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Tema: El globo de Helio que asciende

  1. #1
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    El globo de Helio que asciende

    Hola. Tengo la duda sobre qué es lo que le sucede a un globo de plástico común como los que siempre hemos utilizado para jugar de niños, cuando lo inflamos de Helio, lo cerramos y lo soltamos libremente a la atmósfera.

    ¿La presión manométrica en el interior del globo es mayor o menor a la atmosférica fuera del mismo?

    Como es evidente el globo asciende, pero tengo la duda de si asciende hasta una altura tal que su presión interna se iguala con la de la atmósfera y ahí se mantiene hasta que el globo se desinfla y finalmente cae al suelo, o si bien el globo, a una determinada altura, explota porque el gas que contiene se expande hasta romper la elasticidad del plástico.

    Tampoco tengo muy claro si el Helio se puede salir por la boquilla como sucede con el CO2 con el que por nuetra boca inflamos el globo, haciendo que este se desinfle al cabo de unos días o si por el contrario existe una tendencia del aire atmosférico a entrar por la boquilla para compensar la menor presión en el interior del globo (en caso de que así sea).

    Al pincharle con un alfiler, ¿explota por la súbita salida del helio o por la súbita entrada de aire atmosférico?

    Si pudiérais ilustrarme sobre estas dudas con algunas ecuaciones físicas, muchísimo mejor.

    Muchísimas gracias y un saludo.

  2. #2
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    El globo de Helio que asciende

    Es mucho mas facil que poner ecuaciones fisicas.
    Por un razonamiento logico, si tenemos fuera mucha presion y dentro del globo poca, el globo se comprimira( se espachurrara)por la presion fuera. Si es al contrario, el gas de dentro presionara contra el globo y este explotera

  3. #3
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    El globo de Helio que asciende

    Bueno creo que la manera más fácil de ver lo del globo es usar el principio de Arquímedes:

    "Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje ascendente igual al peso del volúmen de fluido que este ha desalojado"

    Supon ahora que tienes un globo lleno de aire. Sobre este actuan dos fuerzas principales, la de la gravedad (por el peso del plástico del globo + el aire que lleva dentro), y el empuje que recibe del aire (fluido) en el que este está sumergido.

    Situaciones posibles:

    -Si el peso del globo supera al empuje del aire que lo rodea, el globo desciende

    -Si el peso y el empuje son iguales el globo se queda donde esté en situación de equilibrio de fuerzas

    -Si el empuje supera al peso el globo asciende

    Y por ello, como el helio pesa menos que el aire, se aprovecha para llenar el globo de este gas, y así quitamos peso al globo, lo que hace que el empuje sea mayor que el peso y por tanto el globo ascienda.

    Pero ojo, eso no tiene nada que ver con que el globo ascienda para equilibrar la presión interior del globo con la exterior. Esa presión se equilibra con la deformación que sufre el globo lleno de gas. Si no, que por esa regla de tres, una bombona de butano saldría moviéndose sola para equilibrar las 8 atm que lleva dentro con 1 atm que tiene en el exterior.

    Un saludo.
    No es oro todo lo que reluce

  4. #4
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    Re: El globo de Helio que asciende

    Bienvenido al foro

    Cita Iniciado por Procyon
    [...]asciende hasta una altura tal que su presión interna se iguala con la de la atmósfera y ahí se mantiene hasta que el globo se desinfla y finalmente cae al suelo, o si bien el globo, a una determinada altura, explota porque el gas que contiene se expande hasta romper la elasticidad del plástico.
    En todo momento en la ascensión, la presión dentro del globo es ligeramente mayor que la que hay fuera del globo, pero también en todo momento la diferencia de las presiones interior y exterio es más o menos constante. (Debido a que el material elástico del globo presiona el gas interno). Como dice koko, la presión no tiene nada que ver con que suba, (los globos aerostáticos suben y estos tienen una abertura).

    El motivo por el cual se hincha el globo es porque conforme se va subiendo la presión atmosférica decrece, y por lo tanto la presión del gas dentro del globo también lo hace.
    Prescindiendo de los cambios de temperatura podemos establecer que se cumple más o menos la ley de Boyle:

    , donde P es presión y V el volumen, los subíndices "0" y "f" indican inicial y final respectivamente.
    Y de esa ecuación se puede deducir que cuando . Es por eso que aumenta en volumen del globo.

    Cita Iniciado por Procyon
    Al pincharle con un alfiler, ¿explota por la súbita salida del helio o por la súbita entrada de aire atmosférico?
    La verdad no estoy seguro de eso. Pero puedes hacer un experimento: pega cinta adhesiva en un globo (de preferencia dos trozos, uno sobre el otro), y por dónde se encuentra la cinta pica el globo con el alfiler, verás que el globo no "explota", si no que simplemente el aire sale del agujero que hiciste.

    Con esto se puede decir que el globo revienta por las características del material que está hecho (como es muy delgado se abre de una parte y una rajadura se va expandiendo a todo el globo). Como puedes observar esta rotura se hace de manera muy rápida, entonces el gas que hay dentro del globo sufre un cambio abrupto de presión que es lo que produce el estruendo que lastima nuestros oídos (recordemos que el sonido se propaga con ligeros cambios de presión en aire).

