みんなは気球って乗ったことある？NoPちゃんはまだないんだ。
気球って楽しそうだけどなんか怖くない？あの、バルーンみたいなやつが燃えたら終わりだよ？
炎をボウって出して上がったり下がったりしてるけど、あれってどういう原理なんだろう？
仕組みが分かれば少しは怖くなくなるかな？
じゃあ調べてみよう！気球はなぜ上がったり下がったりできる？浮く仕組みを解説！
結論
結論からいうと、気球は周囲の空気よりも「全体として軽くなる」ことで上昇し、重くなることで下降します。
特に熱気球では、内部の空気を温めることで密度を小さくし、周囲の冷たい空気より軽くしています。
すると空気から受ける浮力が気球の重さを上回り、気球は上へ進みます。
逆に、内部の空気が冷えて密度が大きくなったり、熱い空気を外へ逃がしたりすると、浮力が弱くなって下降します。
つまり熱気球は、
空気の温度を変えることで浮力を調整している
ということです。
そもそも、なぜ空に浮けるの？
気球が浮く仕組みを考えるうえで重要なのが、
浮力
です。
浮力というと、水に浮かぶ船や風船をイメージするかもしれません。
でも、空気の中でも浮力は働いています。
空気にも重さがあるからです。
気球のような大きな物体が空気中にあると、その体積分だけ周囲の空気を押しのけます。
すると、その押しのけた空気の重さに相当する力が上向きに働きます。
これが空気中での浮力です。
熱い空気はなぜ軽いの？
熱気球では、バーナーを使って気球内部の空気を温めます。
では、なぜ温めると軽くなるのでしょうか。
空気を温めると、空気を作っている分子の動きが激しくなります。
気球の下部は開いているため、温められた空気は膨張し、一部が外へ出ていきます。
その結果、同じ体積の中に存在する空気の分子の数が少なくなります。
つまり、
同じ大きさでも、中に入っている空気の質量が少なくなる
ということです。
これを、
密度が小さくなる
といいます。
周囲の冷たい空気より内部の空気の密度が小さくなると、気球全体が浮きやすくなります。
上昇するときはどうするの？
熱気球を上昇させたいときは、バーナーで内部の空気をさらに温めます。
すると空気の密度が下がります。
気球そのものや人、バスケットなどの重さはほとんど変わりません。
しかし気球の中の空気が軽くなることで、気球全体の平均的な密度が小さくなります。
そして、
上向きの浮力 ＞ 気球全体にかかる重力
になると気球は上昇します。
高さを保つときは？
気球を一定の高さに保ちたい場合は、
浮力と重力をほぼ釣り合わせます。
つまり、
上向きの力と下向きの力がほぼ同じ状態です。
熱気球では、バーナーを必要に応じて点火しながら内部の空気の温度を調整します。
温度が下がりすぎると下降し始めるので、少し温めて浮力を戻します。
この繰り返しによって、高度をある程度保つことができます。
下がりたいときはどうするの？
下降する方法はいくつかあります。
一番単純なのは、
バーナーを止めて空気が冷えるのを待つこと
です。
内部の空気が冷えると密度が大きくなります。
すると浮力が弱まり、重力のほうが強くなって気球は下降します。
さらに、気球の上部には熱い空気を逃がすための仕組みがあります。
これを開くと内部の熱い空気が外へ出て、浮力をより早く弱めることができます。
着陸するときなどに使われます。
操縦桿はないの？
飛行機のように、
「右へ曲がる」
「左へ曲がる」
ための操縦桿があると思うかもしれません。
しかし、一般的な熱気球には横方向へ進むためのエンジンやプロペラがありません。
基本的には、
風に流されて進みます。
では、どうやって目的の方向へ向かうのでしょうか。
高さを変えて風を選ぶ
実は、風はどの高さでも同じ方向・同じ速さで吹いているとは限りません。
地上付近と上空では、風向きや風速が違うことがあります。
そのためパイロットは、
上昇したり下降したりして、利用したい風の層を探します。
例えば、
- 低い高度では東向きの風
- 少し高いところでは北向きの風
が吹いていることもあります。
そこで高度を調整しながら、進みたい方向に近い風を利用します。
つまり熱気球は、
上下には比較的自由に動けるが、横方向は風を利用して動く乗り物
なのです。
ヘリウム風船とは何が違うの？
熱気球と似たものに、ヘリウムを使った気球があります。
ヘリウムは、もともと空気より密度が小さい気体です。
そのため温めなくても浮力を得ることができます。
熱気球は、
空気を温めて軽くする
のに対し、ヘリウム気球は、
最初から空気より軽い気体を入れる
という違いがあります。
水素でも浮くの？
水素も空気よりかなり軽いため、気球を浮かせることができます。
むしろヘリウムより軽いため、同じ体積なら大きな浮力を得られます。
ただし水素には可燃性があります。
そのため安全面の理由から、用途によっては燃えないヘリウムが選ばれます。
高く上がればどこまでも行けるの？
気球は上昇できるとはいえ、無限に高く上がれるわけではありません。
高度が上がるほど、周囲の空気は薄くなります。
すると同じ大きさの気球が押しのける空気の質量も少なくなるため、得られる浮力も小さくなります。
そのため、気球の種類や大きさ、積載重量などによって上昇できる高度には限界があります。
乗っている人は寒くないの？
気球の中の空気はかなり温められていますが、乗っている人がその熱気の中に直接入っているわけではありません。
人が乗るバスケットは、気球の袋の下にあります。
ただし高度が上がると外気温は低くなる傾向があります。
さらに風の影響もあるため、防寒が必要になることもあります。
まとめ
熱気球が上がったり下がったりできる理由は、
気球内部の空気の温度を変えて、浮力を調整しているからです。
空気を温めると密度が小さくなり、周囲の空気より軽くなります。
すると浮力が重力を上回り、気球は上昇します。
逆に空気を冷やしたり、熱い空気を外へ逃がしたりすると浮力が弱まり、下降します。
そして横方向へは、基本的に風に流されながら移動します。
そのためパイロットは高度を変え、
異なる高さに吹く風を選びながら進む方向を調整しています。
気球はエンジンで空を突き進んでいるのではなく、
空気の密度と浮力、そして風を利用して飛ぶ乗り物
なのです。
キーワード
気球 / 熱気球 / 浮力 / 密度 / 空気 / バーナー / ヘリウム / 水素 / 風 / 科学
※本記事では、文章作成および画像生成の一部にAIを活用しています。
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