熱気球はなぜ浮かぶか～よくある質問の確認

　「熱気球はなぜ浮かぶか」という疑問には検索するといくらでも出てきます。たいていは
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　気体は暖められると体積が膨張します。気体の量そのものが増えるのではなく、分子の動きが活発になるので大きく膨らむのです。つまり、膨らんだ分だけ軽くなる訳です。
　周りの空気はそのままで、気球の中の空気だけ暖められると気球の外の空気が軽くなった気球を押し上げていくので、気球は浮き上がるのです。
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というような解答が得られます。で、これを踏まえての質問なのですが、熱気球が容易に膨張しやすい素材でできているのであれば、 '密閉した' 熱気球の中の空気を熱してやれば '気球が膨張' するので '空気も膨張' し、熱気球内の空気の密度が小さくなって浮くというのはよくわかります。
　しかし、ネット上の熱気球の写真を見る限りでは熱気球は密閉されてはいないようですし、その素材も風船のように膨張しやすい素材でできているとは思えません。それでも熱気球が浮かぶのは、熱せられた熱気球内の空気の分子運動が激しくなり、気球の外に飛び出した結果、熱気球内の空気の質量が軽くなり熱気球は浮かぶのではないのですか？

No.6 ベストアンサー 回答者： okormazd 回答日時： 2013/02/16 12:43

質問者の考えがほぼ正しい。

バーナーで高温の燃焼ガスとそれによって空気を加熱する熱気球を考える。これらの気体を高温空気とします。また、それまで気球中にあった空気と周囲の空気を低温空気とします。
熱気球自体の体積は、ほぼ一定です。高温空気が気球に送られます。これは、密度が小さいので、気球の上方にたまります。それによって、それまで気球中にあった低温空気は密度がが大きいので、気球の下の開口部から外部に押し出されて気球内部は高温空気で置換されます。気球は、周囲の密度の大きい空気より密度の小さい空気で満たされるので、上方への浮力を生じ、上昇します。水を満たしたビンをさかさまにして水中に沈め、口から空気を吹き込むと浮かぶのと同様です。
上昇した後、中の空気が冷えて密度が上がれば、空気の体積は減るが、気球自体の体積は変わらないので、廻りの空気が気球内に入り、下降します。ここでバーナーを点火すれば、高温空気によって気球内の空気が置換されて気球は浮くのです。
この気球は、気球内の空気が膨張して気球自体の体積が膨らんで浮力を生じるのではありません。気球内に入っている空気の質量が、温度によって変わることになります。気球内の空気が膨張するという説明だけでは、気球内の空気の質量は変わらないということになりますが、気球の体積がほぼ一定で、開口部がある気球ではそれはありません。
ところで、
熱気球として、黒いごみ袋を何枚かつないで大きな袋を作り、中に空気を入れ、太陽光で温めて中の空気を加熱して浮き上がらせるという「遊び」があります。この場合は、低温空気と高温空気の置換ではありません。中の空気が暖められて膨張し、密度が小さくなって浮力を生じます。はじめの空気は、ほぼ袋を満たしていますが、このときの体積より、暖められた後の体積が大きくなって、袋がほぼパンパンになるのです。気球内に入っている空気の質量は変わりません。

この回答へのお礼

　すでに削除されていますが、あなたの質問自体がナンセンスなどいう解答があって、ちょっと困惑していました。私は実物の熱気球が浮かび上がったり着陸したりするのを '間近で見た' ことは一度もないのですから。実は
http://ichigo-up.com/cgi/up/qqq/nm61859.jpg
という問題を見て、ちょっと疑問が生じ質問させていただきました。
　普通の熱気球とゴミ袋を何枚かつないだ熱気球との比較などとても参考になりました。この実験はすぐできそうなので、ぜひやってみたいと思います。丁寧な解説、まことにありがとうございました。

お礼日時：2013/02/16 13:21

No.5 回答者： atemcell 回答日時： 2013/02/16 11:25

気体は、分子から成り立っています。

その気体を温めると、分子の動きが速くなります。三体変化（状態変化）で習ったと思いますが、分子は温度が高いほど速く動くようになります。
一つ一つの分子の動きが大きくなると、同じ体積の中に入れる分子は少なくなります。そうすると熱気球の袋に入っている分子は、ぶつかったり跳ね飛ばされたりして少なくなります。
質量と分子の数には関係があります。分子の数が少なくなれば、熱気球は軽くなり、浮かぶ

　　　　　　　　　と、私は考えました。

No.4 回答者： foomufoomu 回答日時： 2013/02/16 11:15

まず、温めらた空気は比重が小さくなる。

。。というのは理解されていますか？（質問文には「軽くなる」と書かれていますが、正しくは「比重が小さくなる」です。）

で、比重の（大きく）違うもの・・・たとえば、水と空気で考えてみてください。
水の中でコップを伏せて、その中に空気を入れると、コップは浮かびますよね。。。密閉されていないし、コップは膨張しませんが。
熱気球も、中に比重が小さくなった空気を送り込んでいるので、浮かぶのです。

さらに言えば、コップがなくても、空気を水中に入れると、泡になって浮かびますね。比重が違うというのは、こんなふうに、それ自体が浮かぶ性質があると言うことです。

No.3 回答者： nevel 回答日時： 2013/02/16 10:59

貴殿の考えは、全然間違っています。

突っ込みどころが多いです。
密閉する必要は無いし、仮に密閉されていたとしても、空気の分子が外に出たら、しぼむだけで浮かばないし・・・

No.2 回答者： yasuto07 回答日時： 2013/02/16 10:58

浮いている熱気球であれば、バーナーで空気を温めているはずです。

No.1 回答者： jaham 回答日時： 2013/02/16 10:53

熱気球は剛体ではないですよ

実際に熱気球が浮上を始めるまでを観察すれば理解できるはずです

実験・観察を軽視してきた付けが回ってきた疑問です

最近　このような実物を見もしないで、観念的な疑問（とは言えないような）を持つものが多くなったと感じています

生兵法は大怪我の元　の意味も調べてください

夕方　満月が西の空に見えた　などと臆面も無く言い張る者が居ますが　それと五十歩百歩です