До кінця XIX в. аеростат вже не вважали ярмаркової дивиною, що служить для розваги натовпу. Більшість людей ставилося до нього як до цілком надійного засобу для здійснення польотів. Але чому він літає, яка сила змушує підніматися куля в небо, відповісти на ці та інші питання, пов'язані з повітроплаванням, могли лише деякі.
Найпростішим поясненням теорії повітроплавання може бути таке: тепле повітря легше холодного, тому він піднімається вгору, витісняється повітрям більш низької температури, який займає його місце. У науці цей процес називається конвекцією.
Конвекція (від латинського слова «convectio» - принесення, доставка) - переміщення макроскопічних частин середовища (газу, рідини), що приводить до переносу маси, теплоти та інших фізичних величин. Розрізняють природну (вільну) конвекцію, викликану неоднорідністю середовища, і вимушену конвекцію, викликану зовнішнім механічним впливом на середу. З конвекцією в атмосфері Землі пов'язане утворення хмар.
Після ряду дослідів, проведених з електрикою, виникло не менш оригінальне пояснення причин, за якими літальний апарат відривається від землі. Повітря наповнене електрикою - про це свідчать грози і блискавки. Якщо ж наповнити кулю «небоподобним» речовиною - димом, то станеться електризація, яка потягне кулю в небо.
Найбільш правдоподібне пояснення феномену повітроплавання можна зустріти в записах російського письменника Льва Миколайовича Толстого (1828-1910). На його думку, як тільки на дні каструлі з водою, що стоїть на вогні, «... збереться пар, трошки водяного газу, він зараз міхуром вискочить наверх. Спершу вискочить один міхур, потім інший, а як нагріється вся вода, то бульбашки вискакують не перестаючи ... Так само, як з води вискакують наверх бульбашки, тому що вони легше води, - так з повітря вискочить на самий верх міхур, надутий газом - воднем , або гарячим повітрям, тому що гарячий газ легше холодного повітря, а водень легше всіх газів ».
З точки зору сучасних вчених загадка польоту повітряної кулі пояснюється дещо інакше. Щільність і тиск - ось два параметра, що характеризують стан як повітря, так і рідини. На рівні моря щільність повітря приблизно дорівнює 1,3 кг / м3, а атмосферний тиск становить близько 100 кПа (приблизно 760 мм рт.ст.). Зі збільшенням висоти підйому щільність і тиск повітря різко зменшуються. У 40-60 км над поверхнею Землі щільність і тиск повітря зменшуються в сотні разів.
Атмосферний тиск - тиск атмосферного повітря на що знаходяться в ньому предмети і на земну поверхню. У кожній точці атмосфери атмосферний тиск дорівнює вазі вищерозміщеного стовпа повітря, тому зі збільшенням висоти воно убуває. Середнє атмосферний тиск на рівні моря еквівалентно тиску ртутного стовпа висотою в 760 мм, або 101,325 кПа.
«Будь-яке тіло, занурене в рідину, втрачає у своїй вазі стільки, скільки важить витіснена ним рідина» - говорить
Так пояснюється причина польотів повітряних апаратів, побудованих за принципом кулі-монгольф'єра Вони були виготовлені з легкого матеріалу - паперу, їх обсяг досягав декількох сотень кубічних метрів, і заповнювали такі кулі нагрітим повітрям. А як відомо, при нагріванні повітря розширюється і щільність його зменшується. Тому політ такого кулі закінчується після того, як повітря в ньому остигає.
Тепер спробуємо пояснити, за якими законами літає більш важкий куля - шарльєр. Оболонка такого кулі робиться з тонкого матеріалу і заповнюється газом легшим, ніж повітря (тобто з меншою щільністю), таким чином тиск зсередини і зовні кулі врівноважується. Зазвичай для наповнення куль-Шарль-рів використовують водень, а іноді і інший газ - гелій. Щільність водню в 14, а гелію в 7 разів менше щільності повітря при одних і тих же тиску і температурі.
Гелій - відноситься до благородних газів, без кольору і запаху, щільність 0,178 г / л. У невеликій кількості гелій міститься в повітрі і земній корі, де він постійно утворюється при розпаді урану та інших радіоактивних елементів. Значно більш поширений гелій у Всесвіті, наприклад на Сонце, де він вперше був відкритий (звідси назва: від грецького слова «helios» - Сонце). Отримують гелій з природних газів. Застосовують в кріогенної техніки, для створення інертних середовищ. У аеронавтики гелій застосовують для заповнення стратостатів, повітряних куль, дирижаблів.
Таким чином, для польоту повітряних кулях різної модифікації не потрібно розганяти, як літакам. Вони не злітають, а спливають в небо, подібно до того, як наповнений повітрям м'ячик спливає з водної глибини на поверхню.