היא לא רק צפה ושוקעת, אלא גם עושה זאת בסיבובי בלרינה אלגנטיים. שידרוג מפתיע לניסוי ותיק
בניסוי הזה ניצור מעין רקדנית קטנטנה שגם צוללת וצפה בתוך בקבוק, ותוך כדי כך גם מסתובבת תוך כרקדנית בלט, בלרינה, מיומנת. הניסוי מחייב השגחה של מבוגר!
ציוד וחומרים
- בקבוק פלסטיק ריק ושקוף (עדיף של משקה מוגז)
- קשית מתקפלת
- מספריים
- פלסטלינה
- קערה
- מים
- ציור של רקדנית קטנה על נייר (אפשר גם להוריד מהאתר שלנו) – שיש לגזור ולעטוף בסלוטייפ
- פלייר
- מצית
- סיכה או מחט
דברים שיש בכל בית (או שאפשר להשיג בקלות). מה שצריך לניסוי | צילום מתוך סרטון "מדע בבית"
מהלך הניסוי
את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:
שידרוג של ניסוי ותיק
ניסוי הרקדנית בתוך בקבוק מבוסס על ניסוי ביתי קלאסי שנקרא צוללן קרטזי – שאפשר לראותו באתר שלנו. הניסוי התפרסם לראשונה בספר שיצא לאור בשנת 1648. השידרוג בניסוי הזה הוא תוספת של תנועה סיבובית, כמו של רקדני בלט או מחליקים אמנותיים על קרח.
מה שקובע אם גופים יצופו או ישקעו במים, או בנוזל אחר, הוא לא המשקל אלא גודל שנקרא צפיפות, היחס בין המשקל לנפח: אם ניקח נפח של פלסטלינה, למשל כוס מלאה, ונשווה לנפח זהה של מים נגלה כי כוס הפלסטלינה כבדה יותר. כלומר, הצפיפות של הפלסטלינה, המשקל שלה ליחידת נפח, גדולה מזו של המים. עצמים צפופים שוקעים בתווך פחות צפוף מהם, וצפים כשהתווך יותר צפוף. לכן אפילו כדורון פלסטלינה קטן וקל שוקע בתוך קערת מים כבדה כי רק הצפיפות קובעת. אוויר הוא חומר בעל צפיפות נמוכה מאוד – לכן קשית מלאה באוויר צפה על פני המים ויכולה לשמש מצוף. אם הוא מספיק גדול, הוא יכול להציף גם פלסטלינה על פני המים, כל עוד הצפיפות המשולבת של המצוף והפלסטלינה קטנה מזו של המים.
כאשר לוחצים על בקבוק מים אטום שלתוכו הכנסנו את המצוף, הלחץ גורם לדחיסה של האוויר במצוף, להקטנת הנפח שלו. הקטנת הנפח בלי לשנות את המשקל מעלה את הצפיפות שלו, עד שהוא לא מסוגל עוד להציף את הפלסטלינה וכל המערכת שוקעת. כשאנו מרפים מהלץ על הבקבוק נפח האוויר במצוף גדל מחדש, והמערכת שוב צפה כבתחילה. זהו ניסוי הצוללן. כדי להסביר מדוע מתרחש הסיבוב צריך להכניס לתמונה מדען שהיה בן חמש כשהניסוי הזה התפרסם לראשונה – אייזק ניוטון.
לכל פעולה תגובה
ניוטון נחשב לאחד מגדולי הפיזיקאים בהיסטוריה, שתרם תרומות עצומות לפיזיקה ולמתמטיקה. אחד מתחומי המחקר העיקריים של ניוטון היה תנועה של גופים, ובמסגרתו הוא פרסם את מה שנודע כשלושת חוקי התנועה של ניוטון. לניסוי שלנו רלוונטי החוק השלישי שלו, שקובע כי בטבע לכל פעולה יש תגובה הפוכה בכיוונה וזהה בעוצמתה. החוק המקורי של ניוטון דיבר על כוחות, אבל במרוצת השנים התגלה שהסימטריה הזאת של פעולה הפוכה בכיוון וזהה בעוצמה קיימת במקומות רבים אחרים בטבע. לדוגמה, לכל פלוס יש מינוס, לכל חלקיק יש אנטי חלקיק ועוד. המשמעות של החוק הזה היא שכאשר אנו דוחפים משהו – הוא דוחף אותנו בכיוון ההפוך. אפשר להבחין בכך אם יושבים על כסא עם גלגלים, כך שאין הרבה חיכוך שמפריע לתנועה. אם אנו דוחפים משהו לכיוון אחד, למשל את השולחן, אנחנו נידחף לאחור עם הכסא ונתחיל לנוע בכיוון ההפוך. אם נושיט יד ונמשך אלינו שולחן כבד – אנחנו נימשך אליו וננוע לעברו.
כאשר אנחנו דוחפים משהו קדימה – הוא דוחף אותנו אחורה. הדגמה שפוטה של החוק השלישי של ניוטון | צילום: ליאורה זיתון
אותו העיקרון משמש בטילים וברקטות, וגם במטוסי סילון ועוד. הם פולטים גזים לוהטים אחורה וכך נעים קדימה.
בניסוי הרקדנית שלנו הקפדנו לעשות שני חורים קטנטנים במצופי האוויר, שמאפשרים כניסה ויציאה של מים דרכם כאשר לוחצים על הבקבוק ודוחסים את הגז שבמצופים. החורים ממוקמים כך שחור אחד נמצא מקדימה ומימין, והשני מאחורה ומצד שמאל.
חוררנו את המצוף משני צדדים בכיוונים מנוגדים (מימין) מה שגורם לתנועה של מים מהמצוף דרך חורים אלו בכיוונים מנוגדים (שמאל) | צילומים: ליאורה זיתון
התוצאה של מיקומי החורים היא שבזמן תנועת המים דרכם, מופעלים על המצוף כוחות משני הצדדים שגורמים לסיבובו – בדיוק כמו שכאשר אנו מסובבים סביבון אנחנו אוחזים את הידית שלו בין האצבע לאגודל, ומניעים כל אצבע לכיוון ההפוך. אם קשה לכם לדמיין, נסו לאחוז סביבון ולראות שכך אנו עושים בלי לשים לב.
לא באמת כל כך פשוט
חדי העין אולי ישימו לב שהבלרינה מסתובבת בעיקר כאשר היא צפה בחזרה, וכמעט ולא מסתובבת, או לא מסתובבת כלל, כאשר היא צוללת מטה. במילים אחרות עיקר התנועה הסיבובית מתרחשת כאשר המים יוצאים מתוך המצוף ולא כשהם נכנסים פנימה. מדוע? האם כניסת המים פנימה לא אמורה לגרום לתנועה בדיוק באותו האופן שיציאתם החוצה גורמת?
חידה כזאת חד הפיזיקאי האמריקאי ריצרד פיינמן והיא ידוע בשם 'הממטרה של פיינמן': האם ממטרה שתשאב מים תנוע באותו אופן כמו ממטרה שתתיז מים? יש שיקולים פיזיקליים כבדי משקל לכל האפשרויות. רק לאחרונה התפרסם מאמר מדעי בנושא, ובקרוב נפרסם עליו כתבה נפרדת . האם אתם חושבים שאתם יודעים את הסיבה להבדל?
