Чем объясняется наличие максимальной высоты («потолка») для воздушного шара, которую он не в состоянии преодолеть?

Законом архимеда. Чем выше поднимается шар, тем меньше сила архимеда, т.к. воздух становится разоеженнее и плотность уменьшается, а сила тяжести при этом остается неизменной и когда плотность воздуха при полете шара вверхдостигает такого значения что сила архимеда равна силе тяжести шар повисает в воздухе. Fa=p*g*V  Fт=m*g