בניסוי הזה נלמד שיטה נוספת להפוך כוס מלאה מים בלי שהמים יישפכו ממנה. הניסוי מנצל שתי תופעות פיסיקליות – מתח הפנים של המים ולחץ האוויר החיצוני.
ראו גם את השיטה הראשונה שהדגמנו איך להפוך כוס מים בלי שהמים יישפכו.

ציוד

  • כוס קשיחה (מזכוכית, חרסינה או פלסטיק קשיח)
  • מים
  • מפית נייר, מטלית נייר לניגוב או מגבון בד חד-פעמי

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הסבר

ההסבר לניסוי זה מתחלק לשני חלקים: הראשון הקשור לתופעה הנקראת מתח פני המים, והשני ללחץ האוויר.

על פני כל נוזל בעולם נוצר משהו שנקרא "מתח פנים", שהוא מין קרום דקיק ובלתי נראה המורכב מהחלקיקים היסודיים שבו (אטומים או מולקולות). הוא נוצר מכיוון שהחלקיקים הנמצאים בחלק החיצוני ביותר של הנוזל אינם מוקפים מכל צדדיהם בחלקיקים אחרים. בעקבות זאת נגרם חוסר איזון בכוחות המשיכה שהם "מרגישים" ונוצר מעין קרום קשיח על פני הנוזל. להרחבה על מתח הפנים מומלץ לקרוא את הכתבה: איך נוצר מתח הפנים בנוזלים.

הנייר במפית נייר איננו אטום לחלוטין, אלא מכוסה בנקבוביות רבות. כאשר הוא נרטב, הנקבוביות הללו מתמלאות בנוזל ונוצר עליהן מעין קרום דק של מים הנובע ממתח הפנים שהזכרנו – בדומה לקרום הדק של בועת סבון.

הקרום הדק יכול לעמוד בלחצים לא קטנים שיופעלו על פניו בלי להיקרע, כפי שאפשר לראות בניסוי האטב הצף שבו אטב ברזל כבד צף על קרום המים. עם זאת, כאשר הלחץ על הקרום חזק מספיק, הוא עלול להיפרץ ולאפשר זרימה של מים בין הנקבוביות, כפי שאכן רואים שקורה בסרט כשמוזגים מים על פני הנייר בחלק הראשון של הניסוי. גם אם ישנו שטח גדול של מים (ולא נקבוביות קטנות) אז זה מעלה את הסיכוי שהקרום יפרץ - כי כל תנועה קלה תעוות את צורתו החלקה מה שיוביל לחדירה שלו, ולכן אנחנו צריכים ליצור הרבה קרומים קטנים על פני הכוס כדי למנוע חדירה דרך הקרום.

כאשר אוטמים כוס מלאה במים בנייר רטוב והופכים אותה, פועלים על פני הנייר (ועל פני קרומי המים הקטנים שאוטמים אותו) שני כוחות מנוגדים. ראשית, כוח המשיכה גורם למים להפעיל לחץ כלפי מטה. אולם ברגע שהמים מתחילים לנוע למטה מתוך הכוס המלאה, אפילו אם זו רק תנועה בלתי נראית של שברירי מילימטר, הלחץ בכוס יורד משום שלא נכנס אליה שום חומר אחר במקום המים, כך שנפח האוויר הלכוד בכוס גדל. התוצאה היא שהלחץ בתוך הכוס הופך להיות נמוך יותר מלחץ האוויר החיצוני ולכן תנועת המים נפסקת (לחץ האוויר החיצוני לוחץ עליהם מלמטה) – והמים לא נשפכים.

זה בדיוק מה שמתרחש בניסוי הראשון שהראינו – איך להפוך כוס מים בלי שהמים יישפכו – רק שכאן מתח הפנים של המים מחליף את מקומו של הקרטון האטום ומצליח למנוע מאוויר לחדור לתוך הכוס – וכך מונע את זליגת המים למטה.

שימו לב שאם משתמשים בכוס מחומר לא קשיח, כמו כוס חד-פעמית מפלסטיק דק, הניסוי לא יצליח כי לחץ האוויר החיצוני ימעך את הכוס וידחוף את המים למטה.

מעניין לציין

אפשר לבצע ניסויים רבים שמדגימים את מתח פני המים, כמו האטב הצף, סביבון מים, וציורים על חלב. וגם ניסויים המדגימים את לחץ האוויר כמו איך לנפח בלון בתוך בקבוק או אופציה נוספת לניפוח בלון בבקבוק.

2 תגובות

  • רעות

    שאלה לגבי לחץ אוויר ולחץ מים.

    בסרטון נאמר כי לחץ אוויר גדול מלחץ מים ולכן המים לא יוצאים דרך הנייר. אבל אם לחץ המים נמוך יותר, איך בבריכה שמכניסים את הראש וככך שמעמיקים מרגישים לחץ גדול יותר?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    לחץ אוויר ולחץ מים

    דבר ראשון – בכל סדרת הניסויים – ההסבר בסרטון עצמו הוא קצרצר (ברמה של משפט / 10 שניות) ההסבר המפורט נמצא כאן בכתבה, כמו שכתוב בכתבה הסיבה המדוייקת לאי נפילת המים היא ירידת לחץ בכוס ברגע שהמים מתחילים ליפול (כי הנפח של הגזים שבכוס גדל – ואז הלחץ יורד שבכוס יורד – ונמצא יותר נמוך מלחץ האוויר שמחוץ לכוס).

    מה שתיארת לגבי הבריכה – נכון ומדוייק, למעשה – על כל 10 מטרים שיורדים לעומק – הלחץ גדל בעוד אטמוספירה אחת (שזה לחץ האוויר הרגיל). דרך אגב – זו הסיבה שאי אפשר לצלול לעומקים עמוקים מאוד, כי בשלב מסויים הלחץ מגיע לרמה כזו שהגוף והציוד לא עומדים בו. אבל – שימי לב שבריכה או ים הם לא מקרה הכוס: על פני בריכה לחץ האוויר לוחץ כלפי מטה, ולחץ המים מתווסף אליהם (כלומר שני הלחצים פועלים באותו הכיוון).

    כמו שכתבתי – לחץ האוויר הלוחץ עלינו הוא שווה-ערך לעמוד של 10 מטרים של מים, ואכן – משאבה פשוטה (כמו מזרק) לא מצליחה לשאוב מים מעומק עמוק יותר מ-10 מטרים – כי זה לא שהמשאבה או המזרק מפעילים כוח בשאיבה – אלא שלחץ האוויר הוא שדוחף את המים לתוך המשאבה שרק יוצרת ירידת לחץ.
    תופעה זו התגלתה בתקופת המדען גלילאו (ותלמידו טוריצ'לי) והיא שהביא להבנת כל נושא לחץ האוויר. ראי הסרט כאן שמדגים התופעה: (שמים לא נשאבים לגובה של יותר מ-10 מטר): https://www.youtube.com/watch?v=4Xx_GZV9M7k
     (ראי גם הניסוי 'נר ששותה מיץ' להסבר נוסף).

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע