רובה גומיות (וחוק שימור האנרגיה)

הפעם נבנה בקלי קלות רובה שיורה גומיות – ונדגים באמצעותו עיקרון מאוד חשוב בפיסיקה שנקרא "חוק שימור האנרגיה".

ציוד

• גומיות משרדיות
• אטב כביסה
• קרש או ענף ישר וקצר יחסית (ראו סרט)

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הסבר

ברובה הגומיות אנו מותחים את הגומייה, וכשאנחנו משחררים אותה מהמתיחה היא מתכווצת במהירות ועפה אל הכיוון שאליו היא שוחררה, כלומר מאטב הכביסה קדימה.

הרובה אמנם פשוט מאוד, אבל הוא מדגים אחד מהעקרונות הפיסיקליים החשובים ביותר – שנקרא "חוק שימור האנרגיה". אבל כדי להבין את החוק צריך להגדיר קודם כל מה זה בכלל "אנרגיה"?

מתברר שזה דבר לא פשוט. למרות שאנו נתקלים מדי יום באנרגיה ובהשלכותיה, קשה לנו להגדיר מה היא בדיוק, והרבה פיסיקאים ומדענים אחרים התווכחו על הנושא הזה במשך השנים. למעשה, הוויכוח הזה נמשך עד היום, עד כדי כך שבערך "אנרגיה" בוויקיפדיה באנגלית החליטו לוותר על הגדרה ופשוט נותנים שם דוגמאות של אנרגיה.

אחת ההגדרות היותר מקובלות כיום לאנרגיה (כאמור, לא על כולם) היא שאנרגיה היא גודל שמייצג לנו את כמות העבודה שכוח יכול לעשות בעתיד. כלומר אם יש למשהו אנרגיה, הוא יכול להשתמש בה לעבודה כלשהי. ככל שיש למשהו יותר אנרגיה, כך הוא יכול לעשות יותר עבודה.

אחד הדברים המעניינים באנרגיה הוא שהיא לא הולכת לאיבוד, אלא רק פושטת כל הזמן צורה ולובשת צורה אחרת – מתהליך לתהליך ומחפץ לחפץ, בגלגול אינסופי. כשמתחנו את הגומייה השקענו אנרגיה בעבודה, כלומר הפעלנו כוח במתיחת הגומייה לאורך דרך מסוימת. העבודה שעשינו לא נעלמה – היא השתמרה בתוך הגומייה כ"אנרגיה פוטנציאלית אלסטית" (סוג האנרגיה שקפיצים וגומיות שומרים בתוכם). כשאנחנו משחררים את הגומייה, האנרגיה הזו משתחררת ולובשת צורה אחת: אנרגיה קינטית, כלומר אנרגיה של תנועה – והגומייה עפה באוויר.

את חוקי הכוח של קפיצים וגומיות גילה המדען הבריטי רוברט הוק במאה ה-17. לפי החוקים הללו, האנרגיה של קפיץ או של גומייה תלויה ב"קבוע הקפיץ" – גודל שאומר עד כמה הקפיץ או הגומייה קשים למתיחה או לכיווץ – כפול מרחק המתיחה של הקפיץ בחזקת 2. כלומר אם גומייה אחת מתוחה פי שלושה מגומייה אחרת, סימן שהיא היא מכילה גמות אנרגיה גדולה ממנה פי תשעה (כי 3 בחזקת 2 זה 9). ולכן, ככל שנתאמץ ונמתח את הגומייה קצת יותר, היא תכיל יותר אנרגיה פוטנציאלית ותעוף למרחק יותר גדול כשנשחרר אותה. צריך להיזהר לא למתוח את הגומייה יותר מדי, כי אז היא עלולה להיקרע.

מעניין לציין

מאחר שאנרגיה רק משנה צורה ומתהליך לתהליך אבל לא נעלמת, אפשר לעקוב אחריה לאחור ולזהות מה היה המקור הראשוני של האנרגיה שהניע את כל תהליך.

למשל בניסוי הנוכחי, תנועת הגומייה קרתה בגלל הטענת הגומייה באנרגיה פוטנציאלית אלסטית שהגיעה משרירי האדם (שעשו את עבודת המתיחה); השרירים הפיקו את האנרגיה באמצעות ניצול אנרגיה כימית של חומרי המזון שאנחנו אוכלים; המזון שאנחנו אוכלים מתחלק לשניים: צמחים – שמקבלים את האנרגיה שלהם מהשמש, ובשר של בעלי חיים – שמקבלים גם הם את האנרגיה שלהם מצמחים שהם אוכלים. כיוון שהכל בסוף