מנורת לבה מסוכרזית

בניסוי הנוכחי נבנה מתקן דמוי 'מנורת לבה' – חגיגה של בועות וטיפות צבעוניות צפות ושוקעות.

ציוד

• בקבוק ריק
• מים
• שמן
• סוכרזית (הרבה)
• צבע מאכל או גואש (לא חובה)
• פנס (לא חובה)

הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

הסבר והרחבה

'מנורת לבה' היא מנורה דקורטיבית (לצרכי קישוט) שהמציא הבריטי אדוארד קרייבן ווקר באמצע שנות ה-60 של המאה הקודמת . המנורה בנוייה ממיכל זכוכית מוארך הממולא במים ובסוג של שעווה צבעונית, כאשר בתחתית המיכל ממוקמת נורת להט רגילה. כאשר מדליקים את המנורה נוצר בתוכה מין 'ריקוד' בלתי פוסק של השעווה מעלה-מטה בבועות גדולות המזכירות זרימת לבה של הר געש.

מנורת לבה | מקור: Novemberchild ויקיפדיה

הפעולה של מנורת לבה אמיתית, כמו גם של מנורת הלבה שבנינו מבוססת על עקרון בפיזיקה שנקרא עקרון הציפה, או חוק הציפה – שגילה המדען היווני ארכימדס לפני יותר מ-2,200 שנה.

ארכימדס שם לב שיש חפצים שכאשר זורקים אותם למים, הם שוקעים מיד לקרקעית – למשל אבנים.
לעומת זאת יש חפצים שצפים על פני המים – למשל גזע עץ או חומר 'מודרני' כמו קלקר. ארכימדס ניסה להבין מה הסיבה להתנהגות השונה – מה קובע אם חומר ישקע או יצוף על פני מים?

מה שארכימדס גילה זה שבאופן מפתיע, ובניגוד לאינטאיציה, המשקל של החפץ הוא לא הגורם שקובע אם חפץ ישקע או יצוף, כלומר חפץ קל לא בהכרח יצוף וחפץ כבד לא בהכרח ישקע בתוך מים: אפילו אבן קטנטנה וקלה מאוד שוקעת בתוך מים, ואילו קוביית עץ תצוף, אפילו אם היא גדולה במיוחד.

הוא גילה כי מה שקובע אם חפץ יצוף או ישקע זה גודל הנקרא 'צפיפות' או 'משקל סגולי' שזה בעצם היחס בין המשקל של הגוף לנפח שלו. עבור מים, למשל, הנפח של 1 גרם הוא 1 סמ"ק (קובייה שאורך צלעותיה הוא  סנטימטר אחד), ולכן הצפיפות של מים היא 1/1=1 גרם לסמ"ק.

בנוגע לציפה – חוק ארכימדס קובע כי חומרים עם צפיפות נמוכה יצופו על פני חומרים עם צפיפות גבוהה, וההפך.

לשמן בישול  צפיפות של כ-0.9 גרם לסמ"ק, פחות מ-1, ולכן שמן צף על פני מים.
לאבנים צפיפות גדולה מ-1 ולכן אבנים תמיד ישקעו בתוך מים, לא משנה מה משקלן.

במנורת לבה – יש 'משחק' של צפיפויות שגורם לתנועה בלתי פוסקת מעלה-מטה או ליתר דיוק – ציפה שקיעה. המשחק הזה מושג על ידי שינוי של צפיפויות.

במנורת לבה אמיתית – השעווה המיוחדת היא בעלת צפיפות גבוהה מ-1 בטמפרטורת החדר, ולכן באופן רגיל היא שוקעת בתחתית המנורה. כאשר מדליקים את הנורה שבתחתית – היא מתחילה לחמם את השעווה ולהתיך אותה (היא הופכת נוזלית). כמו חומרים רבים אחרים, הנפח שלה עולה כאשר מתחממת, לכן הצפיפות שלה יורדת (זכרו שצפיפות זה משקל חלקי נפח, אז אם הנפח גדל, מתמטית הצפיפות קטנה), כאשר הצפיפות יורדת מתחת ל-1 השעווה צפה על פני המים. אבל אז היא מתרחקת ממקור החום, מתקררת בהדרגה, נפחה קטן שוב – ולכן גם צפיפותה גדלה והיא שוקעת למטה חזרה לחימום נוסף, וחוזר חלילה.

במנורת הלבה שבנינו המקור למשחק הצפיפויות הוא הסוכרזית. הממתיק המלאכותי מכיל סודה לשתייה (או סודיום ביקרבונט) וגם חומצה מוצקה (חומצה פומרית). כאשר הסוכרזית נוגעת במים, שני החומרים נמסים במים ומתחילים להגיב ביניהם בתגובה כימית – שפולטת גז פחמן דו חמצני (בדיוק כמו בניסוי שלנו הר געש של קצף). הצפיפות של פחמן דו חמצני היא רק 0.002 גרם לסמ"ק, הרבה הרבה פחות מ-1 או 0.9, ולכן הגז שנפלט מיד צף ועולה מעל המים וגם מעל השמן. במהלך תנועתו מעלה הוא גם לפעמים נצמד למים – וכך מעלה ומציף איתו טיפות של מים מעלה אל תוך השמן, כמו מצופים ממולאים באוויר שמציפים אנשים בבריכה. כאשר הטיפות הללו מגיעות לחלק העליון ביותר – בועות הגז מתפוצצות באוויר, ואז אין עוד מה שירים את המים על פני השמן, וטיפות המים שוקעות בחזרה. התוצאה היא מראה יפה של בועות מים הנעות מעלה ומטה בתוך השמן.

מנורת לבה מסוכרזית, טיפות מים צפות ושוקעות | אנימציה מתוך הסרטון

גם במנורת הלבה שבנינו וגם במנורת לבה אמיתית חשוב להשתמש בשני חומרים שלא מתערבבים אחד בשני, כמו שעווה ומים או מים ושמן, כדי שישמרו 'מופרדים' אחד מהשנה בזמן שהטיפות של חומר אחד זזות בתוך החומר השני. ניסוי דומה מאוד לניסוי הזה הוא הניסוי צימוקים רוקדים – גם שם הצימוקים 'רוקדים' מעלה מטה בתוך סודה בעזרת הגז פחמן דו חמצני.