Tại sao quả bóng bay thổi bằng hơi thở của ta không bay được
|
Đã bao giờ bạn tự hỏi là vì sao quả bóng lại có thể bay lơ lửng trong không trung không? Nếu chưa biết thì cùng tham khảo bài viết dưới đây nhé.  Người ta bơm khí hydro vào bóng bay, mà hydro lại nhẹ hơn không khí nên quả bóng bay lên được. Khi ta bơm một quả bóng với một loại khí có tên là hydro, nó sẽ bay được trong không khí. Đơn giản là vì hydro nhẹ hơn không khí. Do vậy, quả bóng có thể bay lên được, giống hệt như một bong bóng khí trong nước vậy. Hydro nằm trong quả bóng có một trọng lượng nhất định. Song nó lại có trọng lượng riêng ít hơn của không khí. Điều đó nghĩa là quả bóng chứa hydro sẽ nhẹ hơn khi nó chứa không khí, vì thế mà nó bay lên được. Khí hydro hình thành từ các phân tử nhỏ và nhẹ hơn tất cả các phân tử khác có trong không khí. Do vậy, hydro thật là lý tưởng cho việc bơm căng các quả bóng bay, song cũng thật nguy hiểm: đó là một loại khí dễ nổ. Vì thế người ta thích sử dụng khí heli hơn, một loại khí nặng hơn một chút mà lại không nguy hiểm. Người ta cũng có thể bơm các quả bóng bay bằng khí nóng, vì khí nóng nhẹ hơn khí lạnh: do vậy mà khí cầu được sinh ra.
Cập nhật: 30/09/2017
Tại sao khi lần đầu tiên bạn lấp đầy một quả bóng bay, rất khó để không khí đi qua, nhưng sau khi thổi phồng một chút, việc thổi phồng quả bóng bay trở nên dễ dàng hơn nhiều?
Tôi nghĩ rằng hầu hết các câu trả lời ở đây là không chính xác vì nó không liên quan gì đến việc giảm điện trở của cao su. Trên thực tế, lực cần thiết để làm căng quả bóng bay tăng lên chứ không giảm trong khi bơm căng. Nó tương tự như kéo căng một chuỗi, tức là. phản lực tỷ lệ thuận với sự gia tăng chiều dài của sợi dây - đây là lý do tại sao có lúc bạn không thể kéo áo giãn ngực được nữa. Lý do thực sự khiến quả bóng bay ban đầu rất khó làm phồng tức là ngay từ đầu. với cú đánh đầu tiên, bạn tăng tổng bề mặt của quả bóng lên đáng kể, do đó lực (áp suất trên bề mặt) cũng tăng lên đáng kể. Với mỗi cú đánh tiếp theo, sự gia tăng của tổng bề mặt nhỏ hơn và sự gia tăng của lực cũng vậy. Đây là kết quả của hai sự kiện:
Đối với hình cầu bạn có : $$ A = {4} \ pi R ^ 2 \\ V = {4 \ over3} \ pi R ^ 3 $$ Phương trình cho biết khối lượng công việc cần thiết để tăng khối lượng quả bóng bay nhỏ hơn một đơn vị nếu quả bóng đã được bơm căng.
