איך לבנות "מד אהבה"?

בניסוי זה נבנה סוג של "מד אהבה" – שמגיב למגע כף יד, ונבין איך הוא עובד.

ציוד

• בקבוק זכוכית
• מים
• קשית (עדיף כמה שיותר שקופה)
• צבע מאכל
• פלסטלינה
• משפך
• טוש לא מחיק

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

טיפ להצלחת הניסוי: חשוב מאוד להקפיד על האטימה בניסוי, ללא אטימה מוחלטת הניסוי לא יצליח. אפשר לבדוק אטימה באופן הבא: לנסות לנשוף בעדינות לתוך הקשית. אם יש ביעבוע תמידי של בועות בתוך הבקבוק, אז סימן שהאטימה לא מוחלטת. באטימה מוחלטת יכולה לצאת בועה או שתיים אך לא יותר מזה - לא אמורים להצליח לנשוף לתוך הבקבוק.

באמת מודד אהבה?

"מד האהבה" שבנינו, כמו גם "מדי אהבה" שאפשר למצוא בחנויות שונות – לא מודדים באמת אהבה (לצערנו לא כל כך קל למדוד אהבה...), הם בעצם סוג של מדי חום – שמודדים את הטמפרטורה של כפות הידיים של מי שמחזיק בהם, או מגיבים לשינויים בה.

במד האהבה שלנו – מגע קצר בדפנות הבקבוק מחמם אותו וגורם למים לעלות בקשית שבתוכו. קירור הבקבוק גורם למים לרדת בחזרה. אבל האם המים הם אלו שמגיבים לחום ולקור? שימו לב שלא צריך לחמם כלל את המים שנמצאים בתחתית הבקבוק, או אפילו לגעת באזור כדי שהמים יעלו, וזה בגלל שמי ש'מגיב' לחום ולקור במד האהבה הוא האוויר שנמצא בתוך הבקבוק, כאשר המים רק נדחקים על ידו לקשית – ומשמשים כלי עזר למדידה.

גזים וטמפרטורה

ואיך בדיוק האוויר 'מגיב' לחום ולקור? כדי להבין זאת צריך לדעת ממה מורכב האוויר. כמו כל גז, האוויר מורכב מחלקיקים קטנטנים (מולקולות ואטומים) שנעים כל הזמן במהירות לכל עבר. המהירות של חלקיקי הגז תלויה בטמפרטורה: כשהטמפרטורה עולה הם זזים מהר יותר, וכשהטמפרטורה יורדת – גם מהירות התנועה של החלקיקים יורדת. כלומר כאשר אנו נוגעים בבקבקוק ומחממים אותו – אנו גורמים לחלקיקי האוויר שבתוכו לנוע יותר מהר.

אנחנו לא יכולים לראות אטומים ומולקולות בעין – ודאי לא יכולים לראות אותם זזים. מה שאנחנו יכולים לראות זה את ההשלכות של התנועה שלהם: חלקיקי האוויר, כאמור, נעים לכל עבר – ומתנגשים אינספור פעמים בשנייה עם כל מה שנמצא בדרכם, ההתנגשויות הללו גורמות לגז להיות בעל תכונה שאנו קוראים לה לחץ (או לחץ אוויר, לא להתבלבל עם לחץ נפשי) – הם דוחפים / לוחצים כל מה שנקרה בדרכם. כאשר אנו מנפחים בלון, למשל – הלחץ הוא זה שמשאיר את הבלון מנופח, כלומר ההתנגשויות של חלקיקי הגז בדפנות הגומי של הבלון הן ששומרות את הבלון נפוח.

מכאן ברור כי אם העלאת טמפרטורה מעלה את מהירות התנועה של חלקיקי הגז, אז היא בעצם מעלה את הלחץ של הגז, וההפך. התופעה שמקשרת בין טמפרטורה ללחץ של גז נקראת גם "חוק גה-לוסק" על שם המדען הצרפתי שגילה אותו. ז'וזף לואי גה-לוסק (Gay-Lussac, 1850-1778) עסק רבות בחקר הגזים והאטמוספרה, והיה מראשוני האנשים שטסו בכדור פורח – לצורך מחקריו.

עד מתי

אם הבקבוק היה פתוח לאוויר – חימומו פשוט היה גורם לאוויר שנמצא בלחץ גבוה בתוכו לצאת החוצה, אבל כיוון שאטמנו את הבקבוק היטב באמצעות פלסטלינה וקשית טבולה בקצה במים, האוויר לא יכל לצאת, והוא החל להפעיל לחץ על כל מה שבא במגע איתו: דפנות הבקבוק, הפלסטלינה, הקשית והמים. כיוון שהמים הם 'החולייה החלשה' כלומר – הדבר הרך / הזורם ביותר שהאוויר בא במגע איתו, הם החלו להידחק ולהידחף במעלה הקשית ולבסוף עצרו בגובה מסוים.

המים הצבעוניים עולים במעלה הקשית של "מד האהבה" | צילום מסך מתוך סרטון מדע בבית

ואיך המים 'יודעים' מתי לעצור? התשובה היא שהמים עולים בקשית עד הגובה גורם לשיוויון לחצים: כאשר המים ממלאים את הקשית המשקל שלהם עצמם מתחיל להפעיל לחץ מהכיוון הנגדי על המים. המים יפסיקו לעלות כאשר לחץ 'עמוד' המים משתווה ללחץ האוויר שבתוך הבקבוק – שנקבע על ידי הטמפרטורה שלו.
אם לדייק במתרחש, דחיקת המים לתוך הקשית גם מגדילה את הנפח הפנוי של האוויר שבתוך הבקבוק, ובכך מקטינה את הלחץ שלו (ישנו "חוק גזים" נוסף שקובע שככל שנפח של גז גדל הלחץ שלו קטן), ובכך תורמת לעצירת עליית המים בתוך הקשית.

ניסויים נוספים הקשורים לגזים ולחצים שכדאי לראות: בלון בתוך בקבוק, מזרקה בתוך בקבוק, שדון בתוך בקבוק, בקבוק בום.