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.

18 תגובות

  • מור

    לחץ אויר כשנושפים לתוך קש

    תוכל להסביר מה הקשר בין לחץ האויר בחלל הפה ומהירות האויר בקש בעל מימדים נתונים?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    במשפט וביותר ממשפט

    היי מור
    באופן כללי - במשפט: ככל שהלחץ בחלל הפה יהיה גדול יותר, כך האוויר יצא מתוך קש במהירות גדולה יותר.
    ביותר ממשפט: התחום בהנדסה שדן בשאלה ששאלת נקרא הידרודינמיקה, והתשובה הספציפית תלוייה בגורמים רבים - החל מקוטר ואורך הקש, דרך הפרש הלחצים ועד מידת הצמיגות של האוויר הננשף. זה נושא הנדסי מורכב. ואם את/ה רוצה להתעמק - אני שם כמה קישורים:
    https://he.wikipedia.org/wiki/%D7%96%D7%A8%D7%99%D7%9E%D7%94_%D7%91%D7%A...
    ראה המצגת כאן משקף 59 ואילך:
    https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&ved=0ahU...
    הקובץ כאן:
    http://www.guyaros.com/library/Fluid%20Mechanics/Fluid%20Mechanics%202%2...
    וגם זה
    http://www.bgu.ac.il/me/laboratories/edulab/flow/tadhefsed.pdf

    כולם מפרטים בהרחבה את הנושא.
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • ליאורה ביאלר

    היכן הסרטון?

    הסרטון של נסוי משאבת המים באמצעות קשיות לא נמצא.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    קישור ישיר

    היי ליאורה,
    זה תוקן (יש בעיה בסרטים ישנים לאנשים שגולשים באופן מאובטח). בכל מקרה, הנה גם קישור ישיר לסרטון ביוטיוב:
    https://youtu.be/J6gV5LtSPuI

    אבי

  • יובל

    קישור לניסוי לא תקין

    ברשימת הקישורים באותיות אדומות הקישור לניסוי: להפוך כוס מים מבלי שתישפך- לא תקין

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תודה יובל

    תיקנתי.

  • אריאל

    שאלה

    אם נניח לוקחים צינור דק כמו קשית, ומחברים לצינור עבה שמים את הצינור הדק במקום נמוך יותר שבקצהו הוא נמצא בקערה מלאה מים ואת הצד העבה(הרבה יותר עבה) שמים מעט גבוה יותר .שאלתי היא האם בגלל שבצד העבה יש יותר מים -משקל יותר גבוה, במקרה שנמלא את כל הצינור מים ונאטום את שני הפתחים ואז נפתח, המים יזרמו לצד העבה הגבוה יותר בגלל המשקל ,וימשיכו לזרום בגלל תת הלחץ שיווצר בצינור.?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    כמה שזה מדהים – לא.

    אתה יכול לנסות ולראות – זה מעניין! מסתבר שלחץ המים (או לחץ הידרוסטטי באופן כללי) תלוי אך ורק בגובה עמוד המים, ולא בשטח החתך של הכלי. חוק כלים שלובים מראה זאת. יש כלים שונים בעלי נפחים שונים המחוברים ביניהם, ובכל זאת גם בכלים העבים וגם בכלים הדקים המים באותו גובה, למרות שמשקל המים בכלים העבים רב יותר, ראה תמונות כאן:
    https://he.wikipedia.org/wiki/%D7%97%D7%95%D7%A7_%D7%9B%D7%9C%D7%99%D7%9...
    כך גם בסיפון – המים יזרמו פשוט מהכלי הגבוה לנמוך, בלי קשר לעובי הכלי או הצינור.
    בברכה,
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • נחום שחף - פיזיקאי

    נא לתקן. לחץ המים בקצה העליון של הצינור הארוך נמוך יותר

    מלחץ המים בקצה העליון של הצינור הקצר. ולכן המים נעים מהלחץ הגבוה בצינור הקצר אל הלחץ הנמוך בצינור הארוך.