    Espero no haberme equivocado tanto,

    Saludos
    "Love is a matter of chemistry, but Sex is a matter of physics."

  5. #5
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    Re: El globo de Helio que asciende

    Cita Iniciado por tuzania
    Bienvenido al foro
    Cita Iniciado por Procyon
    [...]asciende hasta una altura tal que su presión interna se iguala con la de la atmósfera y ahí se mantiene hasta que el globo se desinfla y finalmente cae al suelo, o si bien el globo, a una determinada altura, explota porque el gas que contiene se expande hasta romper la elasticidad del plástico.
    En todo momento en la ascensión, la presión dentro y fuera del globo son iguales. El motivo por el cual se hincha es porque conforme se va subiendo la presión atmosférica decrece, y por lo tanto la presión del gas dentro del globo también lo hace. Prescindiendo de los cambios de temperatura podemos establecer que se cumple más o menos la ley de Boyle:

    , donde P es presión y V el volumen, los subíndices "0" y "f" indican inicial y final respectivamente.
    Y de esa ecuación se puede deducir que cuando . Es por eso que aumenta en volumen del globo.

    Cita Iniciado por Procyon
    Al pincharle con un alfiler, ¿explota por la súbita salida del helio o por la súbita entrada de aire atmosférico?
    La verdad no estoy seguro de eso. Pero puedes hacer un experimento: pega cinta adhesiva en un globo (de preferencia dos trozo, uno sobre el otro), y por dónde se encuentra la cinta pica el globo con el alfiler, verás que el globo no "explota", si no que simplemente el aire sale del agujero que hiciste.

    Saludos
    No estoy de acuerdo en que en el interior del globo haya la misma presión que fuera del globo, ya que el globo está a más presión interna que la atmosférica. Si las presiones en el interior y en el exterior fueran iguales, no habria que hacerle nudo a los globos para que no se salga el gas de dentro, no?

    Yo creo que tu piensas que el material del globo es deformable 100%, y eso no es cierto. Un globo es un material elástico que se deformará un poco, pero también acumulará tensión en sus paredes debido a la presión interna. Eso sí, si a la presión interna le descontamos la tensión que soporta el material elástico del globo si que obtenemos el valor de la presión externa, es decir, la atmosférica.

    Por tanto, si pinchas el globo, será el gas de dentro el que salga fuera y no el aire de fuera entrará en el globo.

    Un saludo.
    No es oro todo lo que reluce

  6. #6
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    Re: El globo de Helio que asciende

    Cita Iniciado por Koko
    No estoy de acuerdo en que en el interior del globo haya la misma presión que fuera del globo, ya que el globo está a más presión interna que la atmosférica. Si las presiones en el interior y en el exterior fueran iguales, no habria que hacerle nudo a los globos para que no se salga el gas de dentro, no?
    Ya lo rectifiqué, disculpa

    "Love is a matter of chemistry, but Sex is a matter of physics."

  7. #7
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    El globo de Helio que asciende

    Si el resultado de mi grado de comprensión menos mi grado de ignorancia no me juega una mala pasada, deduzco entonces según lo que me habéis comentado las siguientes conclusiones:
    • - La presión dentro del globo es superior a la presión atmosférica exterior en todo instante de la ascensión del globo.

      - La ascensión del globo es debida únicamente a que la fuerza de empuje que el aire atmosférico infringe al globo es superior al peso del globo (plástico + columna de gas Helio dentro del plástico) y esto hará que el globo tienda a elevarse de manera indefinida.

      - El globo ascenderá hasta una altura tal en la que el gas Helio, al estar sometido a una presión menor, se expandirá hasta hacer estallar el globo por superar la fuerza de dilatación la tensión de rotura del plástico.

      - Existe una tendencia del gas Helio a salirse por el nudo de la boquilla del globo, de tal manera que si llenamos el globo de Helio, lo cerramos y lo soltamos en una habitación de nuestra casa, al cabo de un par de días el globo se irá desinflando y finalmente caerá al suelo cuando el volumen de gas Helio en su interior alcance un valor tan bajo que reduzca la fuerza del empuje por debajo del peso propio del globo (plástico + gas Helio restante en su interior).


    Ante cualquier aberración cometida, pido humildemente la correspondiente corrección.

    Se me ocurre otra cuestión al respecto: en caso de que no estuviese equivocado en mis deducciones sobre el efecto de la ascenión del globo y suponiendo que el material del globo sea irrompible, ¿hasta qué punto de la atmósfera terrestre podrá subir el globo?, es decir ¿qué condiciones de aire atmosférico deberán de darse para que el globo deje de ascender?

    Gracias a todos y un saludo.

  8. #8
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    El globo de Helio que asciende

    Ahora mismo no se me ocurre otro posible detalle. Asi que de primeras dire que... el globo podra seguir subiendo hasta que llegue a una zona practicamente ingravida. Donde dejara de hacer efecto el ppio de Arquimedes. Con las decrecientes temperaturas el gas tendera a comprimirse y disminuir su presion.

