בכל קיץ, כשמזג האוויר מתחמם והחופש הגדול נמצא בעיצומו, חופי הים מתמלאים במתרחצים. עד מהרה שוטף את כלי התקשורת גל של דיווחים המזהירים את המתרחצים מסכנת הסחיפה והטביעה בים. כל אמא וכל מציל יגידו באופן חד משמעי שהים מסוכן כי יש בו זרמים שעלולים למשוך בבת אחד אדם לעומק המים – אפילו כשמדובר בשחיין מיומן וחזק. האם מדובר בתופעת טבע או שמא זו עוד הגזמה של אמא? ואם אכן מדובר בתופעת טבע, מה גורם לה?

לאחרונה פורסמו תוצאות מחקר שהצליח לשחזר את תופעת "הזרמים המושכים" בתנאי מעבדה. בניסוי, שנעשה בשיתוף פעולה בין חוקרים מאוניברסיטת אוסטרליה ומכון ויצמן למדע, הדגימו החוקרים איך כשיוצרים גלים מחזוריים בנוזל מתפתחים בו זרמים "מושכים" המנוגדים לכיוון התקדמות הגל.

גלים במים

יש שיטות רבות ליצור גלים בנוזל. למשל, ב"בריכות גלים" בפארק מים יוצרים את הגלים על ידי הזרמת אוויר בלחץ גבוה לבריכה או באמצעות משוט רחב שזז קדימה ואחורה. בבריכות גדולות יותר משתמשים במשאבה גדולה שמזרימה במהירות רבה כמות גדולה של מים בקצה הבריכה. פני המים שואפים להתאזן וכך נוצר גל גדול למדי.

בניסוי שנעשה לאחרונה השתמשו החוקרים באמבט מים שלתוכו הכניסו צינור גלילי שמבצע תנועה מחזורית באמצעות מתנד (מכשיר שמחובר לגליל שמזיז אותו למעלה ולמטה בתדירות קבועה). הגליל התנודד במים ויצר את הגלים המחזוריים. כדי לזהות את הזרמים בנוזל הוכנסו פנימה "חלקיקי מעקב", שאפשרו לחוקרים לעקוב אחרי תנועת המים וללמוד על הזרמים שבתוכם. כל התהליך צולם במצלמה שהוצבה מעל האמבט לאורך כל הניסוי כמתואר בתרשים הבא.


מערך הניסוי. משמאל: מבט צד של הניסוי; מימין: תמונת המצלמה מלמעלה | כל התרשימים והסרטונים: על פי כתב העת Nature Physics.

כשהנידו את הגליל במשרעת נמוכה למעלה ולמטה נוצרו גלים מישוריים (גלים שחזיתות הגל שלהם הם מישורים מקבילים שמאונכים לכיוון התקדמות הגל) קרוב למרכז הגליל. המצלמה עקבה מלמעלה אחרי זרימת חלקיקי המעקב מהמתנד (הפס הלבן בראש התמונה מימין). בעת תנועת המתנד חלקיקי המעקב זזים, כך שאם עוקבים אחרי המיקום המשתנה שלהם אפשר לקבוע את כיוון הזרימה בכל נקודה. החוקרים עשו ממוצע של מיקום החלקיקים בעת פעולת המתנד לאורך זמן, וכך יכלו לראות את מסלול התנועה שלהם. התמונה המוצגת היא ממוצע של כל המיקומים על פני זמן ארוך.


משמאל: אילוסטרציה של הגלים במים והמתנד הגלילי; מימין: מסלולי תנועת החלקיקים לאורך זמן

התברר שבתנאים האלה הגלים יצרו זרם יוצא ארוך במאונך לגליל (החץ הכחול בתרשים) עם כיוון התקדמות הגלים, והוא חזר לכיוון הגליל דרך צדי המכל (החצים האדומים). עד כאן התופעה הגיונית – הרי כולם יודעים שהגלים מנסים להחזיר אותנו לחוף ואנחנו צריכים להיאבק כדי להיכנס למים.

כעת הגדילו החוקרים את משרעת הגליל שיוצר את הגלים. בעקבות זאת מהירות הזרם המישורי הנע כלפי חוץ גדלה, עד שקרה מהפך! כשמשרעת הגליל חצתה גודל "קריטי" מסוים נוצרים גלים תלת-ממדיים, בשונה מהגלים המישוריים שנוצרו במשרעות הנמוכות). הגלים האלה יצרו זרם הפוך, כלפי פנים, בכיוון נגדי לכיוון התקדמות של הגלים עצמם. הזרם ההפוך הזה נמצא רק על פני השטח, כלומר למרות היווצרותם של גלים תלת-ממדיים במערכת, הזרמים עצמם דו-ממדיים ואם יורדים סנטימטר אחד מתחת לפני המים לא מרגישים כמעט זרימה.


משמאל: הגלים התלת-ממדיים; מימין: מסלולי תנועת החלקיקים במשרעת הגבוהה; למטה: תנועת החלקיקים באזור שליד המתנד. החצים האדומים מסמנים את כיוון הזרימה

התוצאה הזו מפתיעה מאוד ונוגדת את האינטואיציה. הגלים שיוצר הגליל המתנדנד נעים החוצה אך הזרם שנוצר נע בכיוון ההפוך, כלפי פנים הגליל. הזרם שסוחף מים כלפי פנים יכול להגיע עד פי מאה ויותר מאורך הגל עצמו!

