איך אפשר לגרום לכוסות לרחף באוויר ולנוע בקשת - כמו כדור שעף בבעיטת בננה

בניסוי הזה נגרום לשתי כוסות מחוברות לעוף באוויר תוך כדי סיבוב, מה שיגרום להן לנוע במסלול קשתי, בגלל תופעה פיזיקאלית שנקראת אפקט מגנוס.

ציוד

  • שתי כוסות חד פעמיות (אפשר להשתמש גם בגליל הקרטון של נייר טואלט)
  • נייר דבק (סלוטייפ)
  • 3 גומיות משרדיות

הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

כדור מסתובב ופונה

משחק הטניס הוא משחק עם שורשים עתיקים מאוד (המגיעים עד המאה ה-12 בצרפת). בכל אופן, גם לפני 350 שנים שיחקו טניס באוניברסיטת קיימברידג' בבריטניה, ואחד מהאנשים שאהבו לצפות במשחקים היה הפיזקאי הדגול אייזק ניוטון. הוא שם לב שכאשר כדור הטניס נחבט בצורה כזאת שגורמת לו להסתובב תוך כדי תנועתו, אז הכדור לא עף ישר אלא במסלול עקום, קשתי - שפונה לאחד הצדדים. והוא אפילו כתב על התופעה באחד ממכתביו, אבל לא חקר את התופעה לעומק.

נחזור לתקופתנו ולכדורגל: השחקנים הטובים ביותר מסוגלים לבעוט מה שנקרא בעיטת בננה - בעיטה מיוחדת בכדור, שגורמת לו להסתובב תוך כדי מעופו באוויר. כתוצאה מכך הכדור משנה את כיוונו (ימינה או שמאלה) תוך כדי תנועתו. הבעיטה מאפשרת למשל להבקיע שער מעבר ל'חומה' של שחקנים, וברוב המקרים משאירה את השוער חסר אונים. בסרטון הזה אפשר לראות אוסף מרשים של בעיטות בננה ממשחקי כדורגל ברחבי העולם:

אפקט מגנוס

הסיבה לתנועה המוזרה של כדור הטניס המסתובב, של הכדורגל המסתובב בבעיטת בננה, ושל הכוסות המעופפות בניסוי היא אפקט פיזיקלי שנקרא אפקט מגנוס - על שם המדען שחקר את התופעה. כדי להבין מה קורה חשוב להבין שהאוויר שבו אנו נמצאים, למרות שהוא מאוד דליל, הוא בכל זאת טיפ-טיפה צמיגי (או סמיך) - ובעל כוח חיכוך קל כלפי חומרים אחרים, מה שגורם לו להיצמד מעט לכל חפץ שנמצא בו (חישבו על התנהגות של נוזל סמיך, כמו דבש). כלומר אם יש כדור באוויר, סביבו נמצאת שכבת אוויר דקה ש'דבוקה' אליו במידה מעטה.

באותו אופן, אם כדור מסתובב באוויר - אז יש סביבו שכבת אוויר דקה שמסתובבת איתו עקב כוח החיכוך ביניהם. שכבת האוויר הזו היא שגורמת לאפקט מגנוס.

כדור מסתובב והאוויר מסתובב סביבוכאשר כדור מסתובב באוויר שכבת אוויר דקה (חצים ירוקים) מסתובבת סביבו עקב כוח חיכוך בין הכדור לאוויר | איור: אבי סאייג

כאשר כדור נחבט או נבעט לאוויר - תוך כדי תנועתו הוא מפלח את האוויר, והאוויר זורם או חולף על פניו - בדיוק כמו שאם אנו רוכבים מהר על אופניים או נוסעים במכונית עם חלון פתוח אנו מרגישים את האוויר חולף על פנינו.