Khi nghi ngờ, hãy sử dụng toán học. Hãy tưởng tượng quả bóng bay như một hình cầu (đủ gần với câu trả lời này) với bán kính ban đầu $ r_0 $ và độ dày $ t $. Hãy thổi phồng nó lên một chút từ trạng thái chưa thổi phồng (thành bán kính $ r_0 + \ Delta r $). Bây giờ chúng ta có thể xem điều gì sẽ xảy ra bằng cách lấy một đường cắt qua đường xích đạo của hình cầu. Tổng chu vi tại đường xích đạo là $ 2 \ pi r $; với độ dày $ t $ diện tích cao su chúng tôi đang làm việc là $ 2 \ pi r t $. Kéo dài bán kính của quả bóng bay thêm $ \ Delta r $ sẽ làm tăng chu vi lên một phần nhỏ của $ \ frac {\ Delta r} {r} $ - đó là độ căng. Bây giờ, nếu chúng ta chấp nhận rằng cao su là một vật liệu đàn hồi hoàn hảo (mô đun của Young không đổi), thì lực chúng ta cần tác dụng là $$ \ begin {align} F & = E \ cdot2 \ pi \ cdot r \ cdot t \ cdot \ frac {\ Delta r} {r} \\ & = 2 \ pi \ cdot E \ cdot t \ cdot \ Delta r \\\ end {align} $$ nên lực là độc lập bán kính - mặc dù nó phụ thuộc vào mức độ kéo dài ($ \ Delta r $). Bây giờ, lực tác dụng lên cao su được tạo ra bởi áp suất trong khí cầu chia cho khu vực ở đường xích đạo: $$ \ begin {align} F & = PA \\ & = \ pi r ^ 2P \\\ end {align} $$ Kết hợp cả hai thứ này, bạn nhận được $$ P = \ frac {2 \ cdot E \ cdot t \ cdot \ Delta r} {r ^ 2} $$ Vì có số hạng $ r ^ 2 $ ở mẫu số, điều này cho thấy rằng áp suất sẽ nhỏ hơn khi quả bóng lớn hơn - nói cách khác, Kinh nghiệm chung là thổi một quả bóng bay ban đầu khó hơn. Nhưng hãy đợi đã - còn nhiều hơn thế. Độ dày của quả bóng trở nên nhỏ hơn khi quả bóng căng ra - đối với một quả cầu, đây là một đại lượng hơi phức tạp liên quan đến tỷ lệ Poisson của vật liệu. Nhưng vấn đề là $ t $ sẽ nhỏ hơn khi $ r $ lớn hơn: điều này sẽ làm cho áp suất giảm nhanh hơn theo bán kính. Cuối cùng, mô đun đàn hồi không hoàn toàn ổn định - đặc biệt, khi cao su bị kéo căng vượt quá một điểm nhất định, nó sẽ trở nên cứng hơn nhiều. Đây là lý do mà quả bóng bay, ban đầu trở nên dễ thổi phồng hơn, cuối cùng lại trở nên khá cứng - và việc tiếp tục thổi thêm nữa có thể khiến nó bị bung ra.
Trước tiên, hãy để chúng tôi tóm tắt những gì chúng tôi thực sự trải nghiệm khi thổi phồng quả bóng. Đối với phần âm lượng đầu tiên, chúng tôi phải sử dụng rất nhiều năng lượng. Hoặc cách khác, chúng ta phải tạo ra rất nhiều áp lực đến từ phổi của chúng ta bởi vì sự thay đổi của năng lượng $ \ delta E $, sự thay đổi của thể tích $ \ delta V $ và áp suất phụ $ \ Delta P $ (đó là sự khác biệt giữa thực tế và khí quyển), chúng ta có khoảng $$ \ frac {\ delta E} {\ delta V} \ khoảng \ Delta P $$ ARM , golem và John Bentlin đã chỉ ra những tác động chắc chắn khiến một quả bóng bay khó bơm căng hơn khi nó được bơm ít hơn là nhiều. Tuy nhiên, không hoàn toàn rõ ràng tác động nào đóng vai trò chính trong trường hợp này. Tuy nhiên, ảnh hưởng của "đường cong chữ S" trong phản ứng kéo của khí cầu là đáng kể chỉ xung quanh áp suất kéo ở áp suất mà chúng ta chạm tới đầu của quả bóng Đường cong chữ S. Áp suất kéo của cao su thường vào