Een vraag uit de Wetenschapsquiz van 1995 is me altijd bijgebleven. Hij luidt:
Als je een ballon met helium in een auto vervoert, gaat hij tegen het autodak aanhangen. Wat gebeurt er met de ballon als je een bocht maakt?
Je zou deze vraag nog kunnen uitbreiden met: wat gebeurt er als je hard naar voren versnelt? Kun jij beredeneren of de ballon gaat bewegen en zo ja waar naartoe?
De verkeerde kant op
In onderstaande video zie je wat er gebeurt als de auto versnelt naar voren: de ballon gaat precies de andere kant op als jijzelf, namelijk ook naar voren. Eveneens bij een vertraging, maar dan precies andersom. Idem dito bij een bocht: jij wordt de bocht uit geduwd, maar de ballon gaat juist erin. Hoe kan dit? De ballon ondervindt toch dezelfde krachten als jij?
De verklaring
Eigenlijk zou je helemaal niet zo verbaasd hoeven zijn, want ook als je stilstaat doet de ballon precies wat jij niet doet, namelijk omhoog vliegen. Dat komt omdat helium lichter is dan lucht, en dus gaat de opwaartse kracht de zwaartekracht overheersen. De ballon gaat stijgen naar het niveau waar deze twee krachten weer in balans zijn en blijft daar drijven.
De crux is dus de Wet van Archimedes: de (normaal gesproken) opwaartse kracht van het medium waarin je zit (water, lucht). Alleen is de kracht in dit geval niet opwaarts. Bij een versnelling van de auto zal de inhoud vertraagd reageren (wet van de traagheid) en dus relatief ten opzichte van de auto een kracht naar achter voelen.
Elk object in de auto voelt deze versnellingskracht bovenop de zwaartekracht, dus netto een kracht die ruwweg naar achter en onderen gericht is. Maar de objecten gaan ook tegen elkaar duwen, waarbij de zwaardere objecten het winnen van de lichte. Dit is dan de Archimedeskracht die de ballon uiteindelijk naar voren duwt.
Een vertraging bij remmen is eigenlijk een negatieve versnelling en de resulterende kracht is dan naar voren gericht. De ballon wordt dan naar achter geduwd. Bij een bocht is de versnellingskracht de centrifugale kracht die uit de bocht is gericht. Ook daar zal de lucht de ballon de andere kant op duwen, zoals ook in de video is te zien.
Bottom line: de ballon gaat altijd precies de andere kant op als zware objecten zoals mensen.
Wat zou er gebeuren als de auto door het luchtledige zou vliegen, zoals de Tesla Roadster?