בניסוי הזה נלמד איך אפשר להפוך פחית שתייה מלאה במים בלי שהמים ישפכו ממנה, וכל זה בלי לסתום את הפתח בשום פקק.

ציוד

  • פחית שתייה ריקה
  • מים

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי תוכלו לראות בסרטון הבא:

הסבר

ההסבר למהלך הניסוי הזה זהה למה שהראינו בניסוי קודם, שבו כיסינו כוס בנייר, הפכנו אותה והמים לא נשפכו. ההבדל הוא שהפעם פסי המתכת של לשונית הפתיחה של הפחית ממלאים את מקומם של סיבי הנייר מהניסוי ההוא.

ההסבר לתופעה שאנו רואים כאן מתחלק לשניים: מתח הפנים של המים ולחץ האוויר שפועל על הנוזל.

לכל הנוזלים בעולם יש "מתח פנים", כלומר החלקיקים היסודיים שבו (אטומים או מולקולות) יוצרים על פניו מעין קרום דקיק. (אם אתם רוצים לקרוא עוד על התופעה, קראו את הכתבה "איך נוצר מתח הפנים בנוזלים?) מתח הפנים נוצר בכל אזורי הגבול שבהם הנוזל נוגע באוויר או בדפנות הסובבות אותו, כלומר מעליו, סביבו ומתחתיו. אפשר לדמות אותו למעין יריעת גומי בלתי נראית שעוטפת את הנוזל.

כפי שהראינו בניסוי האטב הצף, שבו השטנו אטב ברזל כבד על המים, הקרום הדק הזה יכול לעמוד בלחצים לא קטנים בלי להיקרע, עם זאת, הוא ייפרץ ברגע שהלחץ עליו יהיה חזק מספיק. ככל שמשטח המים גדול יותר גובר גם הסיכוי שהקרום ייפרץ, כי כל תנועה קלה תעוות את צורתו החלקה ו"תשבור" אותו. יש גם סיבות פיזיקליות נוספות שבהן נדון מיד.

כשממלאים פחית במים והופכים אותה, פועלים על מתח הפנים של המים בפתח הפחית שני כוחות מנוגדים. כוח המשיכה של כדור הארץ גורם למים להפעיל לחץ כלפי מטה, אולם ברגע שהמים מתחילים לנוע למטה מהפחית המלאה, גם אם מדובר רק בתנועה קלה ביותר של שברירי המילימטר, הלחץ בפחית יורד, משום שלא נכנס לתוכה שום חומר אחר שיתפוס את מקומם של המים שיצאו. כך קורה שנפח האוויר הלכוד בפחית גדל, וכתוצאה מכך הלחץ בתוך הפחית הופך להיות נמוך יותר מלחץ האוויר החיצוני, תנועת המים נפסקת (לחץ האוויר החיצוני דוחף אותם מלמטה) – והמים לא נשפכים.

זה בדיוק מה שמתרחש בניסוי שהראינו בעבר – איך להפוך כוס מים בלי שהמים יישפכו, אבל כאן מתח הפנים של המים ממלא את אותו תפקיד שמילא הקרטון האטום בניסוי ההוא ומונע מהאוויר לחדור לתוך הכוס – ולכן לא מאפשר למים לזלוג למטה.

רואים בניסוי שאם פתח הפחית גדול מדי (הפחית פתוחה לחלוטין), מתח הפנים אינו חזק מספיק כדי לגבור על כוח המשיכה, אוויר חודר פנימה ומאפשר למים לזלוג למטה. אפשר להבין את התופעה אם נדמיין מכל מים גדול אטום ביריעת גומי של בלון. הגומי הוא כמו מתח הפנים: אם הפתח גדול, הגומי יכול להימתח ולהיקרע, אבל אם נתמוך בגומי ברשת ברזל או בכמה קרשים, סביר להניח שהוא יחזיק מעמד (כמו לשונית הפחית שתומכת במתח הפנים), כי הרשת תחזק אותו.

מבחינה פיסיקלית טהורה אפשר לומר שמתח הפנים תלוי באורך של חתך המגע של המים בדפנות הפתח (היקף הפתח), כשמגדילים את הפתח או את היקפו במידה מסוימת, שטחו של הפתח גדל בריבוע, (כלומר אם ההיקף גדל פי 3, השטח יגדל פי 9) וכך גם הכוח שמפעילים המים על מתח הפנים. לכן, מגודל מסוים, הכוח שמפעילים המים כלפי מטה בפתח הפחית הופך להיות חזק יותר מהכוח הבולם שמפעיל מתח הפנים, ואז מתח הפנים לא עומד בפרץ – ונפרץ.

אפשר לקרוע את מתח הפנים אם מטלטלים את הפחית או דוקרים אותו כמו שדוקרים בלון גומי – אתם מוזמנים לנסות את זה בעצמכם – ולראות שהוא נפרץ ומים ואוויר חודרים דרכו. שימו לב שבניגוד לגומי, מתח הפנים מתאחה מיד ונסגר ברגע שהוא יכול, כי הוא לא יריעה אמיתית אלא פשוט תופעה פיסיקלית שנוצרת מעצמה בשטח הפנים של הנוזל.