بالونات الهيليوم لا ترتفع لأن الهيليوم خفيف

ترتفع البالونات لأن الهواء يدفعها إلى أعلى أكثر مما تجذبها الجاذبية إلى أسفل. وهذا ليس هو نفسه القول: «الهيليوم يصعد»، وهي العبارة المختصرة شبه الصحيحة التي تلقّى معظمنا إياها. وبحلول نهاية هذا النص، يفترض أن تكون قادرًا على النظر إلى أي شيء عائم وطرح السؤال الصحيح.

إليك الصيغة الدقيقة أولًا: لا يرتفع بالون الهيليوم إلا إذا كان وزن منظومة البالون كلها — المطاط أو الرقائق، والخيط، والغاز في داخله — أقل من وزن الهواء الذي يزيحه. وبعض بالونات الهيليوم تتهدل لهذا السبب بالضبط. فهي تحتوي على الهيليوم، نعم، لكن ليس فيها من قوة الرفع ما يكفي للتغلب على وزنها.

الجزء الذي يقوله الجميع على نحو صحيح — والجزء الذي يتسلل فيه الخطأ

ليس الناس مخطئين تمامًا حين يربطون الهيليوم بالارتفاع. فالهيليوم أقل كثافة من الهواء العادي، لذا فإن حجمًا معيّنًا من الهيليوم يزن أقل من الحجم نفسه من الهواء. وهذا مهم جدًا.

لكن كون ذلك «مهمًا جدًا» لا يعني أنه «هو ما يقوم بالرفع». فالغازات لا تأتي ومعها قوة صعود مدمجة. والهيليوم لا يشد البالون نحو السماء كأنه حبل صغير غير مرئي.

ولقوة الرفع اسم قديم: الطفو. وقد شرح أرخميدس هذا قبل أكثر من 2,000 عام بالنسبة إلى الأجسام في الماء، والقاعدة نفسها تنطبق على الهواء. وبعبارة بسيطة، فإن قوة الطفو الصاعدة المؤثرة في جسم ما تساوي وزن المائع الذي يزيحه.

ونعم، يُعَدّ الهواء مائعًا هنا. فهو ينساب، وله ضغط، ويمكنه أن يدفع.

المحيط الخفي الذي تقف فيه

هذا هو التحول الذهني الذي يحتاجه معظم الناس. فالبالون لا يرتفع في فراغ، بل يجلس داخل محيط من الهواء.

يكون ضغط الهواء أعلى في الأسفل وأقل في الأعلى، لأن الهواء القريب من الأرض تعلوه طبقات أكثر من الهواء. وهذا يعني أن أسفل البالون يتعرض لدفع أقوى قليلًا من أعلاه. وإذا جمعت فروق الضغط تلك على كامل السطح، حصلت على دفع صافٍ إلى أعلى.

ويعتمد هذا الدفع الصاعد أساسًا على الحجم، لا على اسم الغاز الموجود في الداخل. فإذا كان لدينا بالونان بالحجم نفسه، فإنهما يزيحان المقدار نفسه من الهواء المحيط. والهواء المحيط يدفعهما إلى أعلى بالمقدار نفسه.

والآن اختبر نفسك سريعًا. تخيل بالونين بالحجم نفسه: أحدهما مملوء بالهواء العادي، والآخر بالهيليوم. أيهما يزيح هواءً أكثر؟ المقدار نفسه. وأيهما يزن أقل في المجمل؟ بالون الهيليوم. ولهذا يميل أحدهما إلى الارتفاع، بينما لا يفعل الآخر ذلك.

إذًا، ما الذي يقوم بالدفع تحديدًا؟

ليس الهيليوم إلى أعلى. وليست الجاذبية وقد توقفت. بل الهواء المحيط هو الذي يدفع.

هذه هي المسألة كلها. الهواء يدفع إلى أعلى. والجاذبية تشد إلى أسفل. والوزن هو ما يحسم النتيجة.

وهنا تكمن الفكرة المفصلية: المقدار نفسه من الهواء المحيط سيدفع إلى أعلى بالونًا مساوياً في الحجم مهما كان الغاز بداخله. وتكمن أهمية الهيليوم في أنه يخفض الوزن الكلي لمنظومة البالون مع الغاز، لا في أنه يولّد قوة صعود خاصة به.

ولهذا فإن عبارة «ترتفع بالونات الهيليوم لأن الهيليوم خفيف» عبارة غير دقيقة. والأدق أن نقول: «ترتفع بالونات الهيليوم لأن طفو الهواء يدفعها إلى أعلى، ولأن الهيليوم يساعد على إبقاء الوزن الكلي منخفضًا بما يكفي لكي يغلب هذا الدفع.»

