יעילות היא לא תמיד הדבר החשוב ביותר – לפעמים היופי טמון דווקא בדרך למטרה, ומה שיותר מסובך יותר טוב. לא מאמינים? סימן שלא הרכבתם מעולם מכונת רוב גולדברג
מכונת רוב גולדברג היא מכונה שתוכננה לבצע משימה פשוטה, כמו הנחת מכסה על סיר, באופן מסובך ובמספר רב של שלבים. בדרך כלל הרכיבים במכונה כזאת מפעילים זה את זה באופן הדרגתי, בדומה להפלה של אבני דומינו. המכונות קרויות על שם המאייר האמריקאי רוב גולדברג, שנהג לצייר מכונות כאלה.
מפית ניגוב אוטומטית ב-13 צעדים (לא כל כך) פשוטים | איור: רוב גולדברג
דוגמה לכך היא המפית האוטומטית לניגוב הפנים באחד האיורים המפורסמים של גולדברג. בעת העלאת כף המרק אל הפה (A) נמשך חוט (B) שמניע מצקת (C) וגורם לשיגור פכסם (D) אל עבר טוקן (E). כשהעוף מנסה לתפוס את הפכסם הוא מניע מוט (F) וכך מפיל זרעונים מכלי בקצה השני של המוט (G) אל תוך דלי (H). המשקל העודף של הזרעונים מוביל למשיכת החוט שעליו תלוי הדלי (I) ומפעיל מצית (J) שמדליק רקטה (K) שבתחתיתה קשור מגל (L). עם השיגור המגל חותך חוט (M) שמחזיק מטוטלת עם מפית בקצה שלה. המטוטלת משתחררת ומביאה את המפית לנגב את שאריות המרק מהסנטר. המשימה הושלמה!
מכונה מורכבת מגוף בעל כמה חלקים וממקור אנרגיה להפעלתה. הזינוק הגדול בפיתוח מכונות חל במאה ה-19, בעקבות המהפכה התעשייתית. במהלכה הומצאו מכונות רבות שהקלו את חיי האדם, למשל על ידי ביצוע פעולות חוזרות ונשנות, או כאלה שדורשות כוח רב. קשה לדמיין את המציאות שלנו כיום ללא המכונות הזולות והאמינות המקיפות אותנו, כמו מכונות כביסה או מדיחי כלים.
איך פועלות מכונות רוב גולדברג?
בשונה ממכונות רגילות, מכונת רוב גולדברג היא אמצעי מסובך יתר על המידה, המכיל כמה שיותר שלבים, בדרך כלל לצורך ביצוע של משימה יומיומית פשוטה כמו קילוף תפוז, הכנת כריך וכן הלאה. המכונה מתוכננת בקפידה כך שכל שלב בפעילותה מפעיל את השלב העוקב בשרשרת של פעולות המובילה להשלמת המשימה בשלב האחרון.
לצורך הפעלת המכונה, ובמיוחד כדי לגרום לחלקיה לנוע ולהפעיל זה את זה, או להפעיל כוח מסוים, צריך לנצל אנרגיה קיימת או להעביר אנרגיה מחלק אחד למשנהו. מכונות רוב גולדברג מדגימות ביעילות העברת תנע משלב אחד לאחר והמרה של אנרגיה מסוג אחד לאחר. לדוגמה, כשעצם נע יש לו תנע – גודל שמורכב מצירוף של מסת הגוף ומהירותו. בשל חוק שימור התנע, כשהעצם יתנגש בעצם אחר הוא יעביר את התנע שלו אליו. כך עצם אחד יכול לגרום לעצם אחר לזוז.
בנוסף, המכונות הללו מבוססות על חוק שימור האנרגיה, כך שחלק מהשלבים מבוססים על העברת אנרגיה מסוג אחד לסוג אחר. שלבים אחרים במכונה אוצרים בתוכם אנרגיה רבה שמשתחררת כשהשלב הקודם מפעיל אותם. האנרגיה הזאת מכונה אנרגיה פוטנציאלית, כלומר אנרגיה ש"אגורה" בגוף כלשהו כתוצאה מכוח שהופעל עליו.
