Flutuação do hélio

Os balões de hélio funcionam de acordo com a mesma lei de flutuabilidade. Neste caso, o balão de hélio que você segura com um barbante está flutuando em uma "piscina" de ar (quando você fica no fundo de uma piscina, você está em uma "piscina de água" talvez à profundidade de 3 metros - quando você fica em um campo aberto, está no fundo de uma "piscina de ar" que tem a profundidade de muitos quilômetros). O balão de hélio desloca uma quantidade de ar (do mesmo jeito que uma garrafa vazia desloca uma quantidade de água). Enquanto o hélio e o balão forem mais leves que o ar que deslocam, o balão com hélio flutuará no ar.

Acontece que o hélio é muito mais leve que o ar. A diferença não é tão grande quanto entre água e ar (1 litro de água pesa cerca de 1.000 gramas, enquanto 1 litro de ar pesa cerca de 1 grama), mas é significativa. O hélio pesa 0,1785 gramas por litro. O nitrogênio pesa 1,2506 gramas por litro e como cerca de 80% do ar que respiramos é feito de nitrogênio, 1,25 gramas é uma boa aproximação para o peso de um litro de ar.

Portanto, se você enchesse uma garrafa de refrigerante de 1 litro com hélio, a garrafa pesaria cerca de 1 grama a menos do que a mesma garrafa cheia de ar. Isto não parece muito - a própria garrafa pesa mais que 1 grama, então ela não flutuará. No entanto, em grandes volumes, a diferença de 1 grama por litro entre o ar e o hélio pode realmente se acumular. Isto explica por que dirigíveis e balões são geralmente bem grandes - eles têm que deslocar muito ar para flutuar. O diagrama a seguir mostra as diferentes capacidades de elevação dos diferentes volumes de hélio:

Um balão com diâmetro de 30,48 metros pode elevar aproximadamente 15 toneladas! Você pode descobrir a capacidade de elevação do hélio em um balão esférico da seguinte maneira:

1. Determine o volume do balão.
   O volume de uma esfera é 4/3 * pi * r³, onde r é o raio do balão. Então, primeiro determine o raio da esfera (o raio é metade do diâmetro). Eleve o raio ao cubo (multiplique o raio por ele próprio três vezes: r*r*r), multiplique por 4/3 e depois multiplique por Pi. Se você estiver medindo o seu balão em metros, isso lhe dará o volume do balão em m³.
2. Um metro cúbico de hélio elevará cerca de 1000 gramas, então multiplique o volume do balão por 1000. 

Por exemplo: um balão de 6 metros possui um raio de 3 metros. 3* 3 * 3 * 3,14 * 4/3 = 113 m³ de volume. 113 m³ * 1000 gramas/m³ = 113.000 gramas ou 113 quilogramas.

Apesar de não serem muito usados atualmente, balões de hidrogênio já foram bastante populares. O hidrogênio pesa apenas 0,08988 gramas por litro. Entretanto, ele é altamente inflamável, então uma pequena faísca pode causar uma explosão enorme.

Então por que o hélio e o hidrogênio são tão mais leves que o ar? Isso acontece porque os átomos de hidrogênio e hélio são mais leves que um átomo de nitrogênio. Eles possuem menos elétrons, prótons e nêutrons que os átomos de nitrogênio e isso os torna mais leves (o peso atômico aproximado do hidrogênio é 1, do hélio é 4 e do nitrogênio é 14). Aproximadamente o mesmo número de átomos de cada um desses elementos ocupa quase o mesmo espaço. Portanto, os gases feitos de átomos mais leves são, naturalmente, mais leves.