שפשוף של בקבוק ריק גורם למשהו לדחוף בכוח חפצים הנמצאים על הפִּיה שלו. האם נמצאה ההוכחה לסיפור אלדין ומנורת הקסמים?

בניסוי הנוכחי נראה כיצד שיפשוף של בקבוק גורם לאוויר שבתוכו לדחוף חפצים הנמצאים עליו, כאילו שדון מסתורי הנמצא בבקבוק מתעורר לחיים.

ציוד

  • בקבוק זכוכית
  • מטבע בקוטר פיית הבקבוק
  • מים
  • מקפיא או מקרר

או, לגִרסה פשוטה יותר של הניסוי מספיקים:

  • בקבוק זכוכית
  • פקק הבקבוק (דרוש פקק קל, מפח דק או מפלסטיק)
  • מים

הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

הסבר

לצערם של חובבי האגדות והשדים, מה שמזיז את המטבע או הפקק מפיית הבקבוק איננו שדון הגר בבקבוקים, שמתעורר לתחייה בשפשוף, אלא חומר אחר, בלתי נראה אבל פחות קסום – האוויר שבבקבוק.
האוויר הסובב אותנו הוא חומר לכל דבר – הוא פשוט נמצא במצב צבירה גזי. כל סמ"ק של אוויר מכיל מיליארדי מיליארדים של חלקיקים קטנטנים שזזים לכל הכיוונים כל הזמן. בעיקר מולקולות של הגזים חנקן (78%) וחמצן (21%) ואטומים של הגז ארגון (0.9%).

כמו בחומרים מוצקים ונוזלים, גם לגזים יש נפח, אם כי בניגוד להם גז יכול להידחס בקלות רבה כשמפעילים עליו לחץ, או מעלים לו את הטמפרטורה, וגם ההפך נכון, בכל כיוון: למשל נפח של גז יקטן כאשר הוא מתקרר.

כאשר תערובת גזים כמו אוויר ממלאת כלי כלשהו, בכל שנייה ושנייה מתרחשות אינספור התנגשויות זעירות בין חלקיקי האוויר לבין דפנות הכלי – התנגשויות שיוצרות את מה שאנו קוראים לו בשפה מדעית 'לחץ אוויר'. גם לחץ האוויר מושפע מהטמפרטורה: ככל שהיא עולה כך חלקיקי האוויר נעים מהר יותר, מתנגשים בעוצמה רבה יותר עם דפנות הכלי ובאופן כללי אנו אומרים שלחץ הגז גדל.

חוקי הגזים הם סדרה של חוקים פיזיקליים שמקשרים בין נפח, לחץ, טמפרטורה וכמות של גז. בין היתר החוקים האלה קובעים ש"יש יחס ישר בין טמפרטורה לבין נפח של גז כל עוד נשמר לחץ קבוע". משמעות החוק היא בדיוק מה שהזכרנו קודם: כשמחממים גז הנפח שלו גדל, וכשמקררים אותו הנפח קטן. התופעה הזו מכונה "חוק שארל".
כמו כן נמצא ש"יש יחס ישר בין טמפרטורה לבין לחץ הגז כל עוד שומרים על נפח קבוע". כלומר, כשמחממים גז בכלי סגור הלחץ שלו עולה, וכשמקררים אותו הלחץ יורד. התופעה הזאת, הדומה מאוד לקודמת, מכונה "חוק ג'יי לוסק".

על פי שני החוקים האלה אפשר להסביר את מה שמתרחש בניסוי – אנו אוטמים את הבקבוק על ידי הנחת מטבע או פקק על הפִּיה שלו. הוא מכיל גז קר (או גז בטמפרטורת החדר אם משתמשים בגרסה השנייה של הניסוי) הלחץ בתוכו זהה בדיוק ללחוץ האוויר בחוץ ברגע שבו חסמנו את פיית הבקבוק. כאשר אנו מניחים ידיים על הבקבוק ומשפשפים אותו, תוך זמן קצר הבקבוק והגז שבתוכו מתחממים והלחץ בתוך הבקבוק עולה. כשזה קורה, לחץ האוויר הפנימי נהיה גדול מלחץ האוויר מחוץ לבקבוק. בשלב הזה על הפקק (או המטבע) פועל כעת לחץ לא מאוזן: מצד אחד חלקיקי האוויר מתנגשים בו מלמעלה, מצד שני חלקיקי האוויר (לחץ האוויר) מתנגשים בו מלמטה בעוצמה רבה יותר. בשלב מסויים הפרש הלחצים הזה כבר מספיק חזק כדי לדחוף את הפקק כלפי מעלה והוא מתרומם, הבקבוק נפתח, חלקיקי הגז המהירים יוצאים מהבקבוק והלחץ בתוך הבקבוק משתווה ללחץ החיצוני. בשלב הזה הכוחות המופעלים על הפקק מתאזנים, הוא נופל בחזרה ואוטם שוב את הבקבוק. חימום נוסף של הבקבוק יגרום לתהליך לחזור על עצמו (עד הגבול שבו הבקבוק יתחמם לטמפ' הגוף). את ההסבר הז הבאנו מנקודת המבט של חוק ג'יי לוסק. נסו לחשוב על הסבר דומה מנקודת המבט של "חוק שארל" המדבר על נפחים. שימו לב שבפועל שני החוקים שקולים זה לזה ונגזרים מתוך חוק אחד כולל שמנוסח במשוואת הגזים. פירוט שלו תוכלו לראות בקישור.

ומה תפקיד המים בניסוי? המים משמשים בתור חומר אוטם בין הבקבוק לפקק, המונע מהאוויר לצאת באופן חופשי מהבקבוק.

מכיוון שהפרשי הלחצים של גז קשורים באופן ישיר להפרשי הטמפרטורות שלו – אם אנו מעוניינים להרים משקל כבד (יחסית) כמו מטבע, עלינו לקרר קודם את הבקבוק במקרר (כדי להתחיל את הניסוי מטמפרטורה התחלתית נמוכה יותר), אם אנו מסתפקים בהרמה של משקל קל יחסית – אז כפי שמוראה בחלקו השני של הניסוי, אפשר לדלג על קירור הבקבוק במקרר, מספיק חימום הבקבוק מטמפ' החדר לטמפ' הגוף בעזרת הידיים.

 

2 תגובות

  • מדענית מתחילה

    ניסיתי עם בקבוק זכוכית לא מקורר ועדיין עבד ממש טוב!

    המטבע קפץ! מצד שני זה היה בחורף. אולי בקיץ זה לא יעבוד.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    מדהים!

    ממש מעניין מה שאת כותבת. האמת לא האמנתי שבקבוק לא מקורר יצליח להזיז מטבע שהוא כבד יחסית, אז אפילו לא ניסיתי.
    יכול להיות באמת שזה קשור לזה שעכשיו חורף. שווה לנסות גם בקיץ

    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע