空気より軽い（2）

ガスのように空気より軽いとどうして空を飛ぶんでしょうか
流体力学のような根拠はありますか

No.7 回答者： yamaya-hositaro 回答日時： 2024/03/31 17:19

思考の転換をしてみましょう。

「密度が高いものは、下に沈んでゆく」
これはわかりますね？

「空気よりも軽いガス」が空気中にあると、ガスの下に空気が入ってゆきます。空気の方がガスよりも密度が高いのですから。

つまり「浮く」のではなく、「ガスの下に空気が入って来る」「下にやって来た空気によって、ガスは上に押し上げられている」と考えるとわかりやすいかと思います。
（「わかりやすい」と言うか、こっちの表現が「正解」なんですけどね）

No.6 回答者： tknakamuri 回答日時： 2024/03/31 17:03

浮力で浮かぶから。

船が水に浮かぶのと同じ理屈。

No.5 回答者： himagene 回答日時： 2024/03/31 09:09

質問の意味が分からなかったので私なりに解釈してみました。

「流体力学のような根拠」と書かれているので液体中の固体に働く浮力の源は理解しているものと思います。そうであれば、アドバルーン、風船、飛行船のように軽い気体を容器に入れた物にも浮力が働くこともお分かりでしょう。
質問は、アドバルーン、風船、飛行船のような容器壁がない場合はどのようになるか、と言うことでしょうか？
これは少し面倒です。
気体中の分子には重力が働き落下しようとするので、下の方で濃くなるはずです。一方，気体は温度に応じて熱運動（デタラメな動き）をしており、濃い方から薄い方へと分子が広がります。これを「拡散」と言います。つまり気体分子は濃度の勾配を濃い方から薄い方へと移動しようとします。重力は分子を落下させて下方の粒子濃度を高めるように働きますが、拡散は濃度を薄めようと作用します。その結果、分子の下降と上昇が釣り合ったところで平衡状態に達し、上空では空気が薄くなっています。
ここで、水素やヘリウムのような空気より軽い分子を持ってきても一個の分子は空気の分子の熱運動に紛れてしまって拡散するだけです。
水素やヘリウムのボンベを開けて塊で放出するとどうなるでしょうか。軽い気体と空気の境目付近の分子は互いに衝突しながら拡散しますが、軽い分子が多い部分と空気分子が多い部分とでは衝突の前後で運動量のやり取りが変わります。その結果、軽い分子の塊は上むきの力を受けて上昇します。簡単には、軽い気体と空気の境目が仮想的な膜でできていると考えることもできます。この仮想膜の厚さやどこまで上昇するかや上昇速度は流体力学だけでなく統計力学の知識を使えば計算できます。

No.4 回答者： chiha2525 回答日時： 2024/03/30 19:35

水の中の空気が、水より上に行くのと同じです♪

No.3 回答者： finalbento 回答日時： 2024/03/30 12:15

「軽いから(相対的に)重い空気より上に来る」と言う単純な話ですが。

No.2 回答者： XR500 回答日時： 2024/03/30 11:09

飛ぶんじゃなくて浮くだけですね。

比重の関係で空気より軽いものは浮くんです。
水より軽いものが水に浮くのと同じです。

飛ぶ（＝動く）のは気流の影響です。

No.1 回答者： yhr2 回答日時： 2024/03/30 10:51

「浮力」です。

アルキメデスの原理を調べてください。

「水の中の木材」などと同じですよ。