ניסויים מדעיים מפתיעים שאפשר לעשות ליד שולחן החג

לכבוד הפסח, קבלו 10 טריקים שאפשר לעשות בקלות (יחסית) על שולחן החג, שישאירו את הצופים בפה פעור. צפו בסרטון:

הסבר על הניסויים בסרטון

1.סכו"ם פורח באוויר
מרכז מסה, או מרכז כובד, הוא נקודה שאפשר למצוא עבור גופים וצורות, והוא מייצג מבחינה פיזיקלית את המיקום של כל המסה של הגוף – כאילו המסה לא באמת מפוזרת בכל שטחו אלא מרוכזת בנקודה יחידה. אם יש תמיכה מעל או מתחת מרכז המסה של גוף הוא נשאר יציב ולא נופל.

בגופים בעלי צורות מסובכות או פיזור מסה מורכב, נקודת מרכז הכובד אינה נמצאת במרכז, והיא יכולה להימצא אפילו מחוץ לגוף! כך קורה גם עם הכף והמזלג. בגלל הידיות הכבדות שלהם והצורה הזוויתית שבה הם מחוברים, נקודת מרכז המסה שלהם נמצאת ביניהם – אי שם בין הידיות לקצה, במרחב שבין הכף למזלג. כפי שאפשר לראות בסרטון, אם מחברים קיסם שעובר בדיוק בנקודת מרכז המסה, אפשר להשעין עליו את המערכת בלי שתזוז כלל. צריך בדרך כלל לחפש קצת את הזווית המדויקת של הקיסם כדי למצוא בדיוק את נקודת מרכז המסה של המערכת.
למידע מורחב ראו כף ומזלג מרחפים באוויר.

2. ביצה עומדת
בהמשך להסבר על הניסוי הקודם, בגלל הצורה העגלגלה של הביצה, נקודת המגע שלה עם השולחן קטנה מאוד, וקשה מאוד למצוא את הנקודה הספציפית שתהיה בדיוק מתחת מרכז המסה שלה, כך שלא תזוז ותיפול. גרגירי מלח מספיקים ליצירת בסיס יציב ורחב מספיק, המבטיח שמרכז המסה של הביצה יהיה מעל נקודת תמיכה. מספיקים לכך גרגירים אחדים שיתמכו בביצה. לכן כשמעיפים בנשיפה את המלח מתחת לביצה נראה שהיא עומדת על השולחן, אך אם תרימו אותה ותסתכלו היטב תראו שתמיד יש מתחתיה גרגירים אחדים שעליהם היא נשענה.

3. נגינה על כוסות יין
קולות וצלילים הם גלים שנעים באוויר ומגיעים לאוזנינו. כדי ליצור גלי קול – צריך להרעיד את האוויר. מיתרי הקול בגרון שלנו עושים את זה, וגם כל כלי הנגינה. כך גם הכוס המנגנת. כשמעבירים אצבע נקייה ורטובה על פני הכוס, כוח החיכוך בינה לבין הכוס גורם לאצבע להידבק לדופן הכוס ולהשתחרר ממנה לסירוגין, ולכן גורם לכוס לרטוט. אם יש שומן בין האצבע לכוס, כוח החיכוך מצומצם מאוד, כך שהאצבע מחליקה בקלות על הכוס ולא יוצרת די רטט – ולכן יש לרחוץ את הידיים בסבון לפני הניסוי. קשה להבחין בעיניים ברטיטות הקטנות האלה, אבל את התוצאות שלהן אפשר לשמוע וגם לראות היטב: אם מסתכלים על פני המים בזמן הפעולה, רואים שנוצרים בהם אדוות.
למידע מורחב ראו נגינה על כוסות.

4. כוכב מקיסמי שיניים
כאשר שוברים קיסם שיניים מעץ, מותחים ודוחסים חלק מהסיבים שלו. כאשר מטפטים מים על אזור השבר, סיבי העץ היבשים מתחילים לספוג את המים, להתנפח ולהתפשט. התופעה מתרחשת בכל קיסם וקיסם, וכתוצאה מההתפשטות הסיבים באזור השבר, הקיסמים מתחילים להתיישר. זה גורם להם לגעת זה בזה ולדחוף זה את זה, עד שנוצרת צורת הכוכב.

