בניסוי הזה נבנה מצנח משקיות, ונראה שהוא יכול להאט בצורה משמעותית נפילה של חפצים.
ציוד
- מספריים
- חוט תפירה עבה או חוט ריקמה
- נייר דבק (סלוטייפ)
- 2 אטבים (מהדקי נייר) משרדיים גדולים, או 4-3 אטבים קטנים
- שקית ניילון (המונח המדויק הוא פוליאתילן) גדולה של כריכים או של אריזת קניות
מהלך הניסוי
את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:
הסבר
על כל הגופים שנמצאים על כדור הארץ פועל "כוח המשיכה" שמושך אותם כלפי מטה (יותר מדויק לומר שכוח המשיכה מושך את כל הגופים שעל כדור הארץ לכיוון מרכז כדור הארץ). ולכן, כשאנחנו מחזיקים חפץ במקום גבוה ועוזבים אותו – הוא נופל.
מתברר שכפי שגילה הפיסיקאי אייזיק ניוטון, במה שידוע כחוק השני של ניוטון, כשפועל כוח על גופים הם לא נשארים במהירות קבועה, אלא מאיצים – כלומר מגבירים בהדרגה את המהירות שלהם.
אבל התיאור הזה לא לגמרי מדויק, מפני שסביב כדור הארץ יש שכבה עבה של אוויר. גם אם בדרך כלל אנחנו לא שמים אליו לב, האוויר מפעיל כוח התנגדות שנקרא בשפה המקצועית "כוח גרר", שמתנגד לתנועת גופים בתוכו. בדיוק אותו כוח קיים גם במים, כך שאם תנסו ללכת בתוך בריכת מים תרגישו שזה מאוד קשה, בגלל כוח הגרר (כוח ההתנגדות) של המים.
כוח הגרר תלוי בהרבה גורמים, כמו צפיפות האוויר, שטח הגוף שנופל והצורה הגיאומטרית שלו, וגם במהירות התנועה של החפץ. תפקידו של המצנח הוא להגדיל את כוח הגרר לרמה כזאת שהוא ישתווה לכוח המשיכה ויבטל אותו, כך שחפץ שנופל לא יאיץ יותר אלא רק ימשיך ליפול במהירות קבועה ואיטית. זה בעצם החוק הראשון של ניוטון – שאומר שכאשר לא פועל על גוף כוח, הוא ימשיך לנוע בדיוק באותה מהירות.
כשקופצים עם מצנח, מה שקורה הוא שבתחלה אכן נופלים ומאיצים – כלומר מגבירים את המהירות – אבל כיוון שכוח הגרר תלוי במהירות (ואפילו בחזקת 2, כלומר על חפץ שנע במהירות גדולה פי שניים מחפץ אחר פועל כוח גרר גדול פי ארבעה), מגיעים תוך זמן קצר למהירות שבה כוח התנגדות האוויר משתווה לכוח המשיכה, כך שבחישוב הכולל (נטו) לא פועל שום כוח על הגוף הנופל, והוא מפסיק להאיץ ורק נופל באותה מהירות קבועה וסופית שאליה כבר הגיע.
 |
מצנח צבאי אמריקאי | התמונה לקוחה מוויקיפדיה
במצנחים שמיועדים לבני אדם, יוצרים את המצנח בגודל ובצורה שיתאימו למשקלו של צנחן ממוצע, כך שמהירות הנפילה הסופית תהיה איטית מספיק (6-5 מטרים לשנייה) כדי שהצנחן לא ייפצע כשיפגע בקרקע במהירות הנפילה הקבועה הזו. אם אדם יקפוץ ממטוס ללא מצנח – מהירות הנפילה שלו תגיע לכמאתיים קמ"ש (55.6 מטרים לשנייה), כלומר המצנח מאט את מהירות הנפילה הסופית פי עשרה.
בניסוי שלנו רואים שלמצנחים בעיצובים שונים בגדלים שונים של מצנחים תהיה יעילות שונה – כלומר מהירות הנפילה תהיה שונה. בכל מקרה, המצנח תמיד יאט בהרבה את מהירות הנפילה לעומת אטבים שנופלים ללא מצנח.
מעניין לציין
כוח הגרר משפיע גם על ניצול הדלק בנסיעה במכונית, מפני שככל שנוסעים יותר מהר כוח הגרר חזק יותר. בגלל זה, כשנוסעים במהירויות גבוהות צורכות יותר דלק יחסית למהירויות נמוכות, ולכן אמנם מגיעים ליעד מהר יותר אבל מבזבזים בכל זאת יותר דלק. חישובים מראים שמהירות של 90-80 קמ"ש היא המהירות היעילה ביותר מבחינת צריכת הדלק של המכונית.
במכוניות, בניגוד למצנחים – כוח הגרר הוא דבר שאנחנו שואפים לצמצם, כי הרי אנחנו לא רוצים להאט את המכונית. יצרני הרכב מנסים לבנות מכוניות בעלות מבנה כמה שיותר "אווירודינמי", כלומר עם כמה שפחות התנגדות של האוויר, ומשתמשים לשם כך בצורות חלקות ומחודדות בקצה, כמו חץ או קליע.
בנוסף, ניוטון גילה עוד חוק הקשור לכוחות – החוק השלישי של ניוטון, שבאמצעות עקרונותיו נעים מטוסים וטילים, ראו כאן איך לבנות מטוס סילון מבלון.