لماذا تظل بعض بالونات الهيليوم متدلية بحزن؟

لقد رأيت هذا في متجر مستلزمات الحفلات أو في صباح اليوم التالي لعيد ميلاد. فقد يكون البالون مليئًا بالهيليوم ومع ذلك لا يطفو. وهذه ليست ثغرة، بل هي القاعدة وهي تعمل كما ينبغي.

لبالون الرقائق وزن. وللغلاف المطاطي أو البلاستيكي وزن. وللشريط وزن. وحتى الهيليوم في داخله له وزن أيضًا — لكنه أقل من وزن الحجم نفسه من الهواء. فإذا كان المجموع النهائي أثقل من الهواء المُزاح، هبط البالون.

ولهذا أيضًا كثيرًا ما يطفو بالون الهيليوم الكبير على نحو أفضل من الصغير جدًا. فكلما ازداد حجم البالون، ازداد حجمه الداخلي — ومن ثم مقدار الهواء الذي يزيحه — بسرعة، في حين إن بعض جوانب وزن مادته لا تنمو بالطريقة نفسها. والمزيد من الهواء المُزاح يعني دفعًا طافيًا أكبر.

ثلاثة أشياء تطفو، وقاعدة واحدة

تمهّل هنا، لأن الفكرة تصبح قابلة للتطبيق في كل مكان عند هذه النقطة.

خذ بالون هيليوم. إنه يطفو في الهواء لأنه يزيح مقدارًا من الهواء أثقل من منظومة البالون كلها. وقوة الطفو الصاعدة تأتي من الهواء. أما الهيليوم فيغيّر جانب الوزن.

وخُذ منطاد الهواء الساخن. المبدأ نفسه، لكن بحيلة مختلفة. فالموقد يسخّن الهواء في الداخل، فيتمدد ويصبح أقل كثافة من الهواء الخارجي الأبرد. ويزيح المنطاد الهواء الخارجي، ويتلقى النوع نفسه من قوة الطفو، ويرتفع إذا كانت المركبة كلها خفيفة بما يكفي.

والآن خذ سفينة فولاذية. الفولاذ أكثف من الماء، لذلك لو ألقيت كتلة فولاذية مصمتة في البحر فإنها ستغرق. لكن السفينة في معظمها فراغ يغلّفه الفولاذ، لذلك فإنها تزيح حجمًا كبيرًا من الماء. وإذا ظلت الكثافة المتوسطة للسفينة أقل من كثافة الماء الذي تزيحه، انتصر الطفو.

إنها القاعدة نفسها، مع ثلاث مواد ومائعين. وحين ترى ذلك، تتوقف البالونات عن كونها مجرد حالة لطيفة خاصة، وتصبح أسهل مثال لديك على الطفو.

لكن انتظر — أليس الهيليوم المنطلق يرتفع من تلقاء نفسه؟

بلى، وهنا يخلط الناس بين أمرين مختلفين. فإذا أطلقت الهيليوم في الهواء، فإنه يميل فعلًا إلى التحرك إلى أعلى والانتشار لأنه أقل كثافة من الهواء المحيط. وهذا يتعلق بكيفية اختلاط الغازات وترتبها تحت تأثير الجاذبية.

أما البالون المغلق فمسألة مختلفة. فأنت هنا لا تسأل عمّا تفعله سحابة غاز حرة. بل تسأل: ما القوة التي تؤثر في الجسم كله: الغلاف مع الغاز ومع أي شيء متصل به.

وبالنسبة إلى هذا الجسم كله، فالمقارنة الأساسية بسيطة: كم مقدار الهواء الذي يزيحه، وكم يبلغ وزن الشيء كله؟ هذه هي المقارنة التي يمنحك إياها أرخميدس. وصعود الهيليوم الحر إلى أعلى لا يعني أن الهيليوم داخل البالون يدفع من الداخل كما لو كان محركًا صغيرًا.

القاعدة التي يمكنك الاحتفاظ بها فعلًا

إذا بدا لك أن شيئًا ما يطفو في الهواء أو الماء، فتوقف عن قول: «إنه يريد أن يصعد». واسأل سؤالين أفضل: ما المائع الذي يزيحه؟ وهل يزن الجسم كله أكثر أم أقل من ذلك المائع المُزاح؟

طبّق هذه القاعدة على البالونات، ومناطيد الهواء الساخن، والسفن، وحتى على قطعة خشب في حوض غسيل. وستقودك سريعًا إلى الإجابة الصحيحة: ليست المسألة أن ما في الداخل «يريد» أن يرتفع، بل ما إذا كان المائع المحيط يدفع إلى أعلى بقوة أكبر مما تشد الجاذبية إلى أسفل.