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ヘリウム風船の浮く時間と浮力

ヘリウム風船の浮く時間と浮力

ヘリウム風船が、どのくらいの浮力を持つかは、風船の重量と、入るヘリウムの体積で決まります。空気やガスの重さは、気温や湿度でも変わります。ここでは、空気の密度を1.2g/ℓ、ヘリウムガスの密度を0.17g/ℓ。*1 として説明してみましょう。

(*1 密度に関して。 空気1ℓ(㎥)=1.2857g、ヘリウム1ℓ(㎥)=0.1785g 
この数値の小数点2ケタまでを採用(気温0度の場合)

※バルーン用のガス業界では、通常は空気1.0g/ℓ、ヘリウム0.14g/ℓ としていることもあるようです。

浮力からヘリウム風船の重さを引く

例えば、街でよく見る直径9インチ(23㎝)のラテックスバルーンの場合、バルーンそのものの重さは約2g。バルーンいっぱいにヘリウムガスを入れると、大体7ℓ入ります。
ヘリウムガスの密度は0.17g/ℓですから、7ℓのヘリウムガスの重さは

0.17g × 7 = 1.19g 

これにバルーンの重さ2gを足した3.19gが、ヘリウム風船全体の重さです。

一方、風船には周りの空気から押し上げようとする浮力が働きます。このときの浮力の大きさは、風船の体積(7ℓ)分の空気の重さと等しくなりますから、

1.2g × 7 = 8.4g

風船の浮力8.4g から 風船全体の重さ3.19gを引いた5.21gが、9インチのラテックスバルーン1個あたりの浮力ということになります。

風船で人は浮かせられる?

童話やアニメでは、山ほどの風船で人を飛ばすシーンが描かれます。ヘリウムガスを入れた風船で、人を飛ばすことはできるのでしょうか? 理論上では、可能です。上記の計算で、9インチ(7ℓ入り)のヘリウムガス風船は1個当たり5.21gの浮力を持っていることになりました。体重60㎏の人なら

60,000g ÷ 5.21 = 11,516.3

11,516個分の風船で、浮力が釣り合う計算になります。もちろん、実際は風船を繋ぐ紐の重さや、何万個もの風船を人に付ける器具が入ってきますから、そう簡単には行きませんが、こんな想像の計算をするのも楽しいですね。

ヘリウムガス風船は、どれ位飛び続ける?

風船がどれくらい飛ぶかということには、気温・風向・風速・湿度など、様々な要因があるので一概には言えませんが、米国風船芸術家協会(N.A.B.A)が行った調査によると、「通常、上空8キロメートルまで上昇した風船は、外気が摂氏零下40度の中で硬化し、気圧の低下で既に7.3倍に膨張している。ここでゴム膜が膨張に耐え切れず、粉々に破裂し地上に落下する」ことが報告されています。*2
8キロメートルと言えば、富士山よりもはるかに上空。そんな高さまで飛ぶ風船を、見てみたいものですね。

(*2『ゴム風船の空中への放出が自然環境へ与える効果の研究』1989,7/29NABA、環境委員会技術顧問 D.K.バーチェット日本バルーン協会「風船とばしについての資料」より抜粋) http://jba1.jp/JBArep/release.html 

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