Versuche mit Luftballons

Versuch 1: Rückstoßprinzip

Ein Luftballon wird aufgeblasen und anschließend losgelassen (Bild 1). Man beobachtet eine regellose Bewegung des Luftballons, wobei am Ende der Flugphase eine deutliche Geschwindigkeitszunahme auftritt. Erklärung: Im Inneren eines aufgeblasenen Luftballons bewegen sich die Luftmoleküle regellos mit unterschiedlichen Geschwindigkeitsbeträgen hin und her. Dabei prallen sie auch immer wieder gegen die Gummihaut und werden von dort reflektiert. Diese statistisch erfolgenden Stöße sind die Ursache für den Druck im Inneren des Luftballons, der dafür sorgt, dass der Luftballon seine Form behält. Oder noch etwas genauer ausgedrückt: Jedes Teilchen erfährt durch die Reflexion eine Impulsänderung

d p = pnach - pvor = 2 * p

(völlig elastischer Stoß vorausgesetzt; p ist die Impulskomponente senkrecht zur Aufprallfläche), die auf die Gummiwand übertragen wird. Mit Hilfe der Definition der Kraft

F = d p / d t

und der Definition des Drucks

p = Kraft F / Fläche A

läßt sich das Zustandekommen des Drucks im Luftballon erklären. Zu einer Bewegung des Luftballons kann der Aufprall der Luftmoleküle jedoch nicht führen, da die vektorielle Addition aller Impulsänderungen null ist. Gibt man jedoch die Öffnung des Luftballons frei, so schwirrt der Luftballon unkontrolliert durch den Raum. Die Ursache ist darin zu sehen, dass Luftmoleküle aus der Öffnung des Luftballons austreten und somit keine Impulsänderung erfahren. Insgesamt resultiert daraus eine auf den Luftballon übertragene Impulsänderung in entgegengesetzter Richtung.

Bild 1
Frei fliegender Luftballon