¿Por qué es más difícil volar un globo largo que uno redondo?

Es más difícil hacer explotar un globo largo que uno redondo porque los globos largos tienen un diámetro mucho menor que sus hermanos redondos. Cuando comienzas a inflar un globo, se necesita un poco más de tres veces la presión en un globo largo para que el esfuerzo del aro sea igual al estrés de una piel de globo redonda.

Para entender por qué es así, hagamos tres cortes imaginarios en nuestros globos y observemos las fuerzas en juego, tratando los globos como recipientes a presión de paredes delgadas. Por simplicidad, ignoraré los detalles de la forma y trataré un globo redondo como una esfera perfecta, y el globo largo como un segmento cilíndrico con extremos esféricos.


En cada sección, tenemos presión de aire que actúa sobre el área de la sección transversal, y esto se equilibra con un tirón de la piel del globo. En estas ecuaciones haré la suposición (bastante segura) de que el grosor de la pared del globo es similar para ambos estilos de globo, un grosor de [matemática] t [/ matemática].

Sección 1

La presión aquí se aplica sobre un área de un círculo, y la resistencia se proporciona a través del área de la superficie de nuestro corte; La circunferencia del círculo multiplicada por el grosor de la pared del globo. Podemos decir que las fuerzas están en equilibrio, porque el globo no se está expandiendo o contrayendo, por lo tanto:
[matemáticas] P \ left (\ pi r_ {round} ^ 2 \ right) = \ left (2 \ pi r_ {round} t \ right) \ sigma _ {round} [/ math]
[matemáticas] \ sigma _ {ronda} = \ frac {P r_ {ronda}} {2t} [/ matemáticas]

Puedes imaginar que cortar el globo en cualquier circunferencia nos daría las mismas fuerzas. El estrés en la piel de un recipiente a presión esférico es constante en todas las direcciones, y esto es todo.

Sección 2

Un globo largo, por otro lado, tiene dos tensiones: una tensión longitudinal a lo largo del globo y una ‘tensión de aro’ perpendicular a la tensión longitudinal, a lo largo de la circunferencia del cilindro. La sección 2 examina el esfuerzo longitudinal.

Esta es efectivamente la misma situación que la Sección 1, pero nuestro radio es diferente, y también lo es el estrés.
[matemática] P \ left (\ pi r_ {long} ^ 2 \ right) = \ left (2 \ pi r_ {long} t \ right) \ sigma _ {longitudinal} [/ math]
[matemáticas] \ sigma _ {longitudinal} = \ frac {P r_ {largo}} {2t} [/ matemáticas]

Seccion 3
Esta sección tiene como objetivo encontrar el estrés del aro en el globo. Para una longitud arbitraria de una sección, tenemos un área rectangular de sección transversal sobre la cual está presionando la presión del globo. La tensión del aro resiste a lo largo de los cortes longitudinales. Aquí, nuestro saldo es:
[matemáticas] P \ left (2 r_ {long} l_ {section} \ right) = \ left (2 l_ {section} t \ right) \ sigma _ {hoop} [/ math]
[matemáticas] \ sigma _ {aro} = \ frac {P r_ {largo}} {t} [/ matemáticas]

La longitud de la sección es de hecho arbitraria, ya que se cancela desde ambos lados de la ecuación. Podemos ver que la tensión del aro es dos veces mayor que la tensión longitudinal en el globo largo.

¿Cuánto más difícil es inflar un globo largo?
Digamos que no hemos empezado a resoplar y resoplar, y solo hemos inflado los globos lo suficiente como para que adquieran su forma tridimensional. Con una estimación aproximada de que el globo redondo tiene aproximadamente 6 cm de diámetro y el globo largo tiene 8 mm de diámetro (la longitud no importa, como vimos anteriormente), encontramos que:
[matemática] \ sigma _ {ronda} = \ frac {P (30 mm)} {2t} = 15 \ frac {P} {t} [/ matemática]
[matemática] \ sigma _ {longitudinal} = \ frac {P (4 mm)} {2t} = 2 \ frac {P} {t} [/ matemática]
[matemáticas] \ sigma _ {aro} = \ frac {P (4mm)} {t} = 4 \ frac {P} {t} [/ matemáticas]

¡Ahora puedes ver por qué es tan difícil hacer funcionar esos globos largos! Dada la misma presión y grosor, hay un esfuerzo mucho mayor (y por lo tanto más deformación, ya que ambos están hechos del mismo material) en nuestro globo redondo. Del mismo modo, el efecto del radio en estas ecuaciones muestra por qué los globos redondos pequeños también son difíciles de inflar.

Si ya se ha inflado una vez, la pared de un globo se ha vuelto mucho más delgada (gracias a la proporción de caucho de Poisson) y se ha deformado plásticamente, es decir, se ha estirado de manera permanente. Reinflar el globo será mucho más fácil. Puede hacer algo de este estiramiento con las manos antes de probar los pulmones.

Desafortunadamente no tengo un buen análisis basado en la física de cómo hacer mejores animales con globos.

La respuesta corta es que aplicas la misma presión de tus pulmones en ambos, pero el globo redondo tiene más superficie, por lo que integra más fuerza como f = p * s. Eso lleva al hecho de que con la presión que tienes que poner para comenzar a inflar el cilíndrico, el globo redondo habría comenzado mucho antes y con mucha facilidad.

Entonces la respuesta correcta es: ‘ porque los globos largos tienen una superficie mucho más pequeña ‘ …

De la misma manera, un globo cilíndrico es difícil de comenzar, pero una vez que se inicia, es bastante fácil ya que se ha vuelto esférico (más o menos) y tiene más superficie para ejercer presión.

