הכנת משאבת מים אוטומטית מקשיות מתקפלות

בניסוי הזה נבנה מקשיות סיפון - סוג של משאבת מים שפועלת "מעצמה" ושואבת מים בלי צורך בחשמל או בכל מקור אנרגיה חיצוני נראה לעין.

ציוד

• קשיות שתייה מתקפלות (8-4, תלוי בגודל המשאבה שרוצים לבנות. אפשר גם להשתמש בצינור גמיש)
• נייר דבק (סלוטייפ או מסקינגטייפ, עדיף איזולירבנד שמשמש לבידוד חשמלי, ניתן לכנות בכל חנות לחומרי בניין)
• שתי כוסות
• מים

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

שימו לב! יש להקפיד לאטום היטב את החיבורים בין הקשיות – אם הם לא יהיו אטומים היטב, ייכנס דרכם אוויר והניסוי ייכשל. מכל ניירות הדבק עדיף להשתמש באיזולירבנד המשמש לבידוד חשמלי - הוא נדבק ואוטם מצויין.

הסבר

עקרון הפעולה של הסיפוֹן הוא שיש לו שתי "זרועות" מלאות מים בגבהים שונים, וכמו שכולנו מכירים מחיי היומיום, מים נוטים לזרום ממקום גבוה למקום נמוך יותר (בגלל כוח המשיכה, בדומה לכל חפץ אחר שנופל למטה). לכן, כל עוד יש הפרש גובה במים משני צדי הסיפוֹן, הוא ימשיך לפעול.

הדבר המפליא באופן פעולת הסיפוֹן הוא שבדרכם ממקום גבוה לנמוך המים עולים כלפי מעלה, בזרוע הקצרה של צורת הח' של הסיפוֹן.

כדי להבין את התופעה צריך להבין את הלחצים שפועלים על המים בסיפוֹן:

כפי שרואים באנימציה, עמוד המים בזרוע הארוכה (הימנית) של הסיפוֹן ארוך יותר מעמוד המים בזרוע הקצרה, ולכן גם לחץ המים בקצה הסיפוֹן הארוך גבוה יותר מהלחץ בקצה הקצר של הסיפוֹן (קראו כאן להרחבה על לחצי מים וחוק פסקל שעוסק בהם). על המים בשתי הזרועות פועל גם לחץ האוויר (החיצוני) – אבל כיוון שלחץ האוויר זהה בכל המקומות, הוא מתאזן, ומה שחשוב בשלב הראשון הוא רק גובה עמודי המים בשני חצאי הסיפוֹן.

כיוון שלחץ המים בחצי הארוך של הסיפוֹן גדול יותר מאשר בחצי הקצר שלו, כשפותחים את פתחי הסיפוֹן המים יתחילו לזרום דרכו למטה. אפשר להקביל את זה לכפות מאזניים, שכשבכל צד יש משקל שונה והמאזניים ייטו כלפי המשקל הרב יותר.

ברגע שמים יתחילו לצאת מהזרוע הארוכה של הסיפוֹן, ייווצר בה תת-לחץ, כלומר לחץ נמוך – כי החומר (המים) שהיה בה זרם מתוכה. תת-הלחץ הזה יגרום למים בחלק המאוזן של הסיפוֹן להישאב (או יותר מדויק – להידחף) אל תוך הזרוע הארוכה, וזה ייצור תת-לחץ בחלק המאוזן של הסיפוֹן – וידחף מים מהחלק המאונך הקצר של הסיפוֹן (השמאלי) לחלק המאוזן. כתוצאה מכך ייווצר תת-לחץ בחלק הזה של הסיפוֹן ומים יישאבו לתוכו מתוך הכוס, בדיוק כמו שמזרק שואב מים מכוס כשאנחנו מושכים את הבוכנה שלו.

מבחינה פיסיקלית, זה לא שהמזרק או הזרוע שואבים את המים, אלא לחץ האוויר החיצוני לוחץ על המים בפני הכוס וגורם למים שבכוס להיכנס אל זרוע המזרק או הסיפוֹן שהלחץ בהם נמוך. כלומר, שרשרת הפרשי הלחצים גורמת לזרימה של מים מהכוס אל הזרוע הנמוכה של הסיפוֹן – וממנה החוצה אל הכוס התחתונה.

ומה מקור הכוח של ה"משאבה" הזאת? ובכן, כוח המשיכה של כדור הארץ הוא זה שגורם לסיפוֹן לפעול, ובלעדיו לא היה למים בזרועות הסיפוֹן משקל, הם לא היו מפעילים לחץ ולא הייתה כל זרימה. כוח המשיכה האחראי גם על לחץ האוויר החיצוני – שמשתתף גם הוא בפעולת הסיפוֹן.

מעניין לציין

השימוש בסיפוֹן היה ידוע במצרים כבר בשנת 1500 לפני הספירה, כאמצעי לריקון מיכלי מים, אבל רק בסביבות המאה ה-17 לספירה (יותר מ-3,000 שנים אחר-כך!) הצליח המדען בלז פסקל להבין את עקרון פעולתו. עד היום משתמשים בסיפוֹן כדי לרוקן מכלים שקשה להפוך כדי לרוקן אותם, כמו מכלי דלק של מכונית או חביות בירה גדולות.

יש הרבה ניסויים מעניינים שאפשר לעשות בעזרת הפרשי לחצים של מים ואוויר. הם יכולים לשאוב מים לתוך כוס הפוכה באמצעות נר, לנפח בלון בתוך בקבוק ולהפוך כוס מים בלי שתישפך. בנוסף, כדאי לכם לעשות את הניסוי על כוס הפלא שמתרוקנת מעצמה, שמשתמש גם הוא בעקרון הסיפון והוא פשוט יותר לביצוע מהניסוי הנוכחי.