter

#10

Hallo Dieter,

ja, fast genauso hab ich es auch formuliert. Nun haben wir zumindest einen meiner Kameraden überzeugt, der andere brauch noch n Weilchen.

Grüße
Kroeger

#11

Versuch im Physikunterricht…
Hoi Du!
lange ist es her… aber Dein Beitrag hat mich daran erinnert.
Wir hatten im Physikunterricht damals vor der Frage gestanden, welcher Glasballon leichter ist:
der mit Helium gefüllte
oder der, in dem vorher ein Vacuum erzeugt wurde.

Fazit: Helium ist zwar leichter als Luft - aber schwerer als nix!

also steigt der leichtere Ballon auch schneller…
auch, wenn ein „aufgeblasener“ Luftballon mit Vacuum wirklich schwer vorstellbar ist!

Lieben Gruss
Ulli

#12

Hallo Ulli !

auch, wenn ein „aufgeblasener“ Luftballon mit Vacuum wirklich
schwer vorstellbar ist!

Aber wieso denn ?
Man nimmt einfach den leeren Ballon, schliesst ihn an eine Vakuumpumpe an und pumpt dann das Vakuum in den Ballon bis er die gewünschte Grösse erreicht hat !

:wink:
Christof

#13

Hallo Ulli !

Man nimmt einfach den leeren Ballon, schliesst ihn an eine
Vakuumpumpe an und pumpt dann das Vakuum in den Ballon bis er
die gewünschte Grösse erreicht hat !

Hoi Christof :smile:

schon klar!!!
Aber jetzt lass das DIng mal gegen Luft- bzw. Heliumgefüllte Kollegen antreten :smile:
LG Ulli

#14

Hallo Kroeger,

es gibt da noch ein Gedankenexperiment: Was passiert, wenn man einen Helium-gefüllten oder auch Heißluftballon im Auto an der Decke ‚kleben‘ hat und man bremst abrupt ab? Dumme Frage – der Ballon geht nach hinten.

Gruß

Dieter

#15

Hallo Dieter,

es gibt da noch ein Gedankenexperiment: Was passiert, wenn man
einen Helium-gefüllten oder auch Heißluftballon im Auto an der
Decke ‚kleben‘ hat und man bremst abrupt ab? Dumme Frage –
der Ballon geht nach hinten.

Und warum? Wenn der „klebt“ bewegt der sich (relativ zum Auto) garnicht. Ist der lose, sollte er sich durch seine Massenträgheit in Fahrtrichtung bewegen. Ich dachte, dafür schnalle ich mich an, oder?

Oder meintest du, das Auto im freien Fall?

mfg

Dirk.Pegasus

#16

Hi,

Ist der lose, sollte er sich durch seine
Massenträgheit in Fahrtrichtung bewegen.

Die Luft ist schwerer und sorgt mit ihrer Trägheit dafür, daß solch ein Ballon nach hinten gedrückt wird.

mfg Ulrich

#17

Hi Dirk,
die (negative) Beschleunigung beim Bremsen erzeugt eine Kraft die nach vorne gerichtet ist (Trägheitskraft).
Nun hast Du denselben Fall wie auf der Erde, nur das nicht eine Kraft nach unten zieht (Gewichtskraft) sondern nach vorne (Trägheitskraft) also dasselbe System wie Erde, Luft, Auto, Ballon nur um 90° gedreht --> Der Ballon steigt nach „oben“ was in dem Fall „hinten“ ist.

gruß
Jartul

PS: funktioniert super mit einem Tischtennisball in einem Eimer Wasser: Einfach den Ball mit einer Schnur am Boden festmachen und den Eimer ruckartig bewegen: Der Tischtennisball geht immer ENTGEGEN der Beschleunigung!

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

#18

Hallo Jartul,

danke für den Beitrag. Das schreit nach einem kleinen Experiment in der Badewanne!

(Werd gleich mal schauen …)

mfg

Dirk.Pegasus

#19

Hallo,

PS: funktioniert super mit einem Tischtennisball in einem
Eimer Wasser: Einfach den Ball mit einer Schnur am Boden
festmachen und den Eimer ruckartig bewegen: Der
Tischtennisball geht immer ENTGEGEN der Beschleunigung!

Gutes Experiment, aber eigentlich müsstest Du sagen, der Ball geht immer in gleicher Richtung wie die Beschleunigung.

Gruß

Dieter