טיל זעיר המשוגר בכוח ההדף של גפרור

בניסוי זה נבנה משגר ורקטה קטנה מגפרור בודד, שיכולה להגיע לטווח של מטרים אחדים. הניסוי מחייב השגחה של אדם מבוגר!

ציוד

  •   רדיד אלומיניום
  •   גפרורים
  •   מצית ארוך צוואר
  •   מספריים
  •   מהדק נייר משרדי

הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

שימו לב שאין להשתמש ביותר מראש גפרור אחד לטיל: שימוש בכמות גדולה יותר הוא אסור ומסוכן.

הסבר

כדי להבין את עקרון התעופה של רקטות, צריך ראשית להכיר עקרון פיזיקלי שניסח אייזק ניוטון (1727-1643), מתמטיקאי ומדען בריטי שנחשב עד היום לאחד מגדולי הפיזיקאים בכל הזמנים. בין תגליותיו הרבות ניסח המדען הנודע את הטענה הבאה, המוכרת בשם "החוק השלישי של ניוטון": "בטבע, לכל פעולה יש תמיד תגובה נגדית שווה לה בעוצמתה והפוכה בכיוונה". ניוטון התכוון בניסוח הזה לכוחות, אך בדרך אגב נוכל לספר לכם שבהמשך התגלה שהחוק של ניוטון כללי יותר ותקף גם בהקשרים אחרים בפיזיקה והרבה יותר רחבים מעבר לכוחות – אבל לא כאן המקום לפרט.

 נחשב לאחד מגדולי הפיזיקאים בהיסטוריה. אייזק ניוטון | צילום:  Science Photo Library נחשב לאחד מגדולי הפיזיקאים בהיסטוריה. אייזק ניוטון | צילום:  Science Photo Library

אפשר לחוש בקלות בחוק השלישי של ניוטון אם מניחים יד על הקיר ודוחפים אותו בכוח גובר והולך. מיד נרגיש שככל שאנו דוחפים את הקיר יותר חזק כך גם אנחנו נדחפים חזק יותר לכיוון הנגדי, כלומר הקיר "דוחף" אותנו כאילו היה אדם שמפעיל עלינו כוח. למעשה, אם הרצפה חלקה מספיק, יכול מאוד להיות שנחליק אחורה כתוצאה מהדחיפה שדחפנו בעצמנו – לכיוון ההפוך מהקיר.

החוק השלישי של ניוטון הוא העיקרון שמאפשר לטילים ולמטוסי סלון לנוע – וכך גם לרקטת הגפרור הקטנה שבנינו: כאשר ראש הגפרור מתלקח נוצרים גזים רבים, בטמפרטורה גבוהה סביב ראש הגפרור שעטוף נייר אלומיניום. הגזים נפלטים בעוצמה דרך פתח הרקטה התחתון, ולפיכך, לפי החוק השלישי של ניוטון, דוחפים את הרקטה כולה לכיוון השני. בדיוק כמו בדוגמה שנתנו על יד שדוחפת קיר, למעשה כדי להיפלט לכיוון קצה הרקטה התחתון הגזים חייבים ראשית להילחץ ולדחוף את הקצה העליון שלה – דחיפה שגורמת לרקטה לנוע מעלה.
ראש הגפרור הוא למעשה סוג של דלק טילים מוצק: הוא מכיל תערובת של חומרים דליקים מוצקים עם חומר מחמצן מוצק – חומר בשם כלורט האשלגן. בשל עובדה זו ראש של גפרור מסוגל להתלקח ולבעור גם כאשר הוא נמצא במקום מבודד ללא חשיפה לאוויר – כמו בראש הרקטה שבנינו. הבערה מתחילה ברגע שמספקים לגפרור מספיק חום להתנעת תהליך הבעירה.

בניגוד למטוסים ומסוקים – שמשיגים את כוח העילוי שלהם על ידי הסטת או דחיקת אוויר כלפי מטה – ולכן יכולים לפעול רק במקומות שיש בהם אוויר, הטיל מייצר עבור עצמו בתהליך השריפה את הגזים הדוחפים אותו, ולכן מסוגל לטוס גם בחלל החיצון שם אין אוויר כלל, ואכן טילים הם המשמשים למסעות בחלל בימינו.

