热气球还是氢气球？失控后升空，会越升越高吗？

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9月4日，在黑龙江牡丹江，一位工人坐氢气球打松塔时，不慎气球被风吹走并失联。最新消息表示，该工人已经安全落地，被吹走的原因是操作不当。在这起事件中，有一个迷惑人的地方，媒体在报道失联的时候，都说的是氢气球；后来报道安全落地的时候，标题还是氢气球，但是正文部分说的却是热气球。到底是氢气球，还是热气球，我们无法判断，不过其升空原理是一样的。所幸的是，这位工人最终安全着落。假设气球失控，最后的归宿是哪里？

热气球or氢气球

氢气球与热气球

不管是氢气球，还是热气球，它的升力原理都是一样的。气球内部的氢气或者热气，其密度要低于外界正常空气的密度，就好像乒乓球浮于水面一样，热气球会浮于空气之上。氢气的密度是0.081272kg/m3(0.1MPa, 25°C)，热气球的密度是0.95kg/m3(100℃)。而空气的密度是1.29kg/m3(0.1MPa, 0°C)，正是这个密度，才是气球能够升空的根本原因。

热气球浮于空气之上

另外，从氢气和热气的密度大小对比，我们也能看到，氢气球的升空效果要比热气球好很多。同等条件下，氢气球的上升速度更快；所需体积更小。但相对来说，氢气球较为危险。氢气是可燃气体，极易发生爆炸。最著名的例子应该是德国的“兴登堡号”飞艇，当时为了提升升力，采用了氢气，结果在1937年5月6号飞艇着陆时发生爆炸，35人遇难。

兴登堡号就是用的氢气

氢气球是存储性质的，它的上升和下降，也就是升力的控制，关键在于气球体积的大小。当充满气的时候，升力也就固定了，这时候想要下降，必须在气球上开个口子，让氢气泄漏到外面去。这位工人操作不当，大概就是不会让氢气球泄气，反而打开了阀门，让更多的氢气进入气球了。而热气球的操作就简单些，它的上升和下降，靠的是内部空气温度的大小，温度越高，升力越大。打开阀门，喷火加热，气球上升。关闭阀门，冷却后即便不操作也会下降。

热气球靠火加热升空

升力原理  

回到升力原理上来。气球的升空，在于存在向上的升力，这个升力就是空气的浮力，所谓的空气浮力，本质是空气的压强。同学们都知道，空气的压强跟高度有关，越高压力越小。就像水压一样，水越深，水压就越大。任何一个物体，只要存在于地面之上，与空气接触，就都存在浮力。只不过，有些物体太重了，浮不起来。因为，任何物体都有体积，那么它的顶部受到的压力因为高度高而变小，底部受到的压力因为高度低而变大，这样底大顶小，就形成了向上的压力差，也就是空气的浮力。

浮力（升力）原理

在空气中，随着气球的不断升高，空气的密度在不断的降低，空气的压强也在不断的降低。所以，升力会越来越小。如果空气密度降低到热气球的程度，那么热气球就怎么也飞不上去了。所以，热气球的安全性在这里也可以体现出来，失控后不会越飞越高，到了指定高度，即便火没灭，也飞不上去了。从下表上看，3000米的高空，其密度已经跟热气球内的密度差不多了。这个高度，人还能生存。而到了20000米左右高空，空气密度才与氢气密度接近，这时候的低压低温，人体已经不能生存了。所以，3000m和20000m就是热气球和氢气球的升高极限。

空气密度与高度关系

总  结    

这次失联事件，大概率就是氢气球，由于其特殊的放气下降操作，导致工人误操作。根据气球的升力原理，失控后，氢气球大概能飞到20000m的高空，热气球则能飞到3000m的高空。显然，热气球比氢气球更安全一些。

来源：无聊的力学微信公众号（ID：BoringMech），作者：Nerd王小胖。