קיימות כמה צורות של אנרגיה פוטנציאלית, וביניהן גובה, אנרגיה אלסטית, כימית או חשמלית. למשל אם נרים משקולת מהרצפה ונניח אותה בקצה שולחן, הפעלנו עליה כוח כנגד כוח הכבידה, ולכן היא אוגרת בתוכה אנרגיה פוטנציאלית כבידתית, הקרויה גם אנרגיית גובה. כשהמכונה תפעל וכדור כבד יתנגש במשקולת שלנו, הוא יגרום לה ליפול. בעת נפילתה כוח הכבידה יגרום לה להאיץ כלפי הרצפה, והאנרגיה הפוטנציאלית שלה תומר לתנועה, כלומר אנרגיה קינטית.
כל השלבים צריכים להתגבר גם על כוח החיכוך. הכוח הזה מתחלק לשניים: החיכוך הסטטי פועל כשגוף אחד מונח ללא תנועה על גוף שני ומונע ממנו לזוז ממקומו. לעומתו, החיכוך הדינמי פועל כשגוף אחד מחליק על פני גוף שני, ונוצר כוח בעל גודל קבוע שפועל נגד כיוון התנועה.
את כוח החיכוך אנו מכירים היטב מחיי היומיום. למשל כשאנחנו מנסים להזיז שידה כבדה המונחת על הרצפה נגלה שעלינו להפעיל כוח רב כדי להתגבר על החיכוך הסטטי עד לתחילת תנועתה. במקרים רבים נידרש להפעיל קצת פחות כוח כדי לשמור על התנועה אחרי שכבר החלה. הסיבה היא שבמקרים רבים, בהתאם לחומרים המעורבים בעניין, כוח החיכוך הסטטי המרבי גבוה יותר מכוח החיכוך הדינמי. בצורה דומה, גם במכונות רוב גולדברג פעולת כל החלקים צריכה לקחת בחשבון את כוחות החיכוך הסטטי והדינמי כדי לאפשר למכונה להשלים את משימתה.
כלי חינוכי
תחרויות ליצירת מכונות בסגנון רוב גולדברג מקובלות מאוד באוניברסיטאות בארצות הברית ובמקומות אחרים בעולם. מעבר לעצם ההנאה מבניית המכונה, הדבר דורש להבין וליישם עקרונות בסיסיים כמו המרת אנרגיה. כמו כן, נוסף על יצירתיות, יש צורך גם בסבלנות רבה לבחינת פעולתם של השלבים שוב ושוב, כדי לוודא שכל אחד מהם אכן מפעיל בהצלחה את השלב הבא אחריו.
תחרות כזו מתקיימת מדי שנה גם במכון דוידסון לחינוך מדעי במסגרת מסלול "שביט" לקידום מצוינות בחטיבת הביניים. "תחרות בניית מכונות רוב-גולדברג היא אחד מרגעי השיא בכנסי הבוגרים של מסלול שביט", אומרת ראש המסלול, ד"ר עינת שפרינצק. "המשימה שהוצבה השנה לתלמידי כיתות ט' הייתה להנחית חללית על ירח - כלומר להנחית דגם של החללית "בראשית" באמצעות שימוש בעקרונות פיזיקליים או דרכים מדעיות אחרות, לפחות בעשר תחנות של העברת אנרגיה. 14 מכונות התמודדו בתחרות בשלושה כינוסים, רובן הצליחו לנחות בשלום על הבמה, וכל נחיתה מוצלחת גררה צרחות שמחה רבות והתרגשות".
בכינוס הראשון ניצח צוות תיכון אורט לוד ערבי, בראשות המורה חנין נסאר, עם מכונה שניצלה גובה רב להמרת אנרגיה:
בכינוס השני זכתה המכונה של קרית החינוך למדעים רחובות. המורה שחר אברמוביץ' והתלמידים בנו מכונה מתוחכמת שהשתמשה בהעברות אנרגיה מגוונות:
בכינוס השלישי ניצחה המכונה המורכבת של תיכון כפר ברא, שבנו המורה סלואה ריאן ותלמידיה:
