איך לנפח בלון בתוך בקבוק?

הנה לכם ניסוי שכדאי לעשות בתור התערבות משעשעת עם אנשים – לבקש מהם לנפח בלון בתוך בקבוק, ואחרי שיתייאשו להראות להם איך עושים את זה באמת ;-)
הניסוי מחייב השגחה של מבוגר!

ציוד

• בלון
• בקבוק זכוכית
• מים רותחים (זהירות!)
• מגבת או כפפת מטבח

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הסבר

האוויר הסובב אותנו הוא חומר לכל דבר – הוא פשוט נמצא במצב צבירה גזי. כמו בחומרים מוצקים ונוזלים, גם לגזים יש נפח, אם כי בניגוד להם גז יכול להידחס בקלות רבה כשמפעילים עליו לחץ. כשאנחנו מלבישים את הבלון על פתח הבקבוק וחוסמים אותו לחלוטין, האוויר שבתוך הבקבוק אינו יכול לצאת ולפנות מקום לבלון המתנפח, ולכן אי אפשר לנפח את הבלון במצב הזה. או ליתר דיוק, בני אדם אינם יכולים לעשות את זה – משאבת לחץ אוויר חזקה מספיק תצליח לנפח בלון גם כשהוא בתוך בקבוק על ידי הפעלת לחץ חזק שידחס את האוויר שבתוך הבקבוק. ריאות אנושיות אינן חזקות מספיק בשביל זה.

אפשר להבין את העניין בצורה ברורה יותר אם במקום אוויר נחשוב על מים (נוזל). ברור לחלוטין שאם נכניס חומר נוסף (מוצק או נוזל) לכלי עם מים, החומר הנוסף ידחה את המים החוצה – זה אחד העקרונות של חוק ארכימדס. באותה צורה, אם נמלא כוס עד הסוף בגולות זכוכית מוצקות ונרצה להכניס לתוכה גולות אחרות, נצטרך קודם להוציא חלק מהגולות שכבר קיימות בו.

השיטה שבה אנו משתמשים כדי לנפח בכל זאת את הבלון בתוך הבקבוק מבוססת על חוקי הגזים שמקשרים בין נפח, לחץ, טמפרטורה וכמות של גז. בין היתר החוקים האלה קובעים שיש יחס ישר בין טמפרטורה לבין נפח של גז כל עוד נשמר לחץ קבוע. כלומר, כשמחממים גז הנפח שלו גדל, וכשמקררים אותו הנפח קטן. התופעה הזו מכונה "חוק שארל".

כמו כן נמצא שיש יחס ישר בין טמפרטורה לבין לחץ הגז כל עוד שומרים על נפח קבוע. כלומר, כשמחממים גז בכלי סגור הלחץ שלו עולה, וכשמקררים אותו הלחץ יורד. התופעה הזאת, הדומה מאוד לקודמת, מכונה "חוק ג'יי לוסק".

על פי שני החוקים האלה אפשר להסביר את מה שמתרחש בניסוי – אנו אוטמים את הבקבוק בבלון כאשר הוא חם ומכיל גז חם, אבל הלחץ בתוכו זהה בדיוק ללחוץ האוויר בחוץ ברגע שבו חסמנו את פתח הבקבוק. תוך זמן לא ארוך הבקבוק והגז שבתוכו מתקררים והלחץ בתוך הבקבוק יורד. כשזה קורה, לחץ האוויר החיצוני הופך להיות גדול יותר מלחץ האוויר שבבקבוק, והאוויר שבחוץ לוחץ כל דפנות הבלון ומנפח אותו.

את ההסבר הז הבאנו מנקודת המבט של חוק ג'יי לוסק. נסו לחשוב על הסבר דומה מנקודת המבט של "חוק שארל" המדבר על נפחים. שימו לב שבפועל שני החוקים שקולים זה לזה ונגזרים מתוך חוק אחד כולל שמנוסח במשוואת הגזים. פירוט שלו תוכלו לראות בקישור למעלה.

מעניין לציין

יש שיטה נוספת לניפוח בלון בתוך בקבוק (ניסוי נוסף באתר).