בניסוי הזה נשתמש בלחץ האוויר שסביבנו כדי למנוע ממים שנמצאים בכוס הפוכה להישפך – וגם נרים בעזרתו כוס בצורה הפוכה, כשהכוס נמצאת מתחת לכף היד!
ציוד
- כוס קשיחה (מזכוכית, חרסינה או פלסטיק קשיח)
- מים
- נייר בריסטול קשיח וישר (כמו זה שמשמש להחזקת משולשי פיצה, או קרטון של אריזת דגני בוקר)
מהלך הניסוי
את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:
הפעם החלטנו להשאיר בתוך הסרט גם את ה"פספוסים", כדי להדגים לכם שבמציאות ניסויים לא תמיד מצליחים, אפילו כשמדובר בניסויים "פשוטים" – ובוודאי גם בניסויים המורכבים יותר שעושים סטודנטים ומדענים באוניברסיטה. לכן צריך להקפיד על כל הפרטים הקטנים כדי שניסוי יצליח.
הסבר
לא רק הדגים חיים בתוך אוקיינוס, אלא גם אנחנו – אוקיינוס של אוויר. מסת האוויר וצפיפותו אמנם קטנים מאוד לעומת המים שבים (כל סמ"ק של אוויר שוקל קרוב למיליגרם אחד, כלומר אלפית הגרם בלבד) – ובכל זאת כמות האוויר העצומה שיש סביבנו מפעילה לחץ רב על כל דבר שנמצא על פני כדור הארץ. בגובה פני היום, לחץ האוויר הוא בסביבות אטמוספירה אחת, שמבחינה כמותית שקול ללחץ שמפעילה מסה של קילוגרם אחד על כל סנטימטר רבוע. כלומר על ריבוע נייר של 10*10 ס"מ, בשטח של 100 סמ"ר, האוויר מפעיל בסך הכול כוח שווה ערך למשקל של מאה ק"ג!
לחץ האוויר הזה הוא מה שמאפשר את התופעה שאנחנו רואים בניסוי, ועוד תופעות רבות אחרות בחיי היומיום. למשל, כשאנו שואבים מים מכוס באמצעות קשית או מזרק, או כשאנחנו טובלים קשית במים, סותמים באצבע את הפתח העליון שלה ומוציאים אותה מהמים – והמים נשארים בפנים. אותו דבר קורה גם בטפי ששואב נוזל – כל אלה מתאפשרים באמצעות לחץ האוויר.
לחץ האוויר בטפי ובמזרק מונע מהנוזל שבתוכם להישפך | תמונה מעובדת מ-Shutterstock; ההעתקה אסורה
כששואבים את האוויר מהחלק העליון של צינור (באמצעות הפה או המשאבה של מזרק) הלחץ בצינור יורד, ולכן המים שנמצאים בחלקו התחתון נלחצים פנימה לתוך הצינור בגלל לחץ האוויר. אותו לחץ אוויר גם מונע מהמים מלהישפך, כי הוא לוחץ עליהם מלמטה. למעשה, לחץ האוויר חזק עד כדי כך שהוא מסוגל להחזיק עמוד של מים שנמצא בצינור (או אפילו בכוס הפוכה) בגובה של עשרה מטרים!
מה בדיוק קורה בניסוי? כשהופכים את הכוס, המים שבתוכה נופלים מעט למטה (אפשר לראות את זה בכך שהקרטון מקבל צורה בולטת מעט). כתוצאה מכך, נפח האוויר הלכוד בכוס גדל והלחץ בתוך הכוס קטן (חוק בויל). מאחר שהלחץ שבתוך הכוס הופך להיות נמוך יותר מלחץ האוויר שמחוץ לכוס ולקרטון, הפרש הלחצים מונע מהמים להישפך למטה. (האוויר שבחוץ לוחץ על הקרטון יותר חזק מאשר המים שבכוס).
הקרטון חיוני, כי הוא מונע מאוויר לחדור לחלק העליון של הכוס ולדחוק את המים ממנה, לכן הוא חייב להיות ישר לחלוטין ולאטום את הכוס בצורה מושלמת (וב"פספוס" שבסרט רואים יפה מה קורה כשהקרטון לא אטום מספיק). כמו כן מומלץ למלא את הכוס במים כמה שיותר (עד לשפה העליונה), כדי שאחרי שנהפוך אותה כמעט לא יישאר אוויר בחלקה העליון, וכך יגדלו סיכויי ההצלחה של הניסוי. הסיבה היא שאם יש הרבה אוויר, הוא עלול להתפשט הרבה כשהופכים את הכוס, עד כדי כך שהוא יגרום לקרטון לשקוע יותר מדי למטה ולכן יאפשר לאוויר לחדור פנימה לתוך הכוס.
שימו לב שאם משתמשים בכוס מחומר לא קשיח, כמו כוס חד-פעמית מפלסטיק דק, הניסוי לא יצליח כי לחץ האוויר החיצוני ימעך את הכוס וידחוף את המים למטה.
גם החלק השני של הניסוי פועל בצורה דומה. שינוי הזווית של היד מגדיל את נפח האוויר הכלוא בין הכוס ליד ומקטין את הלחץ שבתוכה, באמצעות אותו "חוק בויל". כיוון שלחץ אוויר החיצוני גדול יותר מהלחץ הנמוך שבין היד לכוס, בסך הכל מופעל על הכוס כוח שקול הפועל מלמטה כלפי מעלה, שגורם לכוס להילחץ ולהיצמד אל כף היד.
מעניין לציין
למים יש תכונה שנקראת "מתח פנים", שגורמת לכך שיש להם מעין "קרום" קשיח בחלק החיצוני שלהם. כיוון שיש קשר בין הכוח של מתח הפנים לקוטר הכלי שבו המים נמצאים, בצינורות ובכלים קטנים כמו קשית או טפי, מתח הפנים פועל כמו הקרטון בניסוי שלנו ומונע מאוויר לחדור במעלה הצינור ולגרום למים להישפך ממנו.
ראו גם את ניסוי האטב הצף, שמדגים את מתח הפנים של המים.
