Kada naduvani balon počne da gubi vazduh, deluje kao da se samo smanjuje njegova veličina. Međutim, promena nije ograničena na oblik gume ili lateksa. Izlaskom vazduha menjaju se pritisak unutar balona, njegova zapremina, oblik i sila kojom rastegnuti materijal deluje na okolinu. Zbog toga balon ne može dugo da zadrži isti oblik kada se unutrašnji gas postepeno oslobađa. Da bi se razumelo zašto počinje da pada i gubi zategnutost, potrebno je posmatrati šta se događa sa vazduhom i materijalom istovremeno.
Vazduh unutar balona stvara pritisak
Kada se balon naduva, u njegovu unutrašnjost ulazi mnogo više molekula vazduha nego što ih je bilo pre naduvavanja. Oni se neprekidno kreću i sudaraju sa unutrašnjom stranom materijala.
Ti brojni sudari stvaraju pritisak koji pokušava da raširi balon. Lateks ili drugi elastični materijal tome se suprotstavlja. Zid balona se rasteže i razvija sopstvenu elastičnu silu koja vuče materijal nazad. Oblik balona nastaje kao rezultat ravnoteže između pritiska vazduha iznutra i napetosti rastegnutog materijala.
Zato naduvan balon nije jednostavno gumena opna ispunjena vazduhom. Njegov oblik zavisi od odnosa unutrašnjeg pritiska, elastičnosti materijala i spoljašnjeg atmosferskog pritiska. Dok je ta ravnoteža stabilna, balon može da zadrži približno isti oblik. Kada se otvor balona oslobodi, molekuli vazduha počinju da izlaze jer je pritisak unutra viši nego neposredno izvan otvora. Time počinje lanac promena koji se završava skupljanjem balona.
Šta se događa kada vazduh počne da izlazi
Kako vazduh napušta balon, smanjuje se broj molekula unutar njegove zapremine. U početku balon još može zadržavati deo prvobitnog oblika, ali unutrašnji pritisak postepeno opada. Razlika između pritiska unutra i atmosferskog pritiska spolja postaje sve manja.
Sa padom unutrašnjeg pritiska slabi i sposobnost balona da održava rastegnutu opnu. Materijal počinje da se skuplja, a zapremina balona se smanjuje. Istovremeno, otvoreni kraj omogućava dalji izlazak vazduha, pa se proces nastavlja.
Promena zato nije samo gubitak sadržaja. Menja se i mehanička ravnoteža celog sistema. Balon više nema iste uslove koji su ga držali zategnutim, pa njegova površina postaje naborana, mekša i sve manje sposobna da zadrži prvobitnu formu.
Zašto balon menja oblik i počinje da pada
Dok je balon veoma naduvan, rastegnuti materijal ima oblik koji omogućava da se unutrašnji pritisak ravnomerno suprotstavlja njegovoj težini i deformaciji. Kada se zapremina smanji, materijal više nije jednako zategnut i balon postaje mekši. Težina samog lateksa, kao i čvora ili predmeta koji je eventualno pričvršćen za njega, tada lakše menja njegov položaj. Ako je balon prethodno bio podignut zato što je ispunjen helijumom, dodatno se menja i odnos uzgona i ukupne težine.
Kod helijumskog balona posebno je važna zapremina. Uzgonska sila zavisi od količine vazduha koju balon istiskuje, odnosno od njegove spoljašnje zapremine. Kada balon gubi gas i smanjuje se, istiskuje manje okolnog vazduha, pa uzgon opada. Kada uzgon više nije dovoljan da nadoknadi težinu balona i svega što nosi, on počinje da se spušta. Zato kod takvog balona pad nije posledica samo toga što je unutra manje helijuma, već i toga što je smanjen njegov volumen i samim tim uzgon.
Zašto se balon pri kraju brzo smežura
Kako se balon približava stanju u kojem više nije snažno rastegnut, odnos između pritiska i elastičnosti postaje drugačiji. Mala dodatna količina vazduha koja izađe može izazvati primetnu promenu oblika jer materijal više nema dovoljno napetosti da održava glatku površinu.
Nabori se pojavljuju zato što opna više nije ravnomerno zategnuta. Umesto glatke površine koja prati oblik naduvanog balona, materijal počinje da se savija i skuplja. Taj proces može izgledati naglo iako vazduh izlazi postepeno.
Brzina pražnjenja zavisi od veličine otvora, pritiska unutar balona i karakteristika materijala. Što je otvor veći, vazduh može brže da izlazi. Zbog toga balon koji se naglo odveže može za nekoliko sekundi promeniti oblik, dok veoma mali otvor omogućava sporije pražnjenje.
Šta se zapravo promenilo u balonu
Najvažnija promena je smanjenje količine gasa, ali sa njim dolaze i promene pritiska, zapremine i napetosti materijala. Sve četiri pojave povezane su i ne mogu se posmatrati potpuno odvojeno.
Kada jedna promeni ravnotežu, ostale reaguju. Kod običnog balona punjenog vazduhom, izlazak gasa prvenstveno dovodi do smanjenja pritiska i skupljanja opne.
Kod balona sa helijumom postoji dodatna posledica: smanjenje zapremine smanjuje uzgon, pa balon može preći iz stanja u kojem se podiže u stanje u kojem se spušta. Zato trenutak kada balon počinje da pada nije samo znak da je „ostao bez vazduha“.
To je vidljiv rezultat promene čitave ravnoteže sila. Manje gasa znači manji unutrašnji pritisak i, kod letećeg balona, manju zapreminu koja određuje uzgon. Na jednostavnom primeru balona može se videti kako se pritisak, zapremina, elastičnost i uzgon povezuju u jednom fizičkom sistemu. Ono što izgleda kao obično izduvavanje zapravo je niz promena koje se odvijaju istovremeno.
