梅西百货感恩节游行气球中的物理原理
本文翻译自wired在线版的同名文章，作者RHETT ALLAIN.
在第87届梅西百货的感恩节大游行中展示的蓝精灵气球。
你曾经见过一个带气球的小孩吗？ 看起来很有趣。 孩子们注意周围的世界：他们知道，当你放下东西的时候，它会落下。 气球不遵循这些规则，这是一个例外，所以气球才如此迷人。
但是大人呢？ 我们仍然喜欢看到超乎常规的东西。 梅西百货游行中使用的气球似乎为了在天空中移动而违背了物理学。 当然，他们并没有， 正是因为物理因素才能够漂浮。
气球为什么不会落地？
这些巨大的气球的确有一股力量被拉下来。 这个引力与物体的质量成正比。 外部材料和内部的气体都具有导致大约2000牛顿（450磅）的重量的质量。 然而，即使有如此巨大的向下的力量，气球仍然高高在上。 对象必须有一个向上的力量。 这是浮力，它是由气球顶部和底部的气压差造成的。
你可以把空气想象成一堆弹跳的球。当这些气球碰到一个表面（如气球的一侧）时，它们会弹开。由于球变化的势头，它必须用力推挤气球。这个力量取决于撞击表面的气球数量以及气球的速度和质量。但是，这是一个很酷的部分。为了使所有这些气球不仅仅落在地面上，它们在向上的方向上必须比向下的方向有更多的碰撞。这意味着，当你在大气层下降时，空气密度增加，导致更大的压力。
但是这个空气多大程度上像一个气球推动一个物体？最简单的就是考虑一下空气中漂浮的一块空气。是的，这可能看起来很愚蠢，但有一个原因。如果没有风，空气中的空气块应保持静止。这意味着推动这种空气的净力必须是零牛顿。这里是一个图表，显示了这个浮动的空气块的所有力量。
显然，空中阻力侧的力量消失了。使垂直力消失的唯一方法是，推动空气块的净向上的作用力与空气的重力作用力相等。现在用一个气球替换那块空气。其余的空气仍然应该像气垫那样推动气球。这意味着浮力必须等于被该物体排出的空气的重量。是的，这就是我们所说的阿基米德的原则。你可以用它来取代水或空气或任何其他物体。
但是人类呢？人类有浮力吗？当然，人类置换空气，他们有一个浮力。那么人类不应该漂浮吗？不可以。如果你考虑一个75公斤人的密度接近水的密度（1000公斤/立方米），这将使体积仅为0.075立方米，浮力为0.882牛顿（0.2磅）。即使对人体有浮力，与体重相比也是太小了。当然，如果你切换到更密集的媒体（如水），那么你可以漂浮。
让巨大的物体飘浮在空中的唯一办法就是给他们一些小的重量。最简单的方法是取一层薄薄的壳体，并用氦气（氢气和热空气也可以）等非常轻的气体填充。你可能会认为你可以简单地把气球的内部空置 - 是的，这是可行的。然而，你会发现有问题，气压会使气球压扁。真的，唯一的选择是填充气体。氦气比氢气更好，因为它不像氢气那样容易与氧气发生反应（炸掉）。
大的气球更容易升空
假设你想为蚂蚁做感恩节游行。 这不是很酷吗？ 那么，制作蚂蚁大小的气球几乎是不可能的。 制作更大的气球更容易。 为什么？ 我们来看看两个球形气球，其中一个是另一个半径的两倍。
如果将气球的半径加倍，则将体积增加八倍（因为体积与立方体的半径成正比）。但是气球外面的材料呢？比方说，我想把所有的东西都做得很均匀，而且我把这个材料的厚度增加了一个大一点。由于这种材料只覆盖了气球的表面积，因此其面积将增加四倍。如果包含双倍厚度，较大的气球的材料也是较小气囊的八倍。
但是在某个时候，你不需要继续制造更厚，更厚的气球皮。我可以得到一些厚度仅为1毫米的材料（比如说橡胶）。这意味着如果我将气球的半径增加10倍，体积将增加1000倍，但是也许壳体的质量只会增加100倍。体积很重要，因为这是我获得浮力的地方。
现在让我们走另一条路。让我们为蚂蚁做一个气球。如果我将普通派对气球的半径减小100倍（实际上它应该小于这个值），那么炮弹的厚度也必须减少100。这些气球已经很薄了。减少太多，你只是不会有一个结构能够举行气球在一起。增加厚度一点，质量太高，无法漂浮。所以，对不起，游行蚂蚁气球不成立。
大气球更难操纵
好极了！ 我有一个巨大的气球，它可以漂浮。 有什么比这更棒的？ 哦，当然，我需要一大堆人（还有几辆车）牵着它，但它仍然是一个巨大的气球。 可是等等， 巨型气球仍然有问题。 把事情做大可能会更容易浮动，但会增加其他问题。
第一个问题是风。 当然，你手上的小气球上的那种微风很烦人。 但是当你增加气球的尺寸时会发生什么？ 推动气囊的力与横截面积成正比。 如果你的气球的半径增加一倍，你就增加了四倍气动阻力。
如何快速估算呢？如果你喜欢像探险家朵拉一样的气球，它大概是16米乘13米（从侧面看它）。如果这是一个半径只有6.5米的完美球体，我们可以通过假设空气阻力的典型模型来估算空气动力。在10英里/小时（4.5米/秒）的风速下，水平空气力约为760牛顿。对于30到50名成年人来说，这并不算什么坏事。但是，如果将风速加倍，则会将空气阻力增加4倍，达到3000牛顿。现在你失控了。
这是第二个问题。失控的气球是不好的。你可能会认为它是漂浮的，所以它是无害的，但这些气球仍然有质量。如果一个气球使用12,000立方英尺的氦气，即大约55千克。增加气球的质量，你很容易超过200公斤。当一个200公斤的气球碰撞到一个灯柱时，灯柱可能会轻易倒塌造成伤害（过去确实发生过这样的案例）。
如果这些气球是危险的，你怎么安全地把他们放在游行队伍里？总是有一些风险，但是通过飞行员训练（是的，气球有飞行员）并且在恶劣的天气条件下将其牢牢固定在地面，将最小化这些风险。希望这将带来一个安全和愉快的感恩节游行。