מעניין לציין

גם הטילים וגם התותחים מקורם בסין העתיקה, שם פותח לראשונה אבק השריפה השחור – שגם הוא, כמו החומר הנמצא בראש הגפרור, יכול להתלקח וליצור גזים רבים ללא צורך בחשיפה לחמצן שבאוויר.

גם פגז של תותח וגם טיל נעים בכוח דחף של גזים, ההבדל ביניהם הוא שבתותח חומר ההדף בוער מידית ונשאר בקנה התותח, כך שהפגז מקבל רק דחיפה ראשונית אחת. ואילו ברקטה חומר ההדף ממשיך לדחוף ולהאיץ את הרקטה תוך כדי מעופה (לפחות בחלק מהזמן).

במרוצת השנים שימשו תותחים וטילים כאמצעי לחימה, כאשר בתקופות מסויימות טכנולוגיית הטילים היו מתקדמות יותר ובתקופות מסויימות הועדפו טכונלוגיית התותחים. במאה ה19 ועד תחילת המאה ה-20 הטילים נזנחו לגמרי, עקב שיפורים בטכנולוגיית המתכת שאיפשרו בניית תותחים בעלי טווח ודיוק שאף טיל לא הצליח להתחרות איתם. סופר המדע הבדיוני הנודע ז'ול ורן כתב (חזה?) על מסע לירח באמצעות פגז של תותח, וגם סרט המדע הבדיוני הראשון – הציג מסע לירח באמצעות תותח. השיא הגיע במלחמת העולם הראשונה – שאז באמצעות תותח-על שנקרא 'תותח פריז' הפגיזו הגרמנים את העיר פריז ממרחק של יותר מ-120 קילומטרים. אולם בקרב הסופי 'ניצחו' לבסוף הטילים – בעקבות סדרה של פתוחים טכנולוגיים שהתרחשו בעיקר במלחמת העולם השנייה. ובסוף – לירח הגיעו באמצעות טיל.

ורגע של עברית לסיום: מבחינה לשונית טהורה, אין הבדל בין רקטה לטיל. למעשה ההגדרה של 'טיל' היא רחבה במיוחד: כל דבר שהוטל. בשפת ההנדסה המקצועית נוצרה ההבחנה כי טיל הוא רקטה בעלת יכולת ניווט והנחייה. לפיכך מה שבנינו בניסוי הזה (ללא כל מערכת הנחייה) הוא רקטה.

2 תגובות

  • יובל כפיר

    מסוכן מאד

    אחי הקטן איבד אצבע בצורה כזו - הוא התחיל מטילים קטנים כמו אלה שבניסוי הזה, ולאט לאט הגדיל את כמות ראשי הגפרורים ו"שיפר" את מבנה הטיל. בסופו של דבר אחד הטילים האלה התפוצץ לו ביד.
    ראשי גפרורים הם חומר מסוכן ביותר בכמויות גדולות. אני לא בטוח אם הסיכון שבפירסום הכתבה הזו לא עולה על הערך המוסף המדעי שלה.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    אחדד את האזהרות

    היי יובל
    אם מבצעים את הניסוי לפי הפרוצדורה שנתנו – עם גפרור בודד, ושומרים על כללי הזהירות שכתבנו, הסיכוי בניסוי מזערי, ודומה לסיכונים בניסויים ביתיים אחרים, כמו-כן מובהר שהניסוי מחייב השגחה של אדם מבוגר. הניסוי גם מופיע בספרי ניסויים לילדים שנמכרו בעבר. אני מבין את הסיכון, אבל פשוט לא רוצה שבשם גידורי זהירות לא יוצגו ניסויים יפים ומלמדים. אני לא סבור שאי-פרסום כתבה כזו יוסיף לזהירות ילדים – שהרי האינטרנט מלא במאות (אם לא לומר אלפי) סרטונים עם ניסויים מסוכנים בהרבה, כך שמי שחס וחלילה רוצה למצוא משהו מסוכן באמת יכול למצוא אותו בכל מקרה תוך כמה הקלדות על הטלפון. בכל מקרה אני אוסיף עוד חידוד זהירות לגבי שימוש בכמות גפרורים גדולה.
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע