הקערה המדליקה אש

קערת נירוסטה משמשת בניסוי כמראה קעורה שמרכזת את קרני השמש לנקודה אחת. ריכוז קרני האור הוא המאפשר חימום והבערת אש. הניסוי מחייב השגחה של מבוגר.

ציוד

•   קערת מתכת מבריקה וגדולה – (אנו השתמשנו בקערה מסוג BLANDA של איקאה. חשוב שהקערה תהייה מעוגלת ברוב שטחה, והחלק השטוח בתחתיתה יהיה קטן ככל האפשר)
•   נייר עיתון פשוט (לא כרומו)
•   גפרור
•   עפרון
•   נייר דבק

הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

הסבר

הנירוסטה המבריקה שהקערה עשויה ממנה משמשת כמראה שיכולה להחזיר את קרני האור הפוגעות בה, אולם צורתה המעוגלת של הקערה יוצרת 'מראה קעורה' (מראה שצורתה כצורת קערה...), שבה קרני האור המוחזרות מוסטות מדרכן לעבר נקודה בודדת הנקראת 'מוקד'.

בתרשים הבא אפשר לראות את ההסטה של קרני אור מקבילות הפוגעות במראה קעורה. (קרני אור המגיעות מהשמש עד אלינו נחשבות מקבילות):

מהלך שבירת קרני אור מקבילות במראה קעורה | שרטוט: אבי סאייג

כפי שרואים בתרשים, מראה קעורה מחזירה את קרני השמש הפוגעות בה כך שכולן עוברות באותה נקודה, הנקראת נקודת המוקד של המראה. המרחק בין נקודת המוקד לדופן הקערה הוא בדיוק מחצית הרדיוס של הכדור הדמיוני המורכב משתי קערות צמודות. למען הדיוק המדעי נאמר כי במראה כדורית לגמרי, קרני אור המרוחקות ממרכז הקערה לא יוסטו בדיוק לנקודת המוקד אלא לאזור מעט גדול יותר, הקרוב למוקד (מעיין מוקד 'מרוח'). רק למראה בצורת פרבולה (ולא כדור) יש מוקד נקודתי ממש.

כדי לדעת היכן נקודת המוקד של הקערה, לקחנו תחילה פיסת נייר קטנה והזזנו אותה למקומות שונים ברחבי הקערה, עד שראינו שבנקודה מסוימת הנייר מעלה עשן – זו נקודת המוקד.

אם שמים חפץ כלשהו בנקודת המוקד – כל קרני האור מתרכזות בו, ויכולות לחמם אותו במידה ניכרת. לכן כאשר שמנו גפרור בנקודת המוקד הוא התלקח, והנייר התחיל להתפחם ולהפוך לגחל, שאותו הצלחנו ללבות לאש בוערת בעזרת ניעורים באוויר המספקים לו עוד חמצן: כמו ש'נפנוף' על מנגל פחמים מסייע ללבות בו את האש.

שימו לב שככל שצבע החפץ כהה יותר כך הוא בולע יותר קרינה ומתחמם יותר, לכן נייר הצבוע בשחור יתחם ויעלה עשן מהר יותר מנייר לבן.

ככל שגודל הקערה / מראה גדול יותר, כך היא מרכזת יותר קרני שמש לנקודה אחת ויכולה להגיע לטמפרטורות גבוהות יותר. בגן המדע שבמכון ויצמן יש 'תנור שמש' שהיה במקורו זרקור ענקי ששימש את הבריטים בתקופת מלחמת העולם השנייה. תנור שמש זה יכול להבעיר בקלות פיסת עץ ואפילו לחמם סיר עם פופקורן, כפי שאפשר לראות בסרטון הבא:

מעניין לציין

תנורי שמש משמשים לבישול בארצות מתפתחות – וארגונים הומניטריים מעודדים שימוש בהם כי הם אינם מצריכים שימוש בחומרי בעירה או בחשמל. בשנים האחרונות התחילו למכור תנורי שמש המיועדים לבישול בקמפינג בתוך חפיץ (גאדג'ט) 'ירוק' בעולם המערבי.

במכון ויצמן הייתה קיימת במשך שנים גרסה מוגדלת לתנור השמש, בבניין המכונה "מגדל השמש". נקודה במגדל הייתה המוקד של 64 מראות בגודל מגרש טניס שהוצבו סמוך למגדל. המראות החזירו את קרינת השמש לעבר קולט-על. בשנים האחרונות נסגרה קבוצת המחקר שהפעילה את התנור והמחקר בו הופסק.

סיפור מפורסם על ארכימדס גורס כי המדען היווני בן המאה השלישית לפני הספירה הצליח לבנות כלי נשק הגנתי המאפשר לשרוף את ספינות הקרב של האויב בעודן רחוקות מהחוף. הנשק היה מבוסס על  עיקרון דומה לזה שהוצג כאן, והורכב מכמה מראות מתכת מלוטשות שריכזו את קרני השמש על ספינות העץ והציתו אותן. במשך השנים התנהלו ויכוחים רבים בין מדענים על אמיתות הסיפור, והם טרם הוכרעו.  ניסויים רבים הצליחו לשחזר את השיטה, אבל אין ראיות שארכימדס אכן יישם אותה.