בניסוי הזה נבנה "צוללן" בתוך בקבוק וכך נוכל לבחון את עקרון הציפה שמשמש צוללות, ספינות, כדורים פורחים ודגים מסוימים.
ציוד
- בקבוק שמפו או סבון שקוף מפלסטיק עם פקק מתברג ואטום
- טפי (רצוי מזכוכית עם ראש גומי, אך אפשר להשתמש גם בטפי פלסטיק פשוט). אם אינכם מוצאים טפי אפשר גם להשתמש בפקק אטום של עט, שמדביקים ללשונית שלו פיסת פלסטלינה קטנה בתור משקולת
- מים
הציוד הדרוש לניסוי
מהלך הניסוי
- מלאו את הבקבוק במים והכניסו לתוכו את הטפי הריק (או למעשה מלא באוויר). אם בחרתם להשתמש בפקק של עט עם פלסטלינה, שימו לב שכמות הפלסטלינה ששמתם לא תגרום לפקק לשקוע במים.
- ודאו שהבקבוק מלא לחלוטין במים וסגרו את הפקק היטב.
- כעת לחצו על דפנות הבקבוק וראו איך הצוללן (הטפי) שוקע.
שימו לב איך אפשר לשלוט בעומק שהצוללן נמצא בו על ידי הפעלת לחץ על דפנות הבקבוק או שחרורו.
הסבר
הניסוי הזה מדגים את אופן הפעולה של חוק הציפה של ארכימדס (או בקיצור חוק ארכימדס). ברגע שאנחנו סוגרים את הבקבוק אנחנו יוצרים מערכת סגורה. הפעלת לחץ מבחוץ תעלה את הלחץ בתוך המערכת הזו.
אם נתבונן היטב בפרטי המערכת הזאת נגלה שבבקבוק יש מרכיב נוזלי – המים, ומרכיב גזי – האוויר שבתוך הטפי. הצוללן פתוח רק בחלקו התחתון, כך שהאוויר שנמצא בחלק העליון של הצוללן אינו יכול לצאת ממנו, אבל מים יכולים להיכנס לתוך גוף הצוללן או לצאת ממנו דרך הפתח שבתחתיתו.
הצוללן בנוי כך שמשקלו הסגולי (הצפיפות שלו) קרוב למשקל הסגולי של המים. משקל סגולי או צפיפות הוא משקל כולל המחולק בנפח הכולל. בחישוב המשקל יש לקחת בחשבון את כל החלקים המחוברים לעצם מסוים. בצוללן, לדוגמה, יש להתחשב גם באוויר ובמים שבתוכו, וכמובן בגוף הצוללן עצמו. גוף ישקע במים אם משקלו הסגולי עולה על המשקל הסגולי של מים (שהוא גרם אחד לכל סמ"ק), ויצוף כשמשקלו הסגולי יהיה נמוך מהמשקל הסגולי של המים.
כשהלחץ בתוך המכל עולה בעקבות הלחץ שאנחנו מפעילים על דפנותיו, גובר גם הלחץ בתוך הצוללן. המים הם נוזל כמעט בלתי דחיס ולכן נפחם אינו משתנה כמעט כשהלחץ משתנה. לעומת זאת, גזים נדחסים בקלות ולכן בועת האוויר שבתוך הצוללן נדחסת ומים נוספים נכנסים לתוכו. כתוצאה מכך, משקלו הסגולי של הצוללן עולה והוא מתחיל לשקוע, ממש כמו ספינה שיש בה חור ומים חודרים לתוכה וגורמים לה לשקוע.
אותו דבר פועל גם בכיוון ההפוך. כשהלחץ במכל יורד אחרי שהרפינו את הלחץ על דפנות הבקבוק, האוויר שבתוך הצוללן מתפשט ותופס נפח גדול יותר. חלק מהמים נדחק החוצה, משקלו הסגולי של הצוללן יורד והוא צף. אפשר לראות את השינוי בנפח בועת האוויר אם מסתכלים היטב בצוללן בזמן הלחיצה על הבקבוק, כשהמים נכנסים לתוכו, ובזמן ההרפיה, כשמים יוצאים ממנו ונפח בועת האוויר שבו גדל.
על בסיס העיקרון נזה פועלות מערכות רבות. לדוגמה:
- בצוללות ישנם מכלי אוויר ומדחסים. כשמפעילים את המדחסים ומחדירים מים לתוך מכלי האוויר, האוויר שבמיכלים נדחס, משקלה הסגולי הכללי של הצוללת נעשה גדול יותר ממשקל המים שהיא דוחה והצוללת שוקעת. כשמפעילי הצוללת רוצים שהיא תצוף, הם מפעילים את המדחסים בכיוון ההפוך ומוציאים מים ממכלי האוויר.
- דגים מסוימים בעלי שלפוחית אוויר מסוגלים למלא את השלפוחית הזו בגז מתוך הגזים המומסים במחזור הדם, ולאחר מכן להמס אותם בחזרה.
- כשמעיפים כדור פורח משתמשים באוויר חם, שמשקלו הסגולי קל יותר מאוויר קר, וכך מקטינים את משקלו הכללי של הכדור הפורח ביחס לאוויר שהוא דוחה.
חומר למחשבה
חישבו מדוע צוללן שרוצה לצלול לעומק רב זקוק צריך להשתמש במשקולות?
ומדוע עזרי ציפה לשחיינים מתחילים מלאים אוויר?
מעניין לציין
הצוללן שבבקבוק נקרא גם "צוללן קרטזי", מפני שמי שהמציא אותו היה המתמטיקאי והפילוסוף רנה דקארט – אותו אחד שהמציא גם את מערכת הצירים הקרטזית שבה הצירים מאונכים זה לזה.
