"אאוריקה", הצעקה שפלט כביכול ארכימדס כשהבין מדוע המים נשפכים כשגוף מוכנס לתוך כלי המכיל מים, היא אולי הקריאה המפורסמת ביותר בתולדות המדע. ארכימדס גילה למעשה את עקרון הציפה. כשגוף מוכנס לתוך נוזל, הנוזל מפעיל עליו כוח מנוגד לכיוון כוח המשיכה. הכוח הזה נקרא כוח ציפה. אם כוח הציפה וכוח המשיכה משתווים – הגוף צף על פני הנוזל. אם הנוזל אינו מסוגל להפעיל על הגוף כוח ציפה גדול מספיק וכוח המשיכה גובר על כוח הציפה, אזי הגוף ישקע במים ולא יצוף.
הסיבה לכוח הזה היא הבדלי הצפיפויות בין הגוף לנוזל. צפיפות הינה כמות המסה של הגוף ליחידת נפח. כלומר הצפיפות קובעת מהו הנפח של החומר שאנו צריכים לקחת כדי שמסתו תהיה כך וכך (למשל קילוגרם אחד). כשנפח כלשהו של הגוף שוקע בנוזל הוא תופס למעשה את מקומו של אותו נפח בדיוק של הנוזל עצמו, וכוח הציפה שווה לכוח המשיכה שפעל על הנוזל שמקומו נתפס.
מכאן אפשר להבין איך נוכל לדעת אם גוף יצוף או לא. אם צפיפות הגוף נמוכה מצפיפות הנוזל, אזי מספיק לדחות מים בנפח קטן יותר מנפח הגוף כדי לייצר כוח ציפה שיאזן את כוח המשיכה הפועל על הגוף, ולכן הגוף יצוף. אם אי אפשר לעשות את זה, כלומר אם צפיפות הגוף גבוהה מצפיפות הנוזל, הגוף ישקע.
היישומון שלפנינו מאפשר לקבל תחושה של התופעה הזאת ולהבין אותה על ידי השוואה בין גופים רבים. כדי מנת לצפות ביישומון לחצו על התמונה שלמטה ופתחו את הקובץ המקושר (יישומון ג'אווה).
היישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו.
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.
היישומון פועל כך: לפניכם מונח מכל מלא נוזל ואתם יכולים לבחור אם מדובר במים או שמן, שני חומרים שהצפיפות שלהם שונה. כמו כן יש ברשותכם שני גופים שאתם יכולים להזיז. בצד שמאל נמצאת תיבה שבה תוכלו לשלוט על הכוחות שאתם רואים ועל ייצוגם. כמו כן קיימים שני משקלים, אחד בתוך הנוזל והשני בחוץ. אם תניחו עצם על המשקל, תראו את משקלו. בצד ימין קיימת תיבה שמאפשרת לכם לבחור אם שני העצמים יהיו בעלי אותה מסה, אותו נפח או אותה צפיפות.
היישומון מתחיל בלשונית המבוא, במצב שבו לשני הגופים יש מסה זהה אך צפיפות ונפח שונים מאוד. אם תסמנו את הכוחות "כבידה" ו"מגע" (כלומר הכוח הנורמלי שהמשטח מפעיל על הגוף) כשהעצמים מונחים על הרצפה, תראו שהם מבטלים זה את זה בדיוק, ולכן הגופים אינם נופלים דרך הרצפה.
קחו את תיבת העץ והניחו אותם בתוך הנוזל. תוכלו פשוט להניח אותה או לנסות להטביע אותה ואז לשחררה, בכל מקרה תראו שהתיבה צפה. אם תסמנו את כוח הציפה תוכלו עכשו לראות שהוא שווה לכוח המשיכה, לכן התיבה צפה. בצד ימין תוכלו לראו בכמה עלה מפלס הנוזל – הנתון מיוצג בליטרים. זכרו שנפח הנוזל שנדחה על ידי התיבה, כלומר כמות הליטרים שנוספו לנפח הנוזל היא זו שכוח המשיכה הפועל עליה, כלומר המסה שלה, שווה למסת התיבה. באמצעות הנתון הזה תוכלו לחשב מהי הצפיפות של המים או של השמן.
כעת הטבילו בנוזל את תיבת האבן. מיד תראו שהיא שוקעת, משום שצפיפות האבן גדולה יותר מצפיפות הנוזל. כשהאבן תנוח על הקרקעית תראו שכוח הציפה אמנם נמוך מכוח הכבידה, אבל כוח הציפה ביחד עם כוח המגע (כלומר הכוח הנורמלי שמפעילה רצפת המכל על התיבה) שווים בדיוק לכוח המשיכה.
תוכלו להבין את ההשפעה של זה אם תניחו את התיבה על המשקל מחוץ לנוזל ולאחר מכן בתוכו. הקריאה בשני המקרים תהיה שונה מאוד, מאחר שהמשקל מודד רק את כוח המגע (לא את מסת הגוף). זו הסיבה שאנחנו מרגישים שחפצים קלים יותר כשהם בתוך המים – כוח הציפה פועל נגד כוח המשיכה ומקטין את הכוח שעלינו להפעיל כדי להחזיק עצמים בלי שיפלו.
חזרו על הניסוי עם תיבות בעלות אותו נפח ובעלות אותו כושר ציפה וראו שאתם מבינים את כל התופעות שאתם רואים. אם תגלו דברים מעניינים או תתהו לגבי חלק מהתוצאות, פרסמו זאת כאן בפורום.
כעת תוכלו לעבור ללשונית השנייה, זו של מגרש המשחקים. בלשונית הזאת תוכלו לחזור על הניסוי שוב, אבל הפעם עם חופש פעולה הרבה יותר גדול. תוכלו להגדיר עצמים חדשים ולקבוע את צפיפותם ואת נפחם. בנוסף תוכלו לשנות את צפיפות הנוזל, מצפיפות זהה לזו של האוויר ועד לצפיפות כפולה מצפיפות המים. נסו למצוא פרמטרים מעניינים ותופעות מעניינות ופרסמו אותם בפורום.
ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
