Question

怎样才能使气球不自爆

怎样才能使气球不自爆

Answer 1

最近风靡网络的网红气球吸引了足够的眼球，这种低成本的透明气球配上各色LED灯，在晚上的观赏效果还是不错的，也有媒体对网红气球的安全性发出了质疑。从原理上讲，所谓的网红气球和普通的乳胶气球没有太大区别，只要是充填的氦气，那就安全的，需要注意的是，从肉眼很难判断充填的浮升气体是氦气还是氢气，不排除无良商家为了追求利润充入氢气的情况，而且我相信很常见，因为平常街上买的大多数玩具气球都是充的氢气。只能是查证一下商家的充气设备，看看有没有氦气的标识了。

本文排除了氢气燃爆的因素，假设充的是氦气，那怎么才能让气球不易爆炸呢？本文参与了中科院第三届科普创新大赛，如果您喜欢，请点击链接，给第四个作品投票，支持一下我们的团队，谢谢。

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实验原理

在我们吹气球的时候可以观察到气球会随着我们不断的吹气而变得鼓起来。这个时候，气球内的气体体积增大，球内压强增大，同时气球表面张力随着体积增大而变大。大气之中的压强通常可视为100kPa，由于气球内外界气压差和气球张力的平衡，气球也就会变得越来越大。

如果用力过多，吹气过足会使得气球过度鼓起直至炸裂。事实上，气球充满气体膨胀后,气球表面的橡胶分子相互远离，它们随着时间的推移或者施加外力使分子相互作用力减少，导致局部变薄破裂。

当我们使用一根针将气球的膜刺破后,气球内和外界气压相差悬虚,球内气体大量外涌,造成气体湍流,也就是爆炸声。另外，由于气球膜内外各处在压力急剧变化中,在压力相差比较大的地方会出现气球膜的撕裂。

巴黎第七大学的科学家们日前对气球的炸开方式进行了分析，透过高速摄像机的慢镜头他们发现气球其实有两种炸法。一种是气球表面从一侧破开成一整张橡胶外皮；一种是其表面燃帆整个呈鱼骨状碎裂，最后变成许多碎片。气球的炸裂方式和其内部气体对表面造成的压力有关。在低压条件下，只会有一个裂缝形成，沿着被刺毕段仿破的点开始扩散；在高压条件下，多个裂缝呈辐射状以一个点为中心扩散开。具体爆裂情况参见视频中的动图部分。

我们听到的气球爆炸声就是由速度很快的气体摩擦而成的，以上这就是为什么针戳气球会爆炸。

那么日常生活中我们如何避免气球的爆炸呢？

气球爆炸是因为气球膜被撕裂，所以防止被戳爆的方法就是加固气球膜。在气球膜外面贴上一块透明胶布，使得气球表面膜层变得厚一些，让气球膜不那么容易迅速撕裂，也就不会那么容易爆炸了。

另外，通过对比织物气球的结构原理来进一步解释减弱气球爆炸的方法。生活中常见的宇航用布、降落伞、气球和轮胎用布等，都会用到织物结构，而这些情况下最典型的材料就是三向织物。三向织物就是指三根纱线（两根经向、一根纬向）以60°方向交织而成的织物。三向织物在三个方向受力是均等的，具有很高的顶破强力、优良的抗撕扯性和抗剪性。其结构示意图如下图所示：

综上，我们需要一个普通橡胶气球作为参照，一个粘贴透明胶的橡胶气球和一个小型织物实验气球作为实验对象。

二、实验步骤

1)选择两个材质相同的橡胶气球，将它们吹至同样大小，球体应尽量大些且不要涨破，用细线扎住口。

2)在不影响气球的形状且不施加额外压力的情况下给其中一个气球粘贴一块透明胶带，透明胶带面积不宜过小，以5*5cm为参考标准。

3)选择一个大小相近的三向织物气球，充入空气，加入的气体应尽量充满气球并将其表面撑起并用细线扎住口。由于织物气球越小，将其撑起所需要的压强就越大的多，所以织物气球充气不宜过多，以刚好撑起外形为宜。为了得到织物气球内部和大气之间的气压差，并证明其能够承受足够大的压力，需要在织物气球上安装压差传感器。【选做扩展实验】

4)在高速摄像机拍摄下依次扎破三个气球，佩戴好口罩和护目镜，为方便固定气球，用左手固定同时右手拿针刺破，观察气球膜是否爆裂。

三、实验结果及结论

实验结果：透明胶布确实可以让气球不爆裂。

我们可以看到，当针扎破气球之后，气球的膜并没有爆裂，手纤气体从气球中慢慢地被挤出来。这就是透明胶布加固的作用。而织物气球则难以扎破。

综上，我们可以得出结论：即加固气球表面就能让气球膜不那么容易迅速撕裂并借此防止爆炸。

生活中这样的加固的方法应用在很多方面，最常见的例子就是防爆轮胎。但是，防爆胎的加固是在轮胎内部而非像实验中那样在外表面加固。防爆轮胎之所以泄气后不会垮下，主要是因为加厚的橡胶侧壁，即使失去气压，侧壁也能够支撑车辆的重量，不会导致严重的变形，因此轮胎爆胎后并不会严重影响车辆的行驶，甚至车主有可能感觉不到。

