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.8

mazeran

>だとしたらこの運動エネルギーはどこから供給・・・

ヘリウム風船の紐が椅子に固定されて静止している場合、風船自体が運動していないのでエネルギも消費しないんです。
御礼のところに書かれていましたが、力を発生させるには「速度」ではなく、「加速度」になります。
質量のあるものが速度を持って移動すれば、「エネルギ」を持つことになります。
質問と御礼の文章を読んでると、多分、質問者様は「速度と加速度」、「エネルギと力」、「質量と重量」の違いに曖昧なところがあると思われます。

ヘリウム風船が浮かぶのは、地球の「重力」が原因なんです。
つまり、「エネルギ」ではなく「力」だと言うことです。

家の中にある椅子に風船の紐が結んであるわけですね。
じゃあわかり易く説明すると、その家を、床と天井が反対になるようにひっくり返った状態になった時のことを考えてみてくださいな。
すると今まで床だったところが天井の位置になるわけで、そこからぶら下がる形で椅子があり、その椅子から紐がぶら下がり風船が付いている。
見方を変えると、「天井（以前の床）から風船がぶら下がっている。」状態に見えませんか。
状態はこれと同じと考えて問題ないです。

次は通常の状態で考えると、たとえば物に紐を付け、その紐を天井に固定すると、物は天井からぶら下がります。
これは「重力」と言う「力」が物を引っ張っているからこの状態になります。
この状態では、「エネルギ」は一切消費していませんよね。
もしエネルギが消費されていれば、必ず「熱」が発生するんですが、熱なんか発しませんよね。

その次はヘリウム風船で考えます。
地球の重力が原因と書きましたが、説明します。
重力が空気を引っ張っているのはご存知かと思います。
それを我々は「気圧」として感じるわけです。
「気圧」は「圧力」と言う「力」なので、平衡を保とうとする性質があります。
その中に比重の小さいヘリウムを詰めた風船を置くと、水の上に船を浮かべる時と同じで、風船があることで押しのけられた空気が平衡を保とうとし、風船に対して重力（気圧）の弱くなる方向へ、つまり上方へ押し上げる形の力となって働くわけです。
しかしこれも無限ではなく、上方へ行くと空気の圧力は小さくなるので、平衡したところで上昇運動は停止します。
正確には、「その高さの空気と、風船の中のヘリウムの単位体積当たりの質量が等しくなる高さ。」です。
よって、「永久機関」ではありません。

重力によってできた空気の圧力が、平衡を保とうとして風船に力を発生させた結果、風船は紐を介して椅子と釣り合いの関係にあるが、椅子の力が強いので、椅子が風船を下向きに引っ張っている状態と言えます。

Ｎｏ，５の方が書かれていますが、人を例にして仕事を説明されています。
人間にとっては、罰を受けバケツを持って廊下に立っているだけでエネルギを使いますが、理科（物理）では確かに仕事はしていません。
なぜか？。
理由は、人間には自由度の高い「関節」がたくさんあり、関節の角度を保つために「筋肉」を使っているのですが、筋肉を動かすには、食物から摂ったエネルギを使うからです。
つまり、「バケツを持つ」と言う姿勢を保つために、体中の筋肉にエネルギを与えないと、姿勢を保つと言う「釣り合い」が取れないために、物理で言うところの仕事とは違って来るんです。
棚や台は、その形を保とうとするためにエネルギを必要としませんよね。

お礼

学校の先生みたいに教えていただいてありがとうございます。

はい、「速度と加速度」、「エネルギと力」、「質量と重量」の区別がはっきりできていないところがあると思います。

力を発生させるのは「速度」ではなく「加速度」なのですね。そこからスタートして改めて考えてみようと思います。

ヘリウム風船が浮かぶという現象に関わっているのは重力という「加速度」、だから「力」（力学的、運動エネルギーと理解しました）なのですね。

床と天井を反対にして考えてみるのは、今回のヘリウム風船の問題に関わっている「加速度」「力」の問題は地球に対しての上方、下方を入れ替えて考えてもよい問題だからですよね。

ヘリウム風船が浮いている状態に戻して考えると、「空気が存在している＝気圧がある」、気圧があることから圧力を一定に保とうとする性質が働く（パスカルの原理みたいなもの？）、すると気圧がヘリウム風船を押すのだが下方より上方のほうが空気の密度が低いので、ヘリウム風船は上方へ押される。

それで、ヘリウム風船は上方へ移動しようとするが、紐で椅子にくっついていて、ヘリウムが上方に引っ張るのと同じ強さで椅子が正反対の方向へ引っ張っていて釣り合っている。椅子の方に働く重力がヘリウム風船の浮力より長いベクトルなので椅子は動かないということですよね。

ところで、Ｎｏ．５さんのたとえが、回答者さまの説明でより分かりました！！

人間には関節があって、その関節を動かさないようにするために筋肉を収縮させている。つまり、筋肉の収縮のためにＡＴＰを使っているのですね。

ですから、関節を介さないで物を支えればエネルギーを使いませんね。たとえば、前腕のとう骨と尺骨のある部分（肘関節と手首の関節を含まない）の近位（体幹側）を机の上に置いて、遠位（抹消側）に物を乗せても全然疲れません！！　びっくりです。