풍선이 부풀고 뜨는 원리는 크게 탄성과 기체의 성질, 두 가지로 나눠서 볼 수 있습니다. 먼저 풍선 자체는 고무나 라텍스 같은 탄성체로 만들어져 있습니다. 이 재료는 늘어나면 원래 모양으로 되돌아가려는 복원력을 가지고 있는데, 이 힘 때문에 풍선 안의 기체는 항상 바깥 대기압보다 조금 더 높은 압력을 받게 됩니다. 풍선에 바람을 불어넣으면 고무막이 늘어나면서 안쪽 부피가 커지고, 그 안에 갇힌 기체 분자 수가 늘어나면서 내부 압력이 유지됩니다.
이때 고무의 장력과 내부 기체 압력이 균형을 이루는 지점에서 풍선의 크기가 결정됩니다.
기체의 거동은 이상기체 법칙으로 설명할 수 있습니다. 풍선 안의 압력(P), 부피(V), 기체 양(n), 온도(T) 사이에는 일정한 관계가 있어서, 온도가 올라가면 기체 분자의 운동이 활발해져 압력이 높아지고 풍선이 더 팽창하려 합니다.
반대로 차가운 곳에 두면 풍선이 쪼그라드는 것도 이 때문입니다. 겨울철 헬륨 풍선이 실내보다 야외에서 더 작아 보이는 현상이 대표적인 예입니다.
풍선이 공중에 뜨는 원리는 부력과 관련이 있습니다. 헬륨이나 수소처럼 공기보다 밀도가 낮은 기체를 채우면, 풍선이 밀어낸 만큼의 공기 무게가 풍선과 그 안의 기체 무게보다 커서 위로 뜨는 힘, 즉 부력이 작용합니다. 이는 아르키메데스의 원리와 동일한 개념으로, 액체뿐 아니라 기체에서도 적용됩니다.
반면 일반 공기로 채운 풍선은 안팎의 기체 밀도가 비슷하기 때문에 뜨지 않고 바닥에 가라앉습니다. 또한 풍선 표면에는 표면장력과 비슷하게 작용하는 얇은 막의 저항이 있어서, 처음 불 때 힘이 많이 드는 이유이기도 합니다.
라플라스 압력 법칙에 따르면 풍선의 반지름이 작을수록 내부 압력이 더 높아야 하기 때문에, 작게 시작할 때 부풀리기가 가장 힘들고 어느 정도 커지면 오히려 쉬워집니다. 시간이 지나면 풍선이 저절로 쪼그라드는 것은 고무 분자 사이의 미세한 틈으로 기체 분자가 서서히 빠져나가기 때문입니다. 헬륨은 분자 크기가 작아 더 빨리 빠져나가므로, 헬륨 풍선이 공기 풍선보다 빨리 가라앉는 경향이 있습니다.