אילו אבנים קופצות טוב יותר על המים? גדולות או קטנות? עגולות או שטוחות? ואיך הן עושות את זה?
הקפצת אבנים על המים היא תחביב רציני, לא רק בעיני משליכי האבנים אלא גם בעיני המדענים שמנסים לפענח את הפיזיקה שמאחורי ההטלה המושלמת. חוקרים חישבו מה משקל האבן האידיאלית להקפצה על המים, מה צורתה ואיך צריך להטיל אותה כדי שתקפוץ פעמים רבות. הם אף בדקו באילו תנאים תקפוץ גם אבן כבדה, שאינה אידיאלית להטלה.
אחת הפעילויות המענגות על שפת אגם או חוף ים היא הקפצת אבנים על פני המים למרחקים ארוכים. המתכון להקפצת אבנים לטווח רחוק ידוע מקדמת דנא, והוא נשען על שלושה רכיבים עיקריים – אבן שטוחה וחלקה, זריקה חזקה ותנועה סיבובית של האבן. כמו במטבח, גם מתכון זה, בידי אדם מיומן, מביא לידי תוצאות מופלאות: השיא העולמי הוא 88 דילוגי אבן על המים, והמרחק הרב ביותר שאליו הקפיצו אבן על המים הוא 122 מטרים.
לפני שני עשורים, בעקבות תהייה של בנו בן השבע, החל הפיזיקאי לידֶריק בוּקֶה (Bocquet) לחקור את הפיזיקה של הקפצת אבנים. בוקה פישט את הבעיה וניסח במאמרו מודל בסיסי של הכוחות שמאפשרים לאבן לנתר על פני המים, ובאמצעותו ניתח את הגורמים להקפצה מוצלחת. הכוח שגורם לאבן לזנק מעל פני המים הוא אותו הכוח שפועל על כנף מטוס, כוח העילוי. כשהאבן פוגעת בפני המים במהירות, המים מפעילים עליה כוח כלפי מעלה. בנוסף, התנועה של האבן סביב צירה מייצבת אותה, כמו שתנועת גלגלי אופניים מייצבת אותם. כך, האבן תפגע במים כשהצד השטוח כמעט מקביל לפני המים, פעם אחרי פעם.
בוקה הראה שלא צריך להטיל את האבן במהירות רבה: גם 12 מטר לשנייה (כ-40 קילומטר לשעה) מספיקים לייצר עשרות קפיצות. לעומת זאת, יש להקנות לה תנועה סיבובית מהירה – 15 סיבובים בשנייה – והיכולת לעשות זאת היא מרכזית בהצלחתם של מקפיצי אבנים מיומנים. במחקר המשך, בוקה ושותפיו חקרו צילומים מהירים של אבנים פוגעות במים ומצאו כי יש "זווית קסם" של פגיעת האבן במים, זווית שתביא לקפיצות רבות, והיא כעשרים מעלות.
נדרשת תנועה סיבובית מהירה וזווית פגיעה של כ-20 מעלות. בחור מקפיץ אבן על מי אגם | Wirestock Creators, Shutterstck
האבן המושלמת
מחקר חדש של צמד חוקרים מאנגליה, ריאן פלמר ופרנק סמית, שופך אור על היבט נוסף של התחביב. החוקרים מצאו קשר בין המסה (המשקל) של האבן וצורתה ובין הסיכוי שלה לקפוץ על פני המים. הם בנו מודל מתמטי שמנתח את צורת האבן והכוחות הפועלים עליה כשהיא פוגעת במים, את המסה של האבן ואת מידת העקמומיות של פני השטח שלה – כמה תחתית האבן עגולה או שטוחה.
החוקרים מצאו שאפשר להקפיץ גם אבנים כבדות, אם תחתית האבן עגולה מספיק. אבן כבדה ושטוחה תשקע במפגש עם המים, אך החוקרים טוענים שדווקא אבנים בצורת תפוח אדמה יקפצו במפגש עם המים. "התנגשות סופר-אלסטית" תיצור לחץ במים מתחת לאבן והמים ישגרו אותה למעלה. האבנים הכבדות והעגולות יספקו ניתור אחד גבוה ומרשים – אך אחד בלבד. בוקה הדגים במחקרו שצריך להקנות לאבן תנועה סיבובית כדי שהיא תקפוץ הרבה פעמים למרחק רב, וקשה לעשות זאת עם אבנים גדולות. זו הסיבה שמקפיצי אבנים מיומנים מעדיפים אבנים קטנות ושטוחות.
מדי שנה מתפרסמים מאמרים בנושא הקפצת אבנים על המים – נושא שמעניין מדענים שחוקרים זרימה של נוזלים וגזים על פני גופים, תחום הקרוי מכניקת זורמים. אולי נדמה כי זה עיסוק חסר תכלית, אולם זה יופיו של המדע: חקר תופעות יומיומיות כאלה עשוי לשפוך אור על סוגיות מהותיות, כמו הבנת כוח העילוי שמחזיק מטוסים באוויר, נושא שעדיין נדון בלהט, וכן על סוגיות שימושיות כמו נחיתת מטוסים על מים והצטברות קרח על כנפי מטוסים. כך מגלה המחקר החדש טפח נוסף בפיזיקה של עולמנו.
