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天燈是怎麼升空的

鬼月到了,一連串普渡的習俗也隨之展開,重頭戲之一,就是放天燈。天燈的由來可以追溯到三國時代的諸葛孔明,而天燈升空背後的科學原理,則來自於古希臘時代的科學家,阿基米德的「阿基米德浮力原理」:物體在液體中所受到的浮力和它所排出的液重相等;而決定其沈或浮的關鍵,則在密度。物體的密度比液體大的就下沈,物體的密度比液體小的就上浮。這樣的發現,讓人們首次注意到密度的重要。
 
 
鬼月到了,一連串普渡的習俗也隨之展開,重頭戲之一,就是放天燈。天燈的由來可以追溯到三國時代的諸葛孔明,而天燈升空背後的科學原理,則來自於古希臘時代的科學家,阿基米德。

如果各位常看電影,一定會看到那個投石器,那是槓桿運用的一種。那個投石器呢,據說,就是阿基米德發明的。

除了發現槓桿原理的利用之外,阿基米德另一個重要成就,就是浮力原理。所謂的「阿基米德浮力原理」指的是「物體在液體中所受到的浮力和它所排出的液重相等;而決定其沈或浮的關鍵,則在密度。物體的密度比液體大的就下沈,物體的密度比液體小的就上浮。」這樣的發現,讓人們首次注意到密度的重要。

任何一種物質,其實它都有一個特定的密度。水有水的密度,空氣有空氣的密度,那阿基米德這個浮力的原理,基本上告訴我們一個方法來測量所有的物質的密度。

回過頭來討論天燈升空的例子。和阿基米德的液體實驗不同,這次的主角,是氣體。在尚未加熱前,天燈裡的空氣和外面的大氣完全一樣。加熱之後,天燈裡的空氣受熱膨脹,很快的,天燈就裝不下這麼多膨脹的空氣分子。多餘的空氣分子於是跑出天燈外,質量減少。密度等於質量除以體積,體積不變,質量減小,天燈裡的空氣密度便跟著變小,天燈也就因此冉冉升空。體積小的天燈大概得加熱個幾分鐘就能產生浮力,可以載人的熱氣球,需要的時間就更多,但兩者同樣都是利用加熱,來使得內部空氣密度變的比外部的空氣密度小。至於同樣能升空的氦氣氣球,跟天燈則有異曲同工之妙。

氦氣(單分子氣體)本身,它的分子,它原子的質量,就比空氣來得小,所以呢,上升的浮力跟氦氣的重量來比,浮力比較大,所以氦氣的氣球就會往上升。

不管是祈福的天燈,還是象徵喜樂和平的氣球,除了感性的意義之外,背後更有其精準的科學原理。從另一個角度看民間習俗,也多了一種樂趣。

2007年東森電視台《科學大解碼》第一期
 
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原標題:天燈靠啥飛?
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阿基米德(9)密度(10)氦氣(1)浮力原理(1)
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