לחץ אוויר מסוכן

מטוס הדרימליינר החדש עמוס בחידושים מדעיים וטכנולוגיים. ניצלנו את העובדה שהוא הגיע לארץ כדי לצלם בו ובמעבדה סדרה של סרטונים על כמה מהחידושים המגניבים ביותר. והפעם – על הסכנות בטיסה בגובה רב, שם לחץ האוויר נמוך:

גזים וכוח המשיכה

כשתפוח ניתק מהעץ הוא נופל לקרקע, כאשר כוס מים מתהפכת המים נשפכים ונוזלים אל הרצפה. זה מתרחש כמובן בגלל כוח המשיכה (הגרביטציה) שמושך את התפוח או המים לעבר כדור הארץ. אבל מה לגבי גזים? האם גם גזים נמשכים לעבר כדור הארץ, 'נופלים' לקרקע?

התשובה היא כן. גם לגזים יש מסה (אמנם קטנה) וכל גוף בעל מסה מושפע מכוח המשיכה. גם הגזים. גם אם קשה 'לראות' את זה, האוויר, שהוא גז, נוטה 'ליפול' לעבר הקרקע כמו חפצים מוצקים או נוזלים. למעשה ככל שקרובים יותר לקרקע, האוויר יותר דחוס, וככל שעולים בגובה – האוויר נעשה דליל יותר. הדחיסות והדלילות של האוויר באה לידי ביטוי בגודל פיזיקלי שנקרא לחץ או 'לחץ אוויר'. האוויר בנוי מחלקיקים קטנטנים (בעיקר מולקולות של חנקן וחמצן), שנעים כל הזמן ללא הרף – ומתנגשים אלה באלה ובעצמים שונים. ההצטברות של כל מיליוני-מיליונים של ההתנגשויות הללו היא מה שיוצרת את הלחץ. כאשר אנו מנפחים צמיג של מכונית, למשל, לחץ האוויר הוא מה שמחזיק אותו מנופח – ומחזיק את משקל המכונית.

לחץ האוויר הדחוס בצמיגים מספיק כדי לשאת את כל משקלל של המכונית | צילום: Shutterstock

כאמור – ככל שקרובים יותר לקרקע האוויר דחוס יותר, כלומר מכיל יותר חלקיקים ליחידת נפח בהשוואה למקומות גבוהים. כך לחץ האוויר גבוה יותר ככך שנמצאים במקום נמוך יותר, ולהיפך.

יש יחידות רבות למדידת לחץ, אחת מהן היא פסקל. בגובה אפס, כלומר בגובה פני הים (נגיד בחוף הים של תל-אביב), לחץ האוויר הוא כ 101 אלף פסקל, או 101 קילו-פסקל. כיוון שכך (ערך קרוב ל-100) נוח להשתמש ביחידת פסקל כדי להשוות את הלחץ בגבהים שונים מעל פני הים. הנה כמה דוגמאות:

מסוכן בגבהים

כלומר בגובה של 20 ק"מ האוויר דליל כבר ב-95 אחוז (!) בהשוואה למה שקיים בגובה פני הים. למעשה האטמוספירה של האוויר בו אנו חיים על כדור הארץ היא מאוד 'דקה' ביחס לכדור הארץ עצמו. דימוי טוב להמחשת העובי שלה ביחס לכדור הארץ הוא כדורסל שעטוף בנייר עטיפה דק (עובי הנייר מייצג באופן יחסי את עובי האטמוספירה).

אם עולים / יורדים לירושלים השפעת שינויי הלחץ על האדם מסתכמת בהרגשת 'לחץ באוזניים' אבל במקומות גבוהים מאוד, כמו פיסגת האוורסט או גובה השיוט של מטוס נוסעים, האוויר כבר כל כך דליל (70-80 אחוז פחות מגובה פני הים) שהוא לא מאפשר לחיות - הנשימה לא מספקת מספיק חמצן, והלחץ הנמוך יכול לגרום לנזקים לגוף. אפשר לפתור את הבעיה של לחץ האוויר הנמוך בשתי שיטות: להשתמש בחליפות מיוחדות ובמסיכות המספקות אוויר, כפי שעושים למשל טייסי קרב או מטפסי הרים, או – שפנים המטוס יישמר אטום ומבודד מהסביבה, ובו יישמר לחץ אוויר חזק מספיק כדי לאפשר חיים (פתרון שמטוסי נוסעים משתמשים בו) – אולם פתרון כזה טומן בחובו בעיה חדשה, כפי שיוסבר מיד.