כדור נע ומפלח האווירכאשר כדור נע באוויר, זרם האוויר פוגע בכדור ומתפצל | איור: אבי סאייג

אם הכדור מסתובב סביב עצמו באוויר, אז נוסף על זרם האוויר שנוצר עקב תנועת הכדור, ישנו זרם אוויר דק שמסתובב סביב הכדור עקב סמיכות האוויר. נסתכל מה קורה לשני זרמי האוויר הללו כשהם נפגשים, כאשר נניח שהכדור מסתובב נגד כיוון השעון, ונע ימינה באוויר:

זרמי האוויר כאשר כדור נע באוויר ימינה תוך כדי סיבוב נגד כיוון השעון, גורם להסטה של אוויר מטה (ולכן כוח מגנוס כלפי מעלה) | איור: אבי סאייג

כפי שרואים בתמונה למעלה, זרם האוויר שמתפצל לחלק העליון של הכדור נפגש ומתאחד עם שכבת האוויר הדקה שמסתובבת בחלק העליון שלו (חצים ירוקים), שנעה באותו הכיוון. כתוצאה מהאיחוד זרם האוויר הזה ממשיך לנוע סביב הכדור, כך שבהמשך הוא פונה עם שכבת האוויר המסתובבת מטה. כאן נכנס לתמונה החוק השלישי של ניוטון (אותו ניוטון שהוזכר בתחילת הכתבה) שקובע כי "בטבע, לכל פעולה יש תמיד תגובה נגדית שווה לה בעוצמתה והפוכה בכיוונה". אפשר להרגיש בקלות את החוק השלישי של ניוטון אם מניחים יד על הקיר ודוחפים אותו בכוח הולך וגובר. מיד נרגיש שככל שנדחוף את הקיר יותר חזק, כך נידחף אנחנו חזק יותר לכיוון הנגדי, כלומר הקיר "דוחף" אותנו כאילו היה אדם שמפעיל עלינו כוח. למעשה, אם הרצפה חלקה מספיק יכול מאוד להיות שכתוצאה מהדחיפה שדחפנו, נחליק בעצמנו אחורה לכיוון הפוך מהקיר.

החוק השלישי של ניוטון הוא העיקרון שמאפשר לטילים ולמטוסי סילון לנוע – הם דוחפים או משחררים כמות אדירה של גזים בלחץ גבוה לכיוון אחד, ונעים לכיוון השני. כך גם לכוסות בניסוי או לכדור מסתובב: כפי שאמרנו, הסיבוב גורם לדחיפה או הסטה של אוויר כלפי מטה. לפי החוק השלישי - דחיפת האוויר כלפי מטה היא שדוחפת את הכוסות כלפי מעלה! באותה אופן, תלוי בציר ובכיוון הסיבוב של כדור שנבעט בבעיטת בננה (או כוסות שמועפות אנכית לקרקע כפי שהראנו בסרטון הניסוי 3:28 דקות מתחילתו), דחיפת אוויר שמאלה תדחוף אותו ימינה, ודחיפת אוויר ימינה - תדחוף שמאלה.

אם נסתכל על זרום האוויר שמתפצל לחלק התחתון של הכוסות או הכדור - רואים כי הוא נפגש ומתאחד עם שכבת האוויר הדקה שמסתובבת בחלק התחתון שלהם, שנעה בכיוון הנגדי לו. התוצאה של איחוד שני הזרמים המנוגדים היא שהם מבטלים או מאפסים זה את זה. התפצלות של זרם האוויר המרכזי לא ממשיכה עם שכבת האוויר הדקה המסתובבת כלפי מעלה - כך שאין כוח דוחף כלפי מטה. למעשה איחוד זרמי האוויר המתנגדים יוצר לחץ אוויר מעט גדול יותר בחלק התחתון של הכוסות (או כדור) - מה שמסייע לדחוף אותו מעלה (או שמאלה או למטה, כאמור, תלוי בסיבוב הכדור).

2 תגובות

  • מאי

    לא הבנתי

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    באיזה נקודה

    היי מאי
    כדי שאוכל להסביר טוב יותר, באיזה נקודה בהסבר לא הבנת?

    אבי