механизм подъема шарика с гелием с позиции мол.кинетики

[Svinks]

Здравствуйте, задумался о том почему шарик с гелием поднимается в верх. То, что из за разницы в плотности оно понятно, но вот решил представить это на уровне соударения молекул. Получается какая то каша. Шарик соударяется с молекулами воздуха и через резиновую мембранну передает энергию гелию, гелий соударяется в вверху с мембранной и придает ускорение. То есть выталкивающая сила должна идти снизу. Но ведь он же пока летит ударяется и с молекулами, что сверху? И теме что касаются его боковых частей! Так как же тогда он поднимается? Реактивное движение? Из за легкой утечки газа? Не понятно. Помогите разобраться пожалуйста!

[Pphantom]

Давайте начнем с такого простого вопроса. Пусть шарик с гелием находится в невесомости. Он будет подниматься вверх (в предположении, конечно, что мы знаем, что такое "вверх" )? Какой фактор в Вашей модели может обеспечить разницу в поведении шарика в этих двух случаях?

[Svinks]

В невесомости понятия сторон произвольны. Шарик находится в вакууме или в газовом сгустке?
Последнее предложение, я не понимаю вашего вопроса.
Вы намекаете на гравитацию? Все равно механизм на уровне молекул мне не понятен, даже если играет роль гравитация. Хотя разность плотностей и без нее приводил бы к перемещениюна переферию в среде. В вакууме шарик был в покое.

[Pphantom]

Svinks в сообщении #1012157 писал(а):

В невесомости понятия сторон произвольны.

Да.

Svinks в сообщении #1012157 писал(а):

Шарик находится в вакууме или в газовом сгустке?

Ну, пусть для определенности это будет орбитальная станция, вращающаяся вокруг Земли. Со стенками, естественно, внутри воздух.

Svinks в сообщении #1012157 писал(а):

Последнее предложение, я не понимаю вашего вопроса.
Вы намекаете на гравитацию? Все равно механизм на уровне молекул мне не понятен, даже если играет роль гравитация.

Да, намекаю. В Вашей модели она начисто отсутствует, а искомый эффект без нее не работает.

Svinks в сообщении #1012157 писал(а):

Хотя разность плотностей и без нее приводил бы к перемещениюна переферию в среде.

Разность плотностей чего?

[rustot]

Начать надо не с шарика, а с того, почему на высоте 10 частицы воздуха бьются об единицу поверхности чаще и/или быстрее чем на высоте 11. Именно этот вопрос сложен. Начать нужно с вопроса что мешает всем этим частицам вообще осыпаться на поверхность земли под действием силы тяжести.

А если ответ на вопрос выше известен, то ответ про шарик тривиален - к его нижней поверхности на высоте 10 частицы воздуха соударениями прикладывают в с бОльшую силу, чем к его верхней поверхности на высоте 11. если разность этих сил превышает вес шарика то он подымается. Движения частиц гелия внутри шарика так же асимметричны, именно таким образом вес гелия прибавляется в виде разности сил к весу оболочки шарика

[Svinks]

Pphantom в сообщении #1012164 писал(а):

Svinks в сообщении #1012157 писал(а):

В невесомости понятия сторон произвольны.

Да.

Svinks в сообщении #1012157 писал(а):

Шарик находится в вакууме или в газовом сгустке?

Ну, пусть для определенности это будет орбитальная станция, вращающаяся вокруг Земли. Со стенками, естественно, внутри воздух.

Svinks в сообщении #1012157 писал(а):

Последнее предложение, я не понимаю вашего вопроса.
Вы намекаете на гравитацию? Все равно механизм на уровне молекул мне не понятен, даже если играет роль гравитация.

Да, намекаю. В Вашей модели она начисто отсутствует, а искомый эффект без нее не работает.

Svinks в сообщении #1012157 писал(а):

Хотя разность плотностей и без нее приводил бы к перемещениюна переферию в среде.

Разность плотностей чего?

Играют роль и сила гравитации и силы межмолекулярного взаимодействия тогда уж.
На орбитальной станции шарик полетит туда, куда ему сообщат импульс.

Шарик менее плотен, чем воздух. За счёт этого и возникает подъемная сила. Но механизм на кинетическом уровне каков? Как молекулы соударяются, что его поднимают в верх?

-- 07.05.2015, 21:51 --

rustot в сообщении #1012169 писал(а):

Начать надо не с шарика, а с того, почему на высоте 10 частицы воздуха бьются об единицу поверхности чаще и/или быстрее чем на высоте 11. Именно этот вопрос сложен. Начать нужно с вопроса что мешает всем этим частицам вообще осыпаться на поверхность земли под действием силы тяжести.