  • נחום שחף - השלמה

    ההסבר להפרשי הלחצים

    הלחץ בקצה העליון של כל צינור שווה ללחץ האטמוספרי בקצה התחתון של כל צינור פחות משקל המים בצינור (משקל המים בצינור הארוך גדול יותר ממשקל המים בצינור הקצר).

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    המים זורמים מהקצה התחתון של הצינור

    כאשר הסיפון אטום - אין זרימה בכלל.
    כאשר הסיפון נפתח - המים מתחילים לזרום מהקצה התחתון של הצינור, כמובן, ולכן צריך לבחון את הלחצים בשני הקצוות התחתונים של הצינורות כדי להבין מאיפה יתחילו לזרום המים שיפתח הצינור. כיוון שמים הם לא חומר דחיס -המים בחלק העליון של הצינורות יכולים לזרום רק אחרי שתחילו לצאת מים מהצינורות. כלומר - אין טעות בהסבר הכתוב בכתבה, וההסבר שלך, הנכון, מתחיל להיות רלוונטי רק אחרי שמתחילה זרימת המים, והוא כתוב בכתבה במילים אחרות ("תת לחץ" בחלק העליון שבצינור, שכתוב בכתבה - הכוונה ללחץ נמוך בחלק זה, כפי שציינת)

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

  • מאור

    משאבת מים אותומטים .

    זה לא הצליח לי

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    נקודות שצריך להקפיד עליהן

    כדי שהניסוי יצליח יש להקפיד לאטום היטב את החיבורים בין הקשיות, אם החיבורים לא אטומים -יכנס לתוכם אוויר והניסוי יכשל. אפשר לבדוק שהחיבורים אטומים על ידי כך ששואבים מים דרך מערך הקשיות המחוברות - ורואים שלא נכנס אוויר פנימה.
    בנוסף - חשוב להקפיד לפתוח את הקשית מלאת המים - כאשר הפתח נמצא בגובה נמוך מהכוס שרוצים לרוקן.
    אם יש צינוי גומי גמיש ואטום - עדיף להשתמש בו, כי אז אין בעיות איטום.
    בהצלחה!
    אבי

  • יוסי

    ^^

    ברואר שזה ירד זה חוק כלים שלובים מי לא למד את זה בבית ספר..

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    האמת שלא בדיוק

    האמת ש'כלים שלובים' וסיפון זה דומה, אבל לא בדיוק אותו הדבר:
    ב'כלים שלובים' - הכלים מחוברים / שלובים בחלק התחתון שלהם, בסיפון - החיבור הוא בחלק העליון. כלומר סיפון הוא כמו כלים שלובים הפוכים - ולכן גם הכוחות שדוחפים אותו מעט שונים - אבל באמת בסוף התוצאה זהה - המים משני צידי הסיפון יזרמו עד שגובה המים משני הצדדים שלו יהיה זהה, כמו בכלים שלובים.

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

  • ישראל גוססת - חיפה

    הלוואי ו60 אחוז בני הנוער יצפו בכאלו סרטונים והעולם שלנו מדהים >

    אחר כך הכל יהייה אפשרי .

    במקום זה הנוער שלנו נרקומן של פרסומות ודבוק לקניונים או לחושות לעישון הסמים והבריחה מהמציאות .

    כמה חבל שאני לא יכול לשאוב את הילדים האבודים לצלוחית הבטוחה .

  • אורן כהן

    צודק מאה אחוז

    וזה לא רק הנוער,אלא גם מבוגרים לצערי
    ד.א זה נותן השראה לפתח פתרונות טכנולוגיים לבעיות קשות בחיים

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    דברים מגניבים

    אנחנו משתדלים להציג ניסויים יפים - כדי שכל מי שיראה יתלהב מהמדע. אגב, על כל דור הדור הקודם טוען שהוא לא טוב, אבל בפועל יש התקדמות בלתי פוסקת - שתמיד נעשית על ידי הדור החדש, ככה שאני לא שותף לפסימיות בכלל. יש ילדים ונוער נהדרים!