קוביית קרח מרחפת ומזילה דמעות

ציוד וחומרים:

• קוביית קרח
• כוס
• שמן מאכל (עדיף סויה, בעדיפת פחותה: תירס או קנולה)
• שמן תינוקות

הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

הערה: מומלץ להכניס את קוביית הקרח לכוס מיד עם הוצאתה מהמקפיא, בטרם יווצרו עליה טיפות מים.

הסבר

בניסוי זה אנו יוצרים בכוס מעין 'ערימה' של חומרים זה על גבי זה. למעשה הם צפים זה על גבי זה, כך שהניסוי עוסק בציפה של גופים וחומרים. המדען היווני ארכימדס, גילה כבר לפני כ-2,250 שנה את החוקים הקובעים מתי חומר יצוף על חומר אחר, ומתי ישקע בו.

כדי לדעת אם חומר יצוף על חומר אחר או ישקע בו – כל מה שאנו צריכים לדעת הוא גודל אחד בלבד שנקרא צפיפות או משקל סגולי. הצפיפות, כשמה, מודדת כמה צפוף החומר, כלומר כמה מסה יש בו ביחס לנפחו, ולכן נמדדת ביחידות של מסה לנפח, כמו גרם לסמ"ק. חומר פחות צפוף (בשפת היום-יום היינו אומרים 'חומר קל') יצוף על חומר יותר צפוף – וההפך: חומר צפוף ישקע בתוך חומר פחות צפוף.

בניסוי הנוכחי יש שלושה חומרים שונים: שמן בישול, שמן תינוקות ומים, כאשר המים נמצאים בשני מצבי צבירה: מוצק (קוביית קרח) ונוזל (טיפות שמטפטפות מקוביית הקרח המפשירה).

החומרים מסתדרים בדיוק לפי סדר הצפיפויות שלכם, בהתאם לחוק הציפה של ארכימדס:

בראש הכוס, צף על כולם שמן התינוקות, שהוא למעשה שמן מינרלי / או שמן פרפין. שמן 'קל' יחסית שמקורו בתזקיקי נפט, צפיפותו היא כ- 0.8 גרם לסמ"ק.

מתחתיו נמצאת קוביית הקרח – שצפיפותה 0.9167 גרם לסמ"ק.

מתחת לקוביית הקרח נמצא שמן הבישול שלו צפיפות מעט גבוהה יותר. 0.92-0.93 גרם לסמ"ק, לשמן סויה / קנולה.

לתחתית – זולגות כדמעות טיפות המים, בעלות הצפיפות הגבוהה ביותר כ-1 גרם לסמ"ק (כ-1 ולא בדיוק 1, כי צפיפות המים תלוייה בטמפרטורה. רק ב-4 מעלות צלזיוס צפיפות המים היא בדיוק 1 גרם לסמ"ק).

שימו לב שצפיפות הקרח וצפיפות שמן הבישול מאוד קרובות, לכן אני ממליץ להצלחת הניסוי להשתמש בשמן סויה, בעל צפיפות הגבוהה מבין שמני הבישול, כמו כן כדאי להכניס את הקוביית הקרח לכוס השמנים מיד אחרי שמוצאים אותה מהמקפיא, ולפני שנוצרים על פניה מים – אחרת היא תשקע. קוביית הקרח עלולה לשקוע עם הזמן בתוך השמן – אחרי שהיא נעטפת במים (שהפשירו ממנה) שהם כבדים יחסית, וגוררים אותה עמם לתחתית הכוס (מעלים את צפיפותהּ הממוצעת ולכן שוקעת).

מעניין לציין

קרח של מים מדגים תופעה יוצאת דופן שנקראת האנומליה של המים. אנומליה – התנהגות 'לא נורמלית'. ומה היא ההתנהגות הלא נורמלית של הקרח? העובדה שהוא צף על פני מים זאת התנהגות לא נורמלית. עבור כמעט-כל החומרים בעולם, המצב המוצק שלהם צפוף יותר מהמצב הנוזלי ולכן הם שוקעים בתוך הנוזל שלהם ולא צפים על פניו. כך גם מרמז ההגיון המדעי – כאשר חומר מתקרר המולקולות שבו נעות לאט יותר, המרחקים ביניהן קטנים והן נצמדות זו לזו, ולכן צפיפותו צריכה לעלות. ואילו נפח המים גדל כשהם קופאים – זאת עקב מבנה גבישי ייחודי של קרח, שכולל חללים רבים שסביבם מולקולות מים במבנה משושה, כפי שאפר לקרוא בהרחבה בכתבה על האנומליה של המים.

מבנה מרחבי של גביש קרח. אפשר לראות את המבנים המשושים שנוצרים בין המולקולות | מקור: ויקיפדיה