А если ответ на вопрос выше известен, то ответ про шарик тривиален - к его нижней поверхности на высоте 10 частицы воздуха соударениями прикладывают в с бОльшую силу, чем к его верхней поверхности на высоте 11. если разность этих сил превышает вес шарика то он подымается. Движения частиц гелия внутри шарика так же асимметричны, именно таким образом вес гелия прибавляется в виде разности сил к весу оболочки шарика

Вот этого нюанса я не знаю. Объясните почему на высоте 10 частицы бьются чаще, чем на 11? Температура?

-- 07.05.2015, 21:54 --

Подъем пробки водой аналогичен? Мы с силой пробку положили на дно. Пробка начала подниматься в верх. За счёт того же, что на нижней высоте столкновений больше, чем на верхней? Но на дне не обязательно теплее, чем на вверху.

[rustot]

Svinks в сообщении #1012190 писал(а):

Вот этого нюанса я не знаю. Объясните почему на высоте 10 частицы бьются чаще, чем на 11? Температура?

Плотность. Температура - это с какой скоростью бьются, а плотность - сколько штук в секунду бьется

[Munin]

Svinks в сообщении #1012190 писал(а):

Вот этого нюанса я не знаю. Объясните почему на высоте 10 частицы бьются чаще, чем на 11? Температура?

Нет, плотность. Температура постоянна, а плотность меняется с высотой по формуле распределения Больцмана $\rho=\rho_0 e^{-\mu g h/kT},$ где $\mu$ - масса молекулы.

Кстати, в этой $\mu$ - намёк на разницу между гелием и окружающим шарик воздухом.

[Pphantom]

Svinks в сообщении #1012190 писал(а):

Играют роль и сила гравитации и силы межмолекулярного взаимодействия тогда уж.

Да, но Вы начинаете решать задачу с хвоста.

Svinks в сообщении #1012190 писал(а):

Шарик менее плотен, чем воздух. За счёт этого и возникает подъемная сила.

Т.е. Вы считаете, что это - достаточное обоснование?

[Svinks]

А разве нет? Разница потенциалов всегда приводит к движению. Исключения очень редкие явления и случаи, примеры которых я не знаю. Если они вообще есть?

Cпасибо за ответ. В общем картина такая:

Плотность веществ меняется по распределению Больцмана, которое зависит от высоты:
чем ниже, тем более плотное распределение вещества (связано с гравитацией или межмолекулярными силами или оба явления сразу? Или простая статистика?) Чем более плотное распределение, тем больше столкновений с нижней частью шарика и меньше столкновений с верхней. Возникает подъемная сила. Сила передается через упругое взаимодействие воздуха со стенкой шарика, стенка передает энергию гелию, гелий в верхнюю стенку. Шарик взлетает.

Шарик в невесомости, но в среде, должен перемещаться туда, где наименьшая плотность.

[GraNiNi]

Svinks в сообщении #1012225 писал(а):

Плотность веществ меняется по распределению Больцмана, которое зависит от высоты:

Изменение плотности с высотой по уравнению Больцмана, при разности высот в 1-2 метра ничтожно. Более того, из-за конвекции воздушных масс и их перемешивания, градиент плотности может не только отсутствовать, но и меняться по направлению. Но шарик все равно будет всплывать всегда вверх.
То же относится и к пробке в воде, где эти микроэффекты градиента плотности по высоте можно вообще не учитывать и решающую роль играет только разница плотностей воды и пробки.

[Munin]

Svinks в сообщении #1012225 писал(а):

А разве нет? Разница потенциалов всегда приводит к движению. Исключения очень редкие явления и случаи, примеры которых я не знаю.

Ну вот на самом деле, вы знаете только часть картины. И считаете всё остальное "редкими случаями".

Есть очень могучая штука - статистика. Если какие-то попытки происходят часто, то они неизменно будут иногда удаваться. Вещество диффундирует из того места, где плотность высокая, в то место, где плотность низкая. Даже против потенциала! Если вещество нагреть, то оно будет диффундировать быстрее.

Реальные явления протекают под действием комбинации этих факторов. И потенциала, и вероятности. В одних случаях потенциал играет определяющую роль, и другим фактором можно пренебречь. В других - наоборот. В общем случае, надо учитывать и то и другое, они между собой перемножаются и интегрируются.