khoảng $ 10-15 MPa $. Vì vậy, chúng ta có thể hỏi liệu bằng cách kéo căng tuyến tính trong một quả bóng bay điển hình, chúng ta có đạt được áp suất kéo trong lần thổi đầu tiên hay không. Sau khi làm như vậy, chúng tôi sẽ vứt bỏ mô hình và nói rằng sau đó nó sẽ dễ kéo giãn hơn nhiều vì bây giờ cao su "bị kéo căng quá mức". Đối với áp suất bên trong một khối cầu có đường kính r được giữ bởi một màng có sức căng bề mặt $ \ sigma $, có một luật gọi là định luật Laplace và nó có nội dung: $$ \ Delta P = \ frac {2 \ sigma} {r} $$ Có thể suy ra luật này bằng phép tính vi phân và sự biến đổi năng lượng do sự phát triển bề mặt và sự tăng trưởng thể tích như người dùng golem . Đối với cao su, chúng tôi có mô đun Young xung quanh $ E_Y = 0,01-0,1 GPa $. Năng lượng bề mặt màng có thể trở lại bằng cách xem xét năng lượng được suy ra là $$ \ sigma = E_y d $$, trong đó $ d $ là độ dày của thành quả bóng. Tuy nhiên, $ d $ được trải ra với bề mặt ngày càng tăng, tức là $ r ^ 2 $. Không chần chừ thêm nữa, chúng ta có thể viết một phép toán gần đúng $$ d = d_0 \ left (\ frac {r_0} {r} \ right) ^ 2 $$ Trong đó $ d_0 $ và $ r_0 $ là độ dày và mật độ ban đầu. Khi đặt tất cả các công thức lại với nhau, chúng ta nhận được $$ \ Delta P = \ frac {2 E_Y d_0} {r} \ left (\ frac {r_0} {r} \ right) ^ 2 $$. Vì vậy, bạn có thể thấy rằng áp suất đang giảm đối với $ r $ cao hơn $ r ^ {- 3} $. Cơ hội duy nhất mà đường cong S đóng một vai trò nào đó là nếu chúng ta ở gần đỉnh ngay cả đối với các giá trị ban đầu của độ dày và $ r $. Bằng cách đặt một lượng nhỏ $ r_0 = 1mm $, $ d_0 = 1mm $ và $ E_Y = 0,1 GPa $, chúng tôi nhận được áp suất ban đầu là $$ \ Delta P = 20 kPa $$, bằng tất cả có nghĩa là nhỏ hơn $ 15 MPa $, vì vậy, đường cong chữ S sẽ chắc chắn không đóng vai trò gì trong cú đánh đầu tiên. Để kết luận, áp suất là cao nhất cho lần thổi đầu tiên vì cả cao su đều trải ra và bề mặt lớn hơn đòi hỏi ít năng lượng đầu tư hơn để chứa nhiều thể tích hơn . Hiệu quả của việc trải trước quả bóng sẽ mang lại cho bạn $ r_0 $ lớn hơn và quả bóng cuối cùng chỉ bị vỡ vì bức tường quá mỏng và các khuyết tật nhỏ khiến nó bị vỡ ngay cả khi áp suất rất nhỏ. 33 lượt xem Khi thổi một quả bóng bay bằng hơi thở của chúng ta thì bóng bay chỉ bay là là trên nền nhà, nhưng nếu nạp khí hidro vào bóng bay thì bóng bay sẽ bay lên cao. Em hãy giải thích hiện tượng trên. Bài làm: Bởi vì:
Khi thổi một quả bóng bay bằng hơi thở của chúng ta thì bóng bay chỉ bay là là trên nền nhà, nhưng nếu nạp khí hidro vào bóng bay thì bóng bay sẽ bay lên cao. Em hãy giải thích hiện tượng trên. Trả lời: Bởi vì:
Tìm kiếm google: Giải sách giáo khoa KHTN 7 | Giải bài tập KHTN 7 | Giải bài tập sách KHTN 7; Giải KHTN 7 Bài 2. Nguyên tử, nguyên tố hóa học; Các bài viết khác: Giải sách giáo khoa KHTN 6 Kết nối tri thức Giáo Án PPT KHTN lớp 6 Sách Kết Nối Tri Thức Giáo Án PPT KHTN lớp 6 Sách Chân Trời Sáng Tạo Fanpage: PageHoahocthcs♥Cảm ơn bạn đã xem: Giải sách giáo khoa KHTN 7 | Giải bài tập KHTN 7 | Giải bài tập sách KHTN 7; |