Ahora la respuesta larga:
Ori Barbut me desafió en un canal privado en su fórmula que muestra una relación entre el efecto investigado y un radio, una dimensión espacial para el primer grado, mientras que mi intuición representa una relación con una matriz: una dimensión espacial en el poder dos .

Si bien el cálculo fue complejo, ambas afirmaciones son semanales:
¿un radio o matriz más grande en relación con qué ?

He decidido volver a calcular con un modelo más simple y preciso y dar una interpretación completa de los resultados.

Entonces, hagamos algo de ciencia:

1. Balance:

Lo que mantiene el sistema en equilibrio son la presión interna / externa y el material que hace el globo. Teniendo en cuenta que la presión es un vector, siempre podemos trabajar con la diferencia entre la presión externa y la interna, y trabajar con la diferencia como si fuera un globo al vacío, por lo que por ahora podemos ignorar la presión externa en estas premisas.

La mejor manera de evaluar el equilibrio es en términos de energía, y aunque la otra respuesta es interesante, solo conduce a la conocida ecuación general de gases:


Donde W es la energía del gas, p es su presión y V es el volumen.
Esta energía W debe estar en equilibrio con la restricción del material del globo, y esta restricción en términos de energía es proporcional a la cantidad de material que debe contener el gas en su interior:


Donde A es la matriz del globo y K es una constante que incluye el grosor de la lámina.

No estamos interesados ​​en la dinámica de inflar el globo: sea cual sea el globo elástico o rígido, solo queremos saber qué presión necesitamos para comenzar a cambiar la forma del globo, ya sea que se infla o se rompe. De hecho, después de que comienza el proceso de inflado, ocurre una catástrofe (ver Teoría de catástrofes) y el globo necesita cada vez menos energía para inflarse o romperse. Notaremos esa presión con P y podemos deducir:


Donde he roto la constante K en algo k multiplicado por el
espesor t de la superficie. En este momento, la fórmula muestra dos factores: uno que es un factor no dimensional que depende de la forma (incluido el grosor) del globo, y otro que es una presión y podemos asimilar esto como la presión de romper el material (k.) Dado que consideramos un grosor uniforme para todos los experimentos, podemos continuar trabajando con K en lugar de k * t para mantener la notación simple.

De esta fórmula ya surge una conclusión : ¡la presión de rotura depende del material y de la forma del globo!

Sabiendo eso, podemos jugar con algunos modelos para ver cómo la presión de ruptura depende de diferentes formas.

2. Modelo 1

Para comparar una esfera con un cilindro necesitamos un modelo; para mantenerse cerca de la realidad y tener un modelo variable que pueda evolucionar de una esfera a un cilindro lo suficientemente largo, proponga la siguiente construcción:


Hay un cilindro de radio r y longitud r, limitado por una esfera cortada en dos mitades de radio también r.


Ambas fórmulas son muy útiles: se refieren al área o volumen de la esfera pero se multiplican con un factor de alteración que depende del parámetro x; cuando x = 0 tenemos una esfera simple …

Ahora veamos cuál es la presión de ruptura para esta familia de formas:

Donde y es un factor no dimensional, y dado que t (espesor) yr (radio del cilindro) son algunas constantes, podemos trazarlo:


Aunque hay interpretaciones disponibles con lo que sucede cuando x es menor que 0, -1 y -2, estamos interesados ​​en valores para y podemos observar fácilmente que para x = 0, cuando el contenedor es en realidad una esfera, P = k * y – la presión de ruptura tiene un máximo, a medida que la esfera se hace más y más larga, hacia el infinito cuando las tapas ya no cuentan, la presión de ruptura disminuye, como a la mitad, es decir, para romper un cilindro largo necesitamos un poco más de la mitad de presión que la presión para romper una esfera .

3. NASA

En esta imagen de:

http://www.google.com/imgres?img

Podemos ver que la NASA ha esperado mucho espacio al construir contenedores esféricos para helio y oxígeno. También hay recipientes semicilíndricos, pero son para combustible y oxidante (no estoy seguro de qué son exactamente, pero) supongo que son líquidos, por lo que las fórmulas anteriores no se aplican (una vez que un gas se vuelve líquido, su presión superficial reemplaza a la mayoría de la restricción del contenedor.)

Para convencerte de lo importante que era el espacio y la forma para la Agencia Espacial, te contaré esta historia: para compensar la baja gravedad de la Luna, partes del vestuario de los astronautas tuvieron que duplicarse con materiales pesados.
El plomo no era lo suficientemente pesado; el platino era, pero era demasiado caro; Sin embargo, el oro era justo. A pesar del alto precio del oro, era barato levantarlo hasta
la Luna 20 kg de este metal precioso para cada disfraz, pero no era barato
suficiente para traerlo de vuelta. ¡El lastre amarillo todavía espera hoy en la Luna!

4. La historia del juguete o el modelo 2

Entonces, ¿por qué sabemos que un globo largo es más difícil de inflar?

Sin tener en cuenta los globos de los payasos, abriendo una bolsa de globos mixtos de Dollar Store, podemos observar que tanto los globos redondos como los cilíndricos tienen casi la misma longitud.

En este modelo, la longitud total del globo debe ser constante como l = 2 * R.

Según este gráfico, necesitamos menos presión para inflar un globo redondo que el que necesitamos para un globo cilíndrico con una longitud comparable a este diámetro. A medida que disminuye el radio del cilindro, necesitamos más y más presión para comenzar a inflar el cilindro hasta que se degenere en un cable y necesite una presión infinita. Sin embargo, la dependencia no está en el radio ( r ), ni en la matriz ( r2 ), sino en una combinación de ambos.

La relación del área superficial al volumen de un globo largo es mayor que la de un globo redondo. Por lo tanto, cada golpe tendrá que estirar más del globo que si tuviera una esfera.

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