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Pelo fim do século XVIII e durante o século XIX o homem só podia elevar-se nos ares por meio de balões aerostáticos. Eram grandes esferas de tecido leve e impermeável, cheias de um gás mais leve que o ar (hidrogênio, ar quente ou gás de iluminação).
Ainda hoje, esses balões são usados em sondagens das condições atmosféricas, no estudo das radiações cósmicas, do magnetismo, da astronomia, e assim por diante. São os balões-sondas, carregados de instrumentos de medição. Sua possibilidade de elevar-se repousa sobre o princípio de Arquimedes: sendo os balões menos densos que o ar, o empuxo que este exerce sobre eles é suficientemente grande para sustentá-los.
Um balão cheio de hidrogênio tem, ao nível do mar, uma densidade de 0,1 kg/m3. Sendo a densidade do ar, em condições normais e ao nível do mar, de 1,3 kg/m3, o empuxo produzido sobre o balão é cerca de treze vezes maior que seu próprio peso. Explica-se desse modo como se verifica o movimento ascensional dos balões aerostáticos.
 
Por que um balão sobe?
A dilatação sofrida por uma massa gasosa aquecida costuma ser usada para fazer um balão subir na atmosfera. O ar no interior do balão é aquecido pela chama de um bico de gás. Ao se dilatar, parte dele escapa e o ar que permanece dentro do balão terá, consequentemente, sua densidade reduzida. Assim, o ar externo é mais denso que o ar interno e nestas condições o empuxo sobre o balão é maior que seu peso, fazendo com que ele suba na atmosfera. Regulando a temperatura do ar interno, pode-se fazer o balão subir ou descer, conforme deseja o operador.
O empuxo é uma força para cima que surge sobre todos os corpos imersos em um fluído (gás ou líquido). No caso do balão a diminuição aparente do peso é devida ao fato de que a pressão na superfície inferior do invólucro é maior que na superfície superior. Portanto a força para cima atuando no fundo é maior que a força para baixo no topo; a diferença entre as duas é o empuxo. Se o empuxo é maior que o peso do balão ele sobe na atmosfera.
O hidrogênio também é utilizado para encher balões, porém, o hélio é melhor pois não é combustível e é, portanto, menos perigoso que o hidrogênio. O hélio é, entretanto, mais caro e mais pesado.
Um balão não sobe até o topo da atmosfera porque o ar se torna cada vez menos denso à medida que se sobe na atmosfera. Quando o empuxo se torna igual ao peso do balão, ele deixa de subir.
Balão-sonda
O balão-sonda é utilizado para colher dados diretamente nas camadas mais altas da atmosfera. Um balão-sonda nada mais é que uma bola de borracha, cheia de gás hélio, tendo um pára-quedas que, por sua vez, sustenta a rádio-sonda. No mais das vezes, o conjunto inclui transmissores de rádio, alimentados por pequenas baterias. Os dados, dessa forma, são colhidos e imediatamente transmitidos a uma central, onde são processados.
No instante do lançamento, o balão tem um diâmetro relativamente pequeno, em virtude da pressão atmosférica elevada que age sobre ele; à medida que sobe, a pressão atmosférica diminui e o balão aumenta. Na variação de volume do balão, na verdade, dois fatores se contrapõem: a redução da temperatura, nas camadas imediatamente superiores da atmosfera, cujo efeito seria a contração do balão; e a redução de pressão, que contribui para a expansão do gás interno. A variação de pressão, entretanto, predomina sobre a de temperatura - e, consequentemente, o balão aumenta continuamente de volume à medida que sobe. A máxima altura por ele atingida não pode ser prevista teoricamente, devido a fenômenos aleatórios da atmosfera terrestre.
A experiência mostra que o balão fica oscilando entre 15000 e 20000 metros de altura, por um intervalo de tempo compreendido, geralmente, entre cinco e dez horas. A baixa pressão vigente, por fim, termina por fazê-lo explodir; e o rádio-sonda volta ao chão em queda suave, graças ao pára-quedas.
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