Khinh khí cầu hoạt động dựa trên nguyên tắc nào?

Giải thích từng bước vì sao khinh khí cầu bay lên

1. Đốt nóng khí: bộ đốt (đèn khò gas) làm nóng không khí trong khoang cầu.
2. Khí nở ra, khối lượng riêng giảm: thể tích khoang cầu gần như không đổi (vỏ hở ở phía dưới) nên một phần khí nóng thoát ra ngoài. Khối lượng khí còn lại trong cầu giảm, do đó khối lượng riêng của khí trong cầu nhỏ hơn không khí lạnh bên ngoài.
3. Xuất hiện lực đẩy: không khí xung quanh tác dụng lên khinh khí cầu một lực đẩy hướng lên: F_A = d_kk · V (với d là trọng lượng riêng của không khí, V là thể tích khoang cầu), hay F_A = ρ_kk · g · V.
4. So sánh lực: nếu F_A > P (trọng lượng cả hệ) thì khinh khí cầu bay lên; F_A = P thì lơ lửng; F_A < P thì hạ xuống.

Nói gọn: khinh khí cầu “nổi” trong không khí giống như quả bóng nổi trong nước, chỉ khác là chất lưu ở đây là không khí.

Ví dụ tính toán (số liệu tự đặt, gần đúng)

Một khinh khí cầu có thể tích khoang cầu V = 2800 m³. Lấy khối lượng riêng không khí ngoài trời là 1,20 kg/m³, khí nóng trong cầu là 0,95 kg/m³.

• Khối lượng không khí bị chiếm chỗ: 1,20 × 2800 = 3360 kg.
• Khối lượng khí nóng trong cầu: 0,95 × 2800 = 2660 kg.
• Phần “nâng” tối đa dành cho vỏ, giỏ, bình gas và người: 3360 − 2660 = 700 kg (tương ứng khoảng 7000 N nếu lấy g = 10 m/s²).

Nếu tổng khối lượng vỏ + giỏ + người + gas vượt 700 kg thì khinh khí cầu không rời mặt đất. Muốn bay cao hơn, phi công đốt thêm để giảm khối lượng riêng khí trong cầu.

Điều khiển lên – xuống như thế nào?

Càng lên cao, không khí càng loãng nên lực đẩy giảm dần; vì vậy khinh khí cầu chỉ lên tới độ cao mà tại đó lực đẩy cân bằng với trọng lượng.

Lỗi sai thường gặp

• “Khí nóng nhẹ nên tự bay”: chưa đủ. Phải nói rõ là khí nóng có khối lượng riêng nhỏ hơn không khí xung quanh, và có lực đẩy Archimedes của không khí tác dụng lên.
• Nhầm với khí cầu bơm heli/hiđro: khí cầu đó cũng dựa trên lực đẩy Archimedes, nhưng khí nhẹ nhờ bản chất (khối lượng mol nhỏ), không cần đốt nóng. Khinh khí cầu dân dụng thường dùng không khí nóng.
• Cho rằng khí nóng bị “đẩy” bởi lửa: lửa chỉ làm nóng khí, không trực tiếp nâng quả cầu.

Mẹo nhớ: “Nóng – nở – nhẹ – nổi”.

Bài tập tự luyện

1. Khinh khí cầu có V = 1000 m³, khối lượng riêng không khí ngoài 1,2 kg/m³, khí nóng trong cầu 0,9 kg/m³. Khối lượng tối đa của vỏ, giỏ và người để cầu bắt đầu rời đất là bao nhiêu?
   Đáp án: (1,2 − 0,9) × 1000 = 300 kg.
2. Vì sao khi ngừng đốt một lúc, khinh khí cầu hạ dần?
   Đáp án: khí trong cầu nguội, khối lượng riêng tăng, khối lượng khí trong cầu tăng nên trọng lượng hệ lớn hơn lực đẩy Archimedes.
3. Vì sao vào ngày lạnh, khinh khí cầu chở được nhiều hơn ngày nóng (cùng nhiệt độ khí trong cầu)?
   Đáp án: ngày lạnh không khí ngoài đặc hơn (khối lượng riêng lớn hơn) nên hiệu khối lượng riêng giữa ngoài và trong lớn hơn, lực nâng tăng.