איך גורמים לכדור ולבלון לרחף באוויר?

בניסוי הזה נגרום לכדור פינג-פונג ולבלון לרחף באוויר בלי ליפול למטה ובלי לזוז לצדדים. ההסבר לתופעה עבר שינויים גדולים במהלך השנים.
מומלץ להיעזר במבוגר בעת ביצוע הניסוי.

ציוד

• כדור פינג-פונג, טניס שולחן או כדור משחק קטן וקל אחר
• מייבש שיער חזק (פֶן)

או –

• בלון
• מאוורר

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

הערה: במידת האפשר יש להפעיל את מייבש השיער בלי חימום כלל (רק רוח).

הסבר

במקורות רבים, בעבר וגם היום, ההסבר למתרחש בניסוי התבסס על פרשנות שגוייה של עקרון ברנולי. אולם בשנים האחרונות הובהר כי עקרון ברנולי לא תקף כלל כאן מלכתחילה (העקרון נובע מחוק שימור האנרגיה – ואילו בהדגמה זו יש תוספת אנרגיה על ידי מייבש השיער), והוא לא ההסבר לתופעה.

אם כך, מה הוא ההסבר הנכון לריחוף הכדור באוויר?

אפקט שנקרא אפקט קואנדה (Coandă) על שם מגלהו – אנרי קואנדה שהיה מדען ומהנדס אווירודינמיקה פורץ דרך.

אפקט קואנדה טוען שכאשר זרם של אוויר עובר ליד גוף מוצק, זרם האוויר יצמד לגוף המוצק, ויזרום במקביל לקווי המתאר שלו. אפשר לראות תופעה דומה גם בנוזלים (שם התופעה לא מכונה אפקט קואנדה)– אם שמים כדור תחת זרם מים, המים יצמדו לכדור ויזרמו בצמוד לקווי המתאר שלו.

מדוע אפקט קואנדה מתרחש בגזים?

כאשר יש זרם אוויר, המולקולות שבאוויר הנע (החלקיקים הקטנים שמהם האוויר מורכב) מתנגשות במולקולות אוויר שכנות, הנמצאות באוויר הדומם ליד הזרם, כתוצאה מההתנגשויות מצד אחד הזרם המקורי מואט, אבל מהצד השני האוויר הדומם מתחיל לנוע, ולמעשה נסחף יחד עם הזרם המקורי (שלב 1 בתמונה למטה), כתוצאה מהיסחפות זו האוויר משני צידי הזרם המקורי נהפך דליל יותר, כלומר לחצו יורד, ועוד אוויר משני הצדדים של הזרם נדחף לאזור זה.

תהליך היווצרות אפקט קואנדה | נוצר על ידי המשתמש Cruithne9 מויקיפדיה

אם האוויר זורם ליד משטח מוצק (כפי שמוצג בשלב 2 בתמונה), מכיוון שהגוף עצמו חוסם הגעה של אוויר מכיוונו, תת הלחץ שנוצר עקב סחיפת האוויר באזור לא מתאזן, וזרם האוויר עצמו נדחף לאזור תת הלחץ הזה בצמוד לגוף (שלב 3). ההיצמדות היא לקווי המתאר של הגוף – גם אם הוא עקמומי (שלב 4).

ולכן – כאשר אנו נושפים זרם אוויר מהיר על כדור, נוצר לחץ נמוך סביב פני הכדור, זרם האוויר נצמד אליו, כך שיש לנו בעצם כדור המוקף באיזור לחץ נמוך ובזרם אוויר מהיר, שבעצם כולא את הכדור בתוך סילוני אוויר מכל צדדיו: גם הלחץ הנמוך בשולי הכדור שומר על הכדור במרכז, וגם זרם האוויר שזורם מכל הכיוונים של הכדור ולכן מפיעל כוח מכל הכיוונים של הכדור:

הכדור לא נופל למטה מפני שזרם האוויר החזק שיוצא מהפֶן דוחף אותו למעלה, נגד כוח המשיכה, כפי שאפשר לראות באיור הבא:

כלומר לזרם האוויר יש כאן תפקיד כפול – גם להפעיל כוח על הבלון כדי שלא ייפול למטה, וגם לשמור סביבו על זרם של לחץ נמוך כדי שלא ינוע לצדדים.

מעניין לציין

התפתחות ההסברים להדגמה לאורך ההסטוריה מראה שלפעמים גם על הסיבה להתחשותם של תופעות פיזיקליות פשוטות לכאורה, מגלים עם השנים הסברים מדעיים מדויקים יותר. כשזה קורה לדברים 'בחזית המדע' - לרוב זה גורם לצמיחתן של תיאוריות מדעיות חדשות ומדויקות יותר.