Em seu funcionamento, os submarinos e os balões usam o Princípio de Arquimedes. Esse princípio diz o seguinte: quando mergulhamos algo em um líquido ou o colocamos em um gás, uma força vertical e para cima atua sobre ele – o empuxo (veja o desenho). Essa força pode ser mais intensa ou menos intensa: tudo depende da quantidade de líquido ou de gás que for deslocada pelo objeto que tiver sido posto ali. Quanto mais líquido ou gás deslocado, maior o empuxo – a força.
O fato de um objeto flutuar ou afundar está diretamente relacionado ao empuxo. Se uma pedra afunda em um lago, por exemplo, é porque o seu peso – a força vertical e para baixo, causada pela gravidade – é maior do que o empuxo que ela sofreu. Se, por outro lado, você solta uma bola no fundo de uma piscina, ela sobe à superfície porque o empuxo é maior do que o seu peso.
Em seu funcionamento, o submarino lida o tempo todo com esses fatos. Como o seu tamanho não muda, ele ocupa sempre o mesmo volume debaixo d'água. Em outras palavras, a água deslocada por ele é sempre a mesma e, portanto, o empuxo sobre ele é também o mesmo. O segredo para o submarino afundar ou subir à superfície é, então, mudar o seu peso.
Talvez você não saiba, mas esse veículo possui tanques que podem ser preenchidos com água ou ar. Assim, quando ele precisa descer, seus tanques se enchem de água, fazendo com que o peso do submarino fique maior do que o empuxo. Quando, porém, é necessário subir, os tanques enchem-se de ar, expulsando a água, fazendo com que o peso do submarino fique menor do que o empuxo.
Com os balões, a situação é parecida. O que muda é que estamos falando do empuxo que ocorre em um gás – o ar – e não em um líquido. Da mesma forma que ocorre com um submarino, um balão apenas sobe quando o empuxo que existe sobre ele é maior do que o seu peso. Da mesma maneira, ele somente desce quando o seu peso é maior do que o empuxo. Mas como isso acontece?
Para o peso do balão ficar menor do que o empuxo, é preciso enchê-lo com algo mais leve – ou melhor, menos denso – do que o ar à temperatura ambiente. Por isso, enche-se o balão com ar quente, que é menos denso. Os balões de aniversário – também conhecidos como bexigas –, por sua vez, podem ser preenchidos com gás hélio, que também é menos denso do que o ar, e, por isso, também os faz subir.
