ניסוי חגיגי לכבוד חנוכה, ובעצם גם לפסח ולכל פעם שאוכלים ביצה קשה

בניסוי זה נראה איך אפשר לעשות סביבון מתהפך מביצה קשה – ונסביר מה כל כך מוזר בזה.

ציוד

  • ביצה קשה

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הסבר

בדרך כלל בחלק הזה של הכתבה מופיע הסבר מפורט, בשפה פשוטה, שמסביר את התופעה שמוצגת בניסוי. הפעם, ובניגוד לכל הניסויים האחרים ב'מדע בבית' – לא יופיע הסבר פשוט, מהסיבה הפשוטה שאין כזה. כלומר התופעה פשוטה מאוד: מסובבים במהירות ביצה 'שוכבת' – והיא 'מתהפכת' תוך כדי סיבוב, כלומר מתחילה להסתובב במצב 'עומד' – על אחד החודים שלה.

אבל ההסבר לתופעה מסובך מאוד, ובכלל – התופעה מוזרה, והיא מוזרה עוד יותר דווקא למי שלמד פיזיקה. כפי שמעידה התמונה הבאה (שגם מופיעה בסרטון) של שני חתני פרס נובל בפיזיקה: וולפגנג פאולי ונילס בוהר (שניהם ממוצא יהודי דרך אגב) שמתבוננים בפליאה ובעניין בסביבון מתהפך:


שני חתני פרס נובל, וולפגנג פאולי (שמאל) ונילס בוהר (ימין) משחקים בפליאה בסביבון מתהפך, יולי  1954 | נחלת הכלל

זאת תמונה שאני אישית מאוד אוהב, כי היא מזכירה לי משפט ששמעתי מד"ר משה רשפון, אחד המייסדים של היחידה לפעולות נוער במכון ויצמן, שלימים הפכה למכון דוידסון לחינוך מדעי: " ההבדל היחיד בין ילדים למדענים זה מחיר הצעצועים שלהם".

בכל אופן, מדוע שני פיזיקאים ידועי שם מתפלאים כל כך מסביבון מתהפך? כי תופעת ההתהפכות סותרת (לכאורה) שני עקרונות פיזיקאליים חשובים מאוד: עלייה במרכז המסה, ושינוי בכיוון ציר הסיבוב.

המסה עולה מעלה, וכיוון ציר הסיבוב משתנה | צילום מתוך סרטון מדע בבית
כשהביצה הקשה מסתובבת – המסה עולה מעלה, וכיוון ציר הסיבוב משתנה | צילום מתוך סרטון מדע בבית

נסביר: לכל גוף אפשר לסמן איזו 'נקודה' שמסמלת כאילו את המקום שבו כל המסה של הגוף מרוכזת – הנקודה נקראת מרכז מסה, ויש לנו ניסויים רבים העוסקים בנושא: איך לאזן סכין ומזלג על נקודה באוויר, פטיש שמרחף באוויר וביצה עומדת על הראש.

באופן כללי, מרכז המסה שואף להיות בנקודה הנמוכה היציבה ביותר האפשרית, ואכן – כאשר מנסים להעמיד ביצה על החוד – רואים שזו משימה בלתי אפשרית, הביצה תמיד נופלת למצב שבו מרכז המסה שלה נמוך, כלומר למצב שוכב (כדי להתגבר על הבעיה צריך להפעיל טריקים שונים כמו הגדלת הבסיס שלה).

כאשר מסובבים ביצה מרכז המסה פשוט 'עולה' מעלה. בכלל גם העלאה של מסה למעלה דורשת השקעת אנרגיה. חשוב לציין שבמציאות אין באמת 'הפרה' או סתירה של חוקים פיזיקאליים, כלומר ברור שהאנרגיה שמרימה את הביצה מגיעה מסיבוב הביצה, רק שהמנגנון לא ברור.

הדבר המפתיע השני הוא שינוי ציר הסיבוב – הביצה מסתובבת בהתחלה סביב ציר שעובר בחלקה הצר, ואחר כך – מתחילה להסתובב לאורכה. שוב – זה דבר מוזר מאוד בעיניים של פיזיקאי! עבור חפצים מסתובבים קיים גודל פיזיקלי שנקרא 'תנע זוויתי' – שנוטה להישמר, כלומר לשמור על כיוון הסיבוב. זאת הסיבה, לדוגמא, שקשה להסיט ספינר שמסתובב מהר, שסביבון רגיל נשמר יציב כל עוד הוא מסתובב, שאופנוע שומר על יציבות בכביש, וגם אחראי לסיבוב של בומראנג. אף על פי כן – הביצה מסתובבת מיד ב-90 מעלות, וסביבון מתהפך מסתובב אפילו ב-180 מעלות. ממש מוזר.

ככל הנראה יש כוח שדוחף את הסביבון לעשות זאת. הדבר הפשוט היחידי שאפשר לומר הוא שזה ככל הנראה קשור לחיכוך: כאשר מנסים לסובב סביבון מתהפך או ביצה קשה על משטח חלקלק – הם מתהפכים פחות, ואפילו כלל לא. אבל איך בדיוק זה החיכוך משפיע, זה לא פשוט.

 לקט צילומי מסך של מאמרים מדעיים העוסקים בפיזיקה (הסבוכה) של סביבון מתהפך וביצה מתהפכת
לקט צילומי מסך של מאמרים מדעיים העוסקים בפיזיקה (הסבוכה) של סביבון מתהפך וביצה מתהפכת

למי שמעוניין בכל זאת להתעמק, הנה קישורים לכמה מאמרים מהספרות המדעית, שמסבירים את הפיזיקה של סביבון מתהפך (באנגלית, ודרוש ידע בפיזיקה ברמה של תואר ראשון לפחות. לחלק מכתבי העת דרוש מנוי כדי לגשת למאמר המלא):

The tippe top revisited

Spinning eggs and ballerinas

Motion of the Tippe Top : Gyroscopic Balance Condition and Stability

Tippe Top Inversion as a Dissipation-Induced Instability

Dynamics of the tippe top via Routhian reduction

 

0 תגובות