5. איך להפוך כוס בלי לשפוך את המים?
המים יוצרים על פניהם מעיין קרום דקיק שמכסה אותם ונקרא "מתח פנים", הנייר שממנו עשויה המפית אינו אטום לחלוטין, ויש בו נקבוביות רבות. כאשר הוא נרטב, הנקבוביות מתמלאות בנוזל ונוצר עליהן מעין קרום דק של מים בשל מתח הפנים, בדומה לקרום הדק של בועת סבון. הקרום הזה יכול לעמוד בלחצים לא קטנים בלי להיקרע. כאשר אוטמים כוס מלאה במים בנייר רטוב והופכים אותה, פועלים על פני הנייר (ועל פני קרומי המים הקטנים שאוטמים אותו) שני כוחות מנוגדים. ראשית, כוח המשיכה גורם למים להפעיל לחץ כלפי מטה. אולם ברגע שהמים מתחילים לנוע למטה מתוך הכוס המלאה, אפילו אם זו רק תנועה בלתי נראית של שברירי מילימטר, הלחץ בכוס יורד משום שלא נכנס אליה שום חומר אחר במקום המים, כך שנפח האוויר הלכוד בכוס גדל. התוצאה היא שהלחץ בתוך הכוס הופך להיות נמוך יותר מלחץ האוויר החיצוני ולכן תנועת המים נפסקת (לחץ האוויר החיצוני לוחץ עליהם מלמטה) – והמים לא נשפכים. שימו לב שככל שיש פחות אוויר בכוס השינוי בנפח (כשהמים מתחילים לזרום) יהיה יחסית יותר גדול – ואז יהיה שינוי יותר גדול בלחץ – שימנע מהמים לזרום, בקיצור – יותר מים ופחות אוויר – מעלים את סיכויי ההצלחה של הקסם.
למידע נוסף ראו איך להפוך כוס בלי שתישפך.

6. איך להפוך פחית שתייה בלי לשפוך את תכולתה?
כאמור - המים יוצרים קרום דקיק שמכסה אותם ונקרא "מתח פנים". 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 (מתח הפנים מונע כניסה של אוויר פנימה). 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. ההבדל בין הניסוי הזה לקודם הוא בגודל הפתח. בגלל שבפחית הוא קטן יחסית, מתח הפנים מחזיק מעמד (שטח כזה הוא בערך המקסימום שמתח הפנים יכול להחזיק), ובגלל שפתח הכוס רחב מאוד, דרושה המפית כדי לחלק את השטח להמון פתחים קטנים, בין סיבי הנייר, בהם יכול מתח הפנים להאחז. לצורך העניין, בניסוי הקודם אפשר גם להשתמש במסננת תה במקום נייר – כדי לחלק את הפתח הגדול של הכוס למשטחים קטנים.
להרחבה ראו להפוך פחית.

7. ביצה שוקעת, צפה ומרחפת
כדי לדעת אם חומר יצוף על חומר אחר או ישקע בו, כל מה שאנו צריכים לדעת הוא גודל אחד בלבד: הצפיפות או המשקל הסגולי. הצפיפות מודדת כמה צפוף החומר, כלומר כמה מסה יש בו ביחס לנפח, ולכן נמדדת ביחידות של מסה לנפח, כמו גרם לסמ"ק. חומר פחות צפוף (בשפת היום יום היינו אומרים 'חומר קל') יצוף על חומר יותר צפוף – וההפך: חומר צפוף ישקע בתוך חומר פחות צפוף.

כאשר אנו מוסיפים מלח למים אנו מעלים את הצפיפות שלהם. ברגע שהצפיפות של המים גדולה מזו של הביצה (בערך 4 כפיות מלח בכוס מים) – ביצים יצופו על המים. גם מים ללא מלח צפים על פני מים מלוחים. לכן כשמזגנו בעדינות שכבת מי ברז על פני מי-מלח, יצרנו כוס עם שני אזורי צפיפות, כך שביצה נתקעה בגבול ביניהם.