אותה תופעה חזרה על עצמה גם בטווח רחב של תדירויות של תנודת הגליל. התופעה הזו מפתיעה במיוחד כשהגליל מתנודד בתדירויות גבוהות: במקרה הזה נוצרים גלים בתדר גבוה שמושפעים מאוד מכוחות החיכוך בתוך המים ולכן דועכים במהירות, במרחק של פחות מעשרה אורכי גל. ועדיין, גם במצב הזה נוצרת סחיפה.

הגורם: מערבולות?

החוקרים סבורים שההסבר לתופעה הוא זרימה סטוכסטית (אקראית) ומערבולות שנוצרות בקרבת המתנד. בעקבות זאת מתרחשת תנועה ממוצעת של חלקיקים ממרכז המתנד אל הקצוות והתנועה הזאת יוצרת אפקט של שאיבה. בעקבות זאת, נוזל שנמצא רחוק מהמתנד נשאב פנימה ונוצר זרם שכיוונו הפוך לכיוון הגלים.

כדי לחקור את היווצרות האזור הסטוכסטי בקרבת המתנד חזרו החוקרים על הניסוי עם מתנדים בצורות שונות וגילו שצורת המתנד משפיעה מאוד על הזרימה הדו-ממדית שנוצרת. מתנדים שונים יצרו כמות שונה של מערבולות. מתנד בצורת חרוט, לדוגמה, יצר מערבולות רבות שביניהן היו זרמים שנעו כלפי פנים וכלפי חוץ לסירוגין. בפועל זה אומר שצורת החוף משפיעה מאוד על כיווני הזרמים לאורכו.


הזרימה במתנד חרוטי. זרמים פנימה והחוצה לסירוגין

זרמים מישוריים בכיוונים מתחלפים בין המערבולות

מדובר במחקר מרשים מאוד. באמצעות מערכת פשוטה הצליחו החוקרים לחשוף תופעה פיסיקלית ייחודית ומפתיעה בזרימת מים. הם הראו שכאשר המשרעת של גלים גבוהה מספיק ייווצרו סביבם זרמי שטח מושכים. המסקנה היא שאכן כדאי להיזהר בים סוער, לאו דווקא בגלל הגלים החזקים כמו בגלל הזרמים החזקים שמושכים אותנו לעומק המים. וכמובן החוקרים הצליחו לעשות עוד דבר, לא פחות חשוב: הם הצליחו להוכיח שוב שאמא אף פעם לא טועה!

אנה גריבנין, דוקטורנטית
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 בתגובה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

4 תגובות

  • אסף

    תמיד תהיתי לגבי

    זה שהגלים פונים לכיוון החוף, אך ניתן להיסחף אל הים.
    1) כתוב שהזרם ההפוך נמצא רק על פני השטח, כלומר אם משהו נסחף אל לב הים וצולל, הוא יושפע רק מהגלים "הרגילים" וייסחף אל החוף?

    2) משהו שמאוד מבלבל אותי: אני חושב ששמעתי שאם כדור צף על פני המים, ויש גלים בים הכדור ייעלה מעלה מטה אך לא יזרום עם כיוון הגל (בהזנחת כוח הרוח הישירה עליו), אך מן הסתם חול, וכל דבר שיימצא במים ינוע עם זרמי הים. אז איך זה מסתדר?
    (או שהחלק על הכדור שגוי?)
    תודה רבה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאנה גריבנין

    גלים וסחיפה

    1) משמעות העובדה שהזרם הוא רק על פני השטח היא שבעומק אין זרימה בכלל כלומר בעומק גופים לא יזוזו מצד אחד לשני. בתנאי המעבדה הזרימה הייתה רק בגובה של ס"מ מעל פני המים, בים תהיה זרימה גם בעומקים גבוהים יותר אך אם צוללים עמוק מספיק (למשל צוללנים) מספיק לרדת מטרים ספורים מתחת לפני המים והזרימה הופכת לחלשה הרבה יותר.

    2) התיאוריה על הכדור הצף היא נכונה - אך כאשר מגובר בגל עומד. כמו למשל באמבט גלים - נוצר גל עומד וכל חפץ אשר יימצא על פני המים או בתוכם ינוע רק מעלה מטה. כאן בניסוי יצרנו גל אשר מתקדם במרחב - ולכן הכדור ינוע על פני המים בכיוון הזרימה (כמו גם החול).

  • מישקה

    יש הרבה הבדלים בין אמבט לים

    איך את יכולה לדמות ים ענק עם אמבט קטן?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאנה גריבנין

    נכון

    אתה בהחלט צודק יש הבדלים רבים בין אמבט לבין ים.
    ההשוואה של הניסוי לגלים הנוצרים בים היא בעיקר כדי לתת אינטואיציה לניסוי. למעשה, דפנות הבריכה הן בעלות תפקיד חשוב, כי לאורכן זורם הזרם החוזר, ואילו בים אין דפנות (מלבד במקרים שיש מפרץ). כמו כן בים העומק אינו קבוע לעומת הניסוי וגם לזה השפעה על הגלים.