נפלאות הפיזיקה: חוקרים הצליחו "לרמות" סירה ולגרום לה לצוף על נוזל מרחף באוויר כשהמפרש כלפי מטה

בדרך כלל, כשאנחנו חושבים על ספינה שטה, אנחנו מדמיינים אותה נעה על פני המים. למה לדמיין אחרת? אולם בניסוי חדשני הוכיחו חוקרים שאפשר גם אחרת – וגרמו לסירה לצוף הפוכה על שכבת נוזל מרחפת באוויר.

סירות צפות על פני המים בזכות כוח העילוי, שגודלו נקבע באמצעות חוק ארכימדס, הקושר בין הכוח שפועל על גוף השקוע בנוזל לבין המשקל של נפח הנוזל שהוא דחק החוצה. מאותה סיבה גם גזים נוטים לצוף על פני נוזלים משום שהם פחות צפופים. כך למשל קורה לבועות הפחמן הדו-חמצני שעולות למעלה במשקאות תוססים. כך גם נוזלים צפופים פחות ישאפו לצוף על פני נוזלים צפופים יותר. לכן אם נשפוך מים על שמן ונחכה מעט, נראה שהשמן יצוף על פני המים. 

אפשר להתייחס למצב שבו השמן צף על פני המים כמצב שיווי המשקל של המערכת – זה שבו הכוחות שפועלים על הנוזלים מתאזנים. דרך אחרת להתייחס לזה היא לומר ששיווי המשקל הוא המצב שהמערכת "שואפת" להיות בו אם ניתן לה די זמן.

אפשר לשוט על המים גם אם הם למעלה והספינה למטה. סרטון קצרצר של מכון ESPCI על הניסוי: 

המטוטלת התבלבלה

באופן דומה, גם למטוטלת יש מצב של שיווי משקל – היא שואפת להיות בנקודה הנמוכה ביותר האפשרית עבורה. אם נסיט אותה מעט מהנקודה הזאת היא תשאף לחזור אליה. להלכה יש למטוטלת גם נקודת שיווי משקל נוספת, שבה כל הכוחות שפועלים עליה מבטלים בדיוק אחד את השני. מדובר כמובן בנקודה הגבוהה ביותר במעגל שהמטוטלת יכולה ליצור במהלך תנועתה. אך נקודת שיווי המשקל הזאת אינה יציבה, שכן מספיקה התזוזה הקטנה ביותר מהמצב זה כדי שהמטוטלת תיפול ותשאף להתייצב שוב בנקודה הנמוכה ביותר. 

כל זה נכון כל עוד לא "מרמים". ב-1951 גילה פיזיקאי הרוסי ולימים חתן פרס נובל פיוטר קפיצה (Kapitza) שאם מרעידים מטוטלת למעלה ולמטה בתדירות המתאימה, נקודת השיווי המשקל העליונה תהפוך יציבה ואילו הנמוכה תאבד את יציבותה. במצב הזה המטוטלת תשאף לפנות כלפי מעלה.

מה יקרה אם במקום המטוטלת נשתמש באוויר? האם אפשר לגרום לנוזל לרחף מעל האוויר, בניגוד לשיווי המשקל היציב הרגיל שלו? באופן מאוד לא אינטואיטיבי התשובה היא כן. במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature תיארה קבוצת חוקרים ממכון ESPCI בפריז איך היא השיטה סירה הפוכה על פני נוזל שמרחף על גבי אוויר.

החוקרים בנו לשם כך מתקן פשוט יחסית שרוטט בתדירות של כמאה מחזורים בשנייה (100 הרץ) והשתמשו בגליצרול ובשמן סיליקון, שהם נוזלים צמיגיים יחסית. כך הם הצליחו לגרום לבועות אוויר להידחף למטה וליצור שכבת אוויר דחוס מתחת לנוזל. שכבת האוויר הדחוס הרוטטת שימשה מעין כרית אוויר שלא מאפשרת לנוזל להגיע לתחתית, כלומר לנקודת שיווי המשקל היציבה הרגילה של המערכת. מדובר בתהליך דומה לזה שבו הרטיטות של מטוטלת קפיצה מונעות ממנה להתייצב בנקודת שיווי המשקל הרגילה. 

בריאיון לניו יורק טיימס הסבירו החוקרים כי העובדה שאפשר לגרום לנוזלים לרחף אינה חדשה. התגלית המפתיעה והלא מובנת מאליה שלהם היא שאפשר לגרום גם לעצמים אחרים לרחף לאורך שכבת הנוזל בזכות הכוח שמייצר האוויר הדחוס שמתחתיה. החוקרים מצאו כי חוק ארכימדס עובד גם במקרה הזה – על הספינה (ההפוכה) פועל כוח כלפי מעלה ששווה לנפח הנוזל שהיא דוחקת החוצה – אף על פי שהנוזל נמצא מעליה. הכוח הזה מאזן את כוח הכבידה שמושך את הספינה כלפי מטה. 

באמצעות ההתקן שלהם הצליחו החוקרים לגרום לנפח של כחצי ליטר נוזל לרחף באוויר, ולטענתם כמות הנוזל שאפשר לייצב באוויר אינה מוגבלת. בנוסף הם הראו שאפשר לערום כמה שכבות של נוזל-אוויר זו על גבי זו.

לתגלית יכולות להיות השלכות יישומיות בתחום של ערבוב נוזלים ומוצקים. חוץ מההדגמה המשעשעת של סירה הפוכה, היא גם מראה שיש עוד הרבה מה ללמוד על תופעות שמתרחשות באזור המגע בין נוזלים לגזים במערכות רוטטות.

 

הסבר קצת יותר מפורט - סרטון של nature על המחקר (באנגלית):