8. איך להרים כוס בלי להחזיק אותה?
לא רק הדגים חיים בתוך אוקיינוס, אלא גם אנחנו – אוקיינוס של אוויר. מסת האוויר וצפיפותו אמנם קטנים מאוד לעומת המים שבים (כל סמ"ק של אוויר שוקל קרוב למיליגרם אחד, כלומר אלפית הגרם בלבד) – ובכל זאת כמות האוויר העצומה שיש סביבנו מפעילה לחץ רב על כל דבר שנמצא על פני כדור הארץ.  שינוי הזווית של היד מגדיל את נפח האוויר הכלוא בין הכוס ליד (או בין היד לתחתית הבקבוק) ובכך מקטין את הלחץ שבתוכה. זה חוק פיזיקלי שנקרא "חוק בויל" – כאשר מגדילים נפח של גז – הלחץ שלו יורד, ככה עובדת 'פומפה' וכך גם בהדגמה הזו. כיוון שלחץ אוויר החיצוני גדול יותר מהלחץ הנמוך שבין היד לכוס, בסך הכל מופעל על הכוס כוח שקול הפועל מלמטה כלפי מעלה, שגורם לכוס להילחץ ולהיצמד אל כף היד. גם כאן – ככל שיש פחות אוויר בכוס (ויותר מים) הלחץ בין היד לכוס יהיה נמוך יותר ובכך עולים סיכויי ההצלחה של ההדגמה. בכל מקרה מומלץ להתאמן לפני שמדגימים.
להרחבה ראו – איך להפוך כוס בלי שהמים יישפכו ואיך להרים כוס הפוך.

9. האצבע המשותקת
הגידים הם רצועות דקיקות המחברות בין שרירים לעצמות. הגידים נראים כמו חוטים לבנים והם חזקים למדי. כששריר מתכווץ הוא מושך גיד, שמושך את העצם המחוברת אליו וגורם לה לנוע. ככה נעים כל המפרקים שלנו, בהם גם האצבעות. שני סוגי גידים מחברים את השרירים לאצבעות: גידים מיישרים שנמצאים בגב כף היד ומושכים את האצבעות למצב ישר ואפילו מעט אחורה, וגידים מכופפים שנמצאים בצד הפנימי של כף היד, וגורמים לאצבעות להתכופף. הגיד המיישר של הקמיצה – האצבע הרביעית – מחובר לגיד המיישר של האמה – האצבע השלישית. לכן כשמכופפים חזק את האמה, הגיד של הקמיצה נמשך איתו למטה ואי אפשר להרים את הקמיצה. גם גידים של אצבעות אחרות מחוברים לגידים של אצבעות סמוכות, פרט לאגודל שהגיד שלו נפרד לחלוטין. הגיד של הקמיצה, למשל, מחובר גם לגיד של הזרת, ולכן גם אם מכופפים את הזרת קשה מאוד להרים את הקמיצה – ואם מכופפים את הקמיצה כמעט אי אפשר להרים את הזרת. גיד האצבע, בתורו, מחובר לזה של האמה. כך שאפשר לעשות הרבה משחקים נוספים עם האצבעות.
להרחבה ראו ניסוי האצבע המשותקת.

10. סביבון פסח
למרות פשטות ההדגמה, הפיזיקה של סביבונים שמשנים את כיוון ציר הסיבוב שלהם היא מסובכת מאוד, על כך מעידה התמונה המפורסמת של שני חתני פרס נובל בפיזיקה, וולפגנג פאולי ונילס בוהר מסתכלים בפליאה בסביבון מתהפך.

תופעה פיזיקלית מורכבת. וולפגנג פאולי (משמאל) ונילס בור בוחנים היפוך של סביבון | צילום: Science Photo Library
תופעה פיזיקלית מורכבת. וולפגנג פאולי (משמאל) ונילס בור בוחנים היפוך של סביבון | צילום: Science Photo Library
 

בקצרה נאמר רק שכדי לשנות כיוון של גוף מסתובב יש להפעיל עליו גודל שנקרא מומנט כוח או מומנט סיבוב. זה מה שאנו עושים כאשר אנו מזיזים כידון של אופניים. כוח החיכוך בין הביצה המסתובבת למשטח הוא שיוצר את מומנט הכוח המאפשר לביצה לשנות את ציר הסיבוב שלה. ההדגמה 'מפליאה' כל כך מבחינה פיזיקלית, משום שכאשר הביצה נעמדת, גם מרכז המסה שלה עולה (תופעה שלא מתרחשת בדרך כלל). בהדגמה יש להשתמש בביצה קשה, משום שביצה לא מבושלת לא מסתובבת טוב.
להרחבה ראו סרטון על צעצועים מסתובבים (באנגלית).