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.12

noname#221368 · ベストアンサー

腕の疲労について・・・。

　まずヘリウム風船が浮きたがるのは、エネルギーを貰ってるからでなく、力のバランスが崩れてるからです。どんな物でもそうですが、物が静止するためには、作用する力が釣り合ってる必要があります。

　最初に風船と同じ形状の空気を、空中に考えて下さい。さらに丸いと考えにくいので、直方体の形状を想像して下さい（想像だけなら、OKですよね？）。直方体の空気塊は、空中に浮かんでいられるはずですが、しかし空気塊も物である限り、そこには重力が働きます。にも関わらず、支えなしで、空気塊は、空中に浮かんでいられます。

　支えが必要です。それが、直方体の空気塊に作用する、周囲の空気からの大気圧です。直方体の側面に作用する大気圧は、横向きなので、今の場合は無視してOKです。

　直方体上面にかかる大気圧（押し）と、直方体下面にかかる大気圧（押し）を計算すると、下面の方が僅かに大きく、上下面での圧力差は、

　　下面の圧力－上面の圧力　＝　空気塊の重量　　(1)

になってる事がわかります。さらに(1)は、空気塊がどんな形状であっても、

　　空気塊の表面に作用する圧力の合力　＝　空気塊の重量　　(2)

という形に、一般化できる事もわかります。けっこう鬱陶しい計算の結果ではありますが・・・。

　という訳で、空気塊の重量→ヘリウムの重量、と入れ換えれば、空気塊の重量＞ヘリウムの重量なので、

　　風船の表面に作用する圧力の合力　＝　空気塊の重量　＞　ヘリウムの重量　　(3)

となって、風船は浮きたがります。だから紐で引っ張っておかないと、風船はどんどん「浮上」しますが、以上の話は「エネルギーと無関係」です。ここまでOKでしょうか？(^^；)。

　ただし、紐で引っ張らないで、風船をどんどん浮上させたら、風船は「移動した」ので、この時は間違いなくエネルギーを貰っています。これは正しいです。

　ところでさっき「エネルギーと無関係」と書きましたが、力の発生にエネルギーはいらないの？、という素朴な疑問は、本当は究極の問いです。質量や重力の発生機構と同じくらいに難しい問題になってしまうので、ここではスルーします(^^；)。

　ただ、目に見える現象として、「力の発生にエネルギーは必ず必要」となったら、真夏でもストーブを焚き続けないと、自宅が自重で潰れてしまうなどという、恐ろしい事態になるので、「力の発生にエネルギーは不要」は、経験事実として認めて下さい(^^；)。

　で、やっと腕が疲れる話です。今度は、ダンベルをエキスパンダーで10年ほど、天上から吊るしておきます（危険ですけど(^^)）。10年後にダンベルを外したら、エキスパンダーは決して、もとの長さに戻らないはずです。つまり10年の間に、エキスパンダーのバネは、ダンベルの重量の影響で、伸びた訳です。
　このような現象を、クリープやリラクセーション、もっと漠然と静疲労と言い、永久構造物を目指す橋などでは、決して無視できない現象です。橋の設計では、クリープやリラクセーションを最初から見込んで、設計します。

　リラクセーションを起こしたバネを、もとの長さに戻すには、それを強引に圧縮して縮めてやる必要があります。この時には、確実にエネルギーを使います。

　腕の筋肉のバネに相当する化学分子は、アクティンだったかミオシンだったか忘れましたが、これは非常に伸びやすいバネとみなせます。そうすると、ダンベルを持ち続けるには、常にエネルギーを供給する必要に迫られます。疲れますよね(^^)。

　カロリー計を用意して、素手でエキスパンダーのリラクセーション矯正を行えば、そのためにかかったエネルギーを測れる事にもなりますが、・・・まぁ、これは冗談です(^^)。

お礼

ありがとうございます。直方体の空気塊を考えたら論理的にすっきりしているし分かりやすいです(^_^)

直方体の空気塊には上下左右から大気圧という力がかかっているのですね。上下の運動について考えるときは側面を考慮する必要はなく上面と底面を考えるのですね。

空気塊の表面に作用する圧力の合力　＝　空気塊の重量

ということですと、上面と底面の差を考えればよく、回答者様によれば底面の方が圧力が大なのですよね。ここについては私は上面が圧力が大で、下方に向かって重量が生じると思うのですが。間違ってますか。「重量」だから上面からの圧力の方が強いという条件でなければ地球側（地面側）に力がかからないと思うのです。

ここまでが空気塊の重量についてで、次にヘリウム塊の重量についてです。直方体のヘリウム塊を考えると、やはり側面を考慮することはないので上面と底面を考えると思います。そこで、

ヘリウム塊の表面に作用する圧力の合力　＝　ヘリウム塊の重量

で、ヘリウム塊は空気塊より重量が軽い。

だから、空気塊が下になりヘリウム塊が上になったほうが安定する。だから、ヘリウム風船は浮くということですね。

ここで、ヘリウム塊であるヘリウム風船が上方に移動していくときは、ヘリウム塊であるヘリウム風船は運動エネルギーをもらっている。

ところで、ダンベルとエクスパンダーの例も面白いです。確かに伸びますね。この現象をクリープやリラクセーションというのですね！！　この場合は、ダンベルはエクスパンダーに対してものすごくゆっくりな加速度を与える仕事をしているような気がします。

エクスパンダーを５０cm伸ばす力/１０年

のようなゆっくりした加速度？の仕事です。