ヘリウム風船の浮力のエネルギーは何処から供給されているのか？

質問

• ヘリウム風船がいつまでも浮いているエネルギーの供給源について気になっています。ヘリウム風船は紐を通じて椅子を引っ張っているため、運動エネルギーが存在しているはずです。しかし、ヘリウムは化学変化を起こさずにエネルギーを発生させることができるので、永久エネルギーのように思えます。どのような仕組みでいつまでも上方に引っ張る力を維持しているのか、エネルギー保存の法則に基づいてどこからエネルギーを得ているのかについて知りたいです。
• ヘリウム風船が浮いているエネルギーの供給源について興味があります。ヘリウム風船は紐で椅子に結ばれており、紐を通じて上方に引っ張られています。しかし、ヘリウムは化学変化を起こさずにエネルギーを持続的に発生させることができるのか疑問です。ヘリウム風船が常に上方に引っ張られている力を維持するためには、どのようにエネルギーを得ているのか調査したいです。
• ヘリウム風船がいつまでも浮いているエネルギーの供給源について知りたいです。家の中でヘリウム風船が椅子に紐で結ばれて浮いている状態が続いています。ヘリウムは何の化学変化も起こさずにエネルギーを発生させることができるので、永久エネルギーのように感じます。しかし、運動エネルギーはエネルギー保存の法則に基づいて供給されるはずなので、どのようにしてヘリウム風船がいつまでも浮いているのか不思議です。

回答No.11

delli7

まず、感覚的に理解しやすくする為に部屋を閉じ切って下さい。（と想像するだけでいいですよ）

１．いま、2mの位置にあるヘリウム風船の紐を引っ張って、1mほど風船を下げて下さい。
このとき風船の浮力に逆らって紐を引いたので、あなたは仕事をしました。
この仕事のエネルギーはどこにいったのでしょう？
風船は2mから1mに下がった（位置エネルギーは減った）のに？？？

答えは、いま風船のある位置（1m）にあった空気が、最初に風船のあった位置（2m）に
持ち上がった（高くなった）ことによる位置エネルギーに変わったのです。
あなたの仕事エネルギー ＝ 空気の位置エネルギー＋風船の位置エネルギー

空気と風船の位置が入れ替わっただけですが、比重は空気の方が重いので差し引きはプラスになり、
あなたのした仕事エネルギーと等しくなります。

２．さてここからが本番です。 風船の紐を放します。
風船は上昇し、同時に目には見えませんが風船の上にある空気は風船の下側に移動します。
風船は上昇しますが、同じ体積の空気が落下していくわけですね。
比重は空気の方が重いので差し引きはマイナスになります。
つまり風船と空気の全体の位置エネルギーが減りました。
この減ったエネルギーはどこへ行ったかというと、空気が移動する時の運動エネルギー（風）や
風船の運動エネルギーになります。
紐が伸びきると衝撃は振動エネルギーになり、風のエネルギーと共に最終的には熱になります。

３．さて、このあと、風船は上昇しようとしていますが紐があるので上れません。
でもこれは風船の上にある重たい空気が風船が邪魔で下に落ちられない状態とも言えます。
いま私の目の前のコタツの上にみかんがありますが、みかんが落下しないようにコタツが
エネルギーを与えているわけではありません。
紐の張力とコタツの抗力の違いはありますが、位置エネルギーが高い状態から低い状態に落ちようとしているのを
紐やコタツが邪魔している状態です。

お礼

ありがとうございます！！

空気が移動するエネルギーは考えていませんでした。（３）は微妙なのですが、（１）と（２）はそうか～と納得しました。

例えば、私がヘリウム風船を１ｍ下方に引っ張るときは、ヘリウム風船の体積分の空気を１ｍ上方へ移動する仕事をしたのですね。

私がヘリウム風船の紐を放したときには、私は何も仕事はしていなくて、ヘリウム風船とヘリウム風船の上方にあった空気の位置エネルギーが減ったのですね。その減った位置エネルギーはヘリウム風船が上方へ移動したときに周りの空気分子を動かすエネルギーになったわけですね！！