    "Get out of my way, or I'll pee right through ya!"   Richard Feynman

  9. #9
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    El globo de Helio que asciende

    Hola, bueno, en lo referente a la ascensión del globo, podemos estudiar 2 casos extremos. Nos será de utilidad esta tabla que he encontrado en internet:

    Altura (m) Presión (mb) Densidad (g/l) Temperatura (ºC)
    0------------- 1013 --------- 1,226---------- 20
    1.000------- 898,6 --------- 1,112---------- 8,5
    2.000 ---------794,8 --------- 1,007---------- 2
    3.000---------700,9--------- 0,910 ---------- -4,5
    4.000---------616,2 --------- 0,820 ---------- -11
    5.000 ---------540 --------- 0,736---------- -17,5
    10.000-------- 264,1--------- 0,413---------- -50
    15.000 ------- 20,3 --------- 0,194---------- -56,5

    Caso 1: El globo está hecho de un material 100% deformable.

    Esto implica que en todo momento en el ascenso, la presión interior del helio es igual a la presión exterior del aire (presión atmosférica a cada cota o estrato).

    Si consideramos el globo con helio a una presión interna inicial igual a la del aire exterior (1 atm), la densidad de helio (gas ideal) que hay dentro del globo cuando lo tiene un niño atado al dedo en la feria es:



    Bien, como la densidad del helio (0,33g/l) es menor que la del aire (1,226g/l) en el momento inicial, el globo empezará a ascender, enfriándose el helio del globo progresivamente a la temperatura del aire de la atmósfera a esa altura. Para ello supongamos que el material del globo es muy buen conductor y el helio interior adquiere casi instantaneamente la temperatura del aire atmosférico exterior.

    El globo ascenderá hasta que la densidad del helio se iguale a la densidad del aire a esa altura de la atmósfera (despreciemos el peso propio del material elástico del globo). Mientras se produce el ascenso, al enfriarse el helio, el globo se inchará para igualar presiones con el exterior. Hagamos una tablita similar a la que hicimos para el aire, pero esta vez para el helio:

    Altura (m) Presión (mb) Densidad (g/l) Temperatura (ºC)
    0------------- 1013------- 0,33------------- 20
    1.000 ------- 898,6------- 0,31------------- 8,5
    2.000------- 794,8------- 0,28------------- 2
    3.000 ------- 700,9------- 0,25------------- -4,5
    4.000 ------- 616,2------- 0,23-------------- -11
    5.000 ------- 540 ------- 0,20-------------- -17,5
    10.000------- 264,1------- 0,11------------- -50
    15.000------- 120,3 ------- 0,05------------- -56,5

    Se puede observar que en cada uno de los estratos de la atmósfera, el helio siempre tendrá menor densidad que el aire, por lo que siempre seguiría ascendiendo.

    Caso 2: El globo está hecho de material 100% rígido e indeformable.

    Esto implica que el volúmen del globo será siempre el mismo, por lo que si no hay escapes de helio en el globo, la densidad de helio también se mantendrá constante en el ascenso y su valor será 0,33g/l, como ya calculamos anteriormente. Es decir, el helio bajará su presión durante el ascenso, pero como las paredes del globo son rígidas estas aguantarán sin deformarse la presión interior del globo que será mayor a la exterior, y así la densidad será siempre igual a la densidad inicial.

    Según esto, cuando lleguemos en el ascenso a un estrato de la atmósfera en el que el aire tenga una densidad de 0,33g/l, el globo se parará, ya que se encontrará en equilibrio. Si miramos la primera tabla que pusimos para el aire, se puede ver que la altura a la cual la densidad del aire es de 0,33g/l está entre los 10.000 y 15.000m. Por lo que ahí estará la altura a la que se parará el globo si sus paredes son rígidas.

    Bien, ya tenemos los dos casos extremos, pared rigida y pared deformable, pero nuestro globo será de una pared elástica intermedia entre ambos extremos, aunque podemos considerar y que si llenamos inicialmente el globo de helio hasta que las paredes de este se quedan tirantes, cuando este empiece a ascender, no tendrá mucho margen de deformación de sus paredes y reventará por exceso de tensión. Así pues, yo opto por tomar como más "real" el caso en el que hemos considerardo las paredes del globo como rígidas.

    Bien, tomando como bueno ese caso, tenemos que el globo se pararía entre los 10.000 y 15.000m de altitud, pero como el material elástico del globo también tiene algo de peso, puede que se pare un poco antes, por lo que finalmente me arriego a decir que el globo se parará muy cerca de los 10.000m de altitud.

    Bueno, pues esa es mi visión del problema, aunque acepto críticas.

    Saludos.
    No es oro todo lo que reluce

  10. #10
    Junior Member
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    06 ene, 06
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    El globo de Helio que asciende

    Bastante buena la explicación, Koko. Sólo una pequeña duda sobre la ecuación de los gases: ¿por qué pones en la masa el valor numérico de 8 y no de 4? ¿debe considerarse como molécula? Perdonad si la pregunta es tonta, pero es que hace muchísimos años que no veo nada de esto y mi cabeza tampoco carbura ya como antes.

    Un saludo.

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