הפרש לחצים בעייתי

כפי שכתבתי, בגובה פניה הים הלחץ הוא בסביבות 100 קילופסקל (או 1 אטמוספירה ביחידות אחרות). אבל מה זה 'אומר' מבחינה מעשית, כמה זה 1 אטמוספירה / 100 קילו-פסקל?
האמת היא שזה אומר הרבה – לחץ כזה הוא שווה ערך למסה של 1 קילוגרם המונחת על כל סנטימטר רבוע (ריבוע של 1x1 סנטימטר) – וזה המון: אם ניקח לדוגמה שולחן במידות של 70x100 סנטימטר, כלומר שטחו הוא 7,000 סנטימטר רבוע, זה אומר שהאוויר לוחץ עליו לחץ שווה ערך למסה של 7,000 קילו (=7 טונות) המונחים עליו! כמו מספר מכוניות!

אז איך בכלל השולחן מחזיק מעמד? למה הוא לא קורס? – התשובה היא שלמזלנו לחץ האוויר המופעל על השולחן זהה מכל הכיוונים. הלחץ מהכיוונים השונים מתאזן כך שלשולחן, או לכל חפץ הנמצא באוויר, לא קורה דבר.

בעיות נוצרות כאשר לחץ האוויר אינו מאוזן – למשל אם ניקח פחית או בקבוק וניצור בתוכה לחץ נמוך. במצב כזה הלחצים כבר לא מאוזנים (לחץ גבוה בחוץ ולחץ נמוך בפנים) – והפחית פשוט נמעכת. בשיטה דומה אפשר גם למעוך בקלות אפילו חבית עבה (צילמנו זאת עבור ה'חפרנים' בטלוויזיה החינוכית):

מטוס נוסעים שטס בגובה רב – ומכיל בתוכו לחץ גבוה, נמצא גם הוא במצב של חוסר איזון מבחינת הלחצים, אבל בניגול לפחית הלחץ החיצוני הוא הנמוך והלחץ הפנימי גבוה. וזה מסוכן לגוף המטוס באותה המידה. גופים חלשים כמו הבלונים או קרטון החלב שהופיעו בסרטון, פשוט מתפוצצים במצב כזה. חוסר האיזון בין הלחץ החיצוני לפנימי מצליח לפוצץ אותם (כאמור לחץ אטמוספירי הוא חזק!). בעבר אירעו תאונות שבהן נפגע גוף המטוס ונפער בו חור.

עקב כך, מטוסי נוסעים אומנם שומרים על לחץ אוויר גבוה בתוך תא הנוסעים, אבל לא לחץ אטמוספרי, אלא לחץ נמוך מאטמוספרי – שבכל זאת מאפשר חיים, כדי למנוע סכנה לגוף המטוס. אולי שמתם לב שאחרי טיסה ארוכה מרגישים עייפים, מותשים וחסרי אנרגיה – זה בגלל הלחץ הנמוך יחסית במטוס (אבל עדיין גבוה בהרבה מהלחץ החיצוני בזמן הטיסה). מטוס הדרימליינר בנוי מחומרים מרוכבים (כפי שהסברנו בכתבה קודמת) ולכן גופו חזק יותר, ומסוגל לעמוד בהפרש לחצים גבוה יותר – ואכן, הלחץ הפנימי בתוך תא הנוסעים בו הוא גבוה ממה שהיה נהוג במטוסים ישנים, כך שחוויית הטיסה בו אמורה להיות פחות מעייפת ומתישה.