В целом, вся эта комбинация плотности и энергии выражается понятием энтропии. Ну и другими понятиями термодинамики / статистической физики.

[Svinks]

GraNiNi в сообщении #1012237 писал(а):

Svinks в сообщении #1012225 писал(а):

Плотность веществ меняется по распределению Больцмана, которое зависит от высоты:

Изменение плотности с высотой по уравнению Больцмана, при разности высот в 1-2 метра ничтожно. Более того, из-за конвекции воздушных масс и их перемешивания, градиент плотности может не только отсутствовать, но и меняться по направлению. Но шарик все равно будет всплывать всегда вверх.
То же относится и к пробке в воде, где эти микроэффекты градиента плотности по высоте можно вообще не учитывать и решающую роль играет только разница плотностей воды и пробки.

Тогда как там возникает на молекулярном уровне подъемная сила? Я пробку погружал в воду и чувствовал, как сила именно снизу давит на неё.

[Munin]

GraNiNi в сообщении #1012237 писал(а):

Изменение плотности с высотой по уравнению Больцмана, при разности высот в 1-2 метра ничтожно. Более того, из-за конвекции воздушных масс и их перемешивания, градиент плотности может не только отсутствовать, но и меняться по направлению. Но шарик все равно будет всплывать всегда вверх.

И при этом - именно за счёт этого изменения плотности.

GraNiNi в сообщении #1012237 писал(а):

То же относится и к пробке в воде, где эти микроэффекты градиента плотности по высоте можно вообще не учитывать и решающую роль играет только разница плотностей воды и пробки.

С водой ситуация на микроскопическом уровне другая: там молекулы настолько близко находятся друг к другу, что вместо отдельных ударов (с разной плотностью) происходит непрерывное силовое взаимодействие (с разной силой, которая зависит от ничтожных изменений расстояния между молекулами - от ничтожных изменений плотности!).

-- 07.05.2015 22:31:35 --

Svinks
К сожалени, GraNiNi вас пытается запутать. Разберитесь, пожалуйста, с более простым газовым случаем.

[Svinks]

Munin в сообщении #1012241 писал(а):

Svinks в сообщении #1012225 писал(а):

А разве нет? Разница потенциалов всегда приводит к движению. Исключения очень редкие явления и случаи, примеры которых я не знаю.

Ну вот на самом деле, вы знаете только часть картины. И считаете всё остальное "редкими случаями".

Есть очень могучая штука - статистика. Если какие-то попытки происходят часто, то они неизменно будут иногда удаваться. Вещество диффундирует из того места, где плотность высокая, в то место, где плотность низкая. Даже против потенциала! Если вещество нагреть, то оно будет диффундировать быстрее.

Реальные явления протекают под действием комбинации этих факторов. И потенциала, и вероятности. В одних случаях потенциал играет определяющую роль, и другим фактором можно пренебречь. В других - наоборот. В общем случае, надо учитывать и то и другое, они между собой перемножаются и интегрируются.

В целом, вся эта комбинация плотности и энергии выражается понятием энтропии. Ну и другими понятиями термодинамики / статистической физики.

Все это я знаю. Но конкретный пример в голову нелезет. Случайная молекула из области меньшой плотности может переместится в область с большой. Даже ансамбль. Но я не про это говорил.

-- 07.05.2015, 23:34 --

Munin в сообщении #1012244 писал(а):

GraNiNi в сообщении #1012237 писал(а):

Изменение плотности с высотой по уравнению Больцмана, при разности высот в 1-2 метра ничтожно. Более того, из-за конвекции воздушных масс и их перемешивания, градиент плотности может не только отсутствовать, но и меняться по направлению. Но шарик все равно будет всплывать всегда вверх.

И при этом - именно за счёт этого изменения плотности.

GraNiNi в сообщении #1012237 писал(а):

То же относится и к пробке в воде, где эти микроэффекты градиента плотности по высоте можно вообще не учитывать и решающую роль играет только разница плотностей воды и пробки.

С водой ситуация на микроскопическом уровне другая: там молекулы настолько близко находятся друг к другу, что вместо отдельных ударов (с разной плотностью) происходит непрерывное силовое взаимодействие (с разной силой, которая зависит от ничтожных изменений расстояния между молекулами - от ничтожных изменений плотности!).

-- 07.05.2015 22:31:35 --

Svinks
К сожалени, GraNiNi вас пытается запутать. Разберитесь, пожалуйста, с более простым газовым случаем.

То есть случай с водой полная аналогия, но вызвано сверхмалыми флуктуациями?