【扩展实验相关知识】

系留气球是使用缆绳将其拴在地面绞车上并可控制其在大气中飘浮高度的气球。升空高度4km以下，主要应用于大气边界层探测，应急通信，预警监视等。系留气球是一种依靠气囊内的浮升气体获得浮力，并用缆索拴系周定的浮空器。借助于系留缆索、气动升力和剩余浮力，可以在空中特定范围内实现定高度、长时间驻留。

囊体作为系留气球的主要结构，承受着系留气球上的所有载荷，要具有一定的抗风能力，特别是在突风的冲击，要有足够的强度。在各种载荷作用的条件下，具有承受环向应力、剪切应力的能力；有时还要满足承受撕裂力的要求，对悬挂系统来说还要考虑其他的附加应力。中国科学院光电研究院气球中心曾经做过关于系留气球囊体的实弹射击测试，使用步枪射击系留气球的囊体，依然无法使气球爆炸，仅仅只能留下小孔，甚至无法影响系留气球的正常飞行和工作。

四、注意事项

1.本实验参与对象建议为初中一年级及以上学生。

2.用透明胶粘贴的时候一定要注意不留缝隙，展平后再粘贴。

Answer 2

实验原理

在我们吹气球的时候可以观察到气球会随着我们不断的吹气而变得鼓起来。这个时候，气球内的气体体积增大，球内压强增大，同时气球表面张力随着体积增大而变大。大气之中的压强通常可视为100kPa，由于气球内外界气压差和气球张力的平衡，气球也就会变得越来越大。

如果用力过多，吹气过足会使得气球过度鼓起直至炸裂。事实上，气球充满气体膨胀后,气球表面的橡胶分子相互远离，它们随着时间的推移或者施加外力使分子相互作用力减少，导致局部变薄破裂。

当我们使用一根针将气球的膜刺破后,气球内和外界气压相差悬虚,球内气体大量外涌,造成气体湍流,也就是爆炸声。另外，由于气球膜内外各处在压力急剧变化中,在压力相差比较大的地方会出现气球膜的撕裂。

巴黎第七大学的科学家们日前对气球的炸开方式进行了分析，透过高速摄像机的慢镜头他们发现气球其实有两种炸法。一种是气球表面从一侧破开成一整张橡胶外皮；一种是其表面整个呈鱼骨状碎裂，最后变成许多碎片。气球的炸裂方式和其内部气体对表面造成的压力有关。在低压条件下，只会有一个裂缝形成，沿着被刺破的点开始扩散；在高压条件下，多个裂缝指带呈辐射状以一个点为中心扩散开。具体爆裂情况参见视频中的动图部分。

我们听到的气球爆炸声就是由速度很快的气体摩擦而成的，以上这就是为什么针戳气球会爆炸。

那么日常生活中我们如何避免气球的爆炸呢？

气球爆炸是因为气球膜被撕裂，所以防止被戳爆的方法就是加固气球膜。在气球膜外面贴上一块透明胶布，使得气球表面膜层变得厚一些，让气球膜不那么容易迅速撕裂，也就不会那么容易爆炸了。

另外，通过对比织物气球的结构原理来进一步解释减弱气球爆炸的方法。生活中常见的宇航用布、降落伞、气球和轮胎用布等，都会用到织物结构，而这些情况下最典型的材料就是三向织物。三向织物就是指三根纱线（两根经向、一根纬向）以60°方向交织而成的织物。三向织物在三个方向受力是均等的，具有很高的顶破强力、优良的抗撕扯性和抗剪性。其结构示意图如下图所示：

综上，我们需要一个普通橡胶气球作为参照，一个粘贴透明胶的橡胶气球和一个小型织物实验气球作为实验对象。

二、实验步骤

1)选择两个材质相同的橡胶气球，将它们吹至同样大小，球体应尽量大些且不要涨破，用细线扎住口。

2)在不影响气球的形状且不施加额外压力的情况下给其中一个气球粘贴一块透明胶带，透明胶带面积不宜过小，以5*5cm为参考标准。

3)选择一个大小相近的三向织物气球，充入空袭知气，加入的气体应尽量充满气球并将其表面撑起并用细线扎住口。由于织物气球越小，将其撑起所需要的压强就越大的多，所以织物气球充气不宜过多，以刚好撑起外形为宜。为了得到织物气球内部和大气之间的气压差，并证明其能拍逗消够承受足够大的压力，需要在织物气球上安装压差传感器。【选做扩展实验】

4)在高速摄像机拍摄下依次扎破三个气球，佩戴好口罩和护目镜，为方便固定气球，用左手固定同时右手拿针刺破，观察气球膜是否爆裂。

三、实验结果及结论

实验结果：透明胶布确实可以让气球不爆裂。

我们可以看到，当针扎破气球之后，气球的膜并没有爆裂，气体从气球中慢慢地被挤出来。这就是透明胶布加固的作用。而织物气球则难以扎破。

综上，我们可以得出结论：即加固气球表面就能让气球膜不那么容易迅速撕裂并借此防止爆炸。

生活中这样的加固的方法应用在很多方面，最常见的例子就是防爆轮胎。但是，防爆胎的加固是在轮胎内部而非像实验中那样在外表面加固。防爆轮胎之所以泄气后不会垮下，主要是因为加厚的橡胶侧壁，即使失去气压，侧壁也能够支撑车辆的重量，不会导致严重的变形，因此轮胎爆胎后并不会严重影响车辆的行驶，甚至车主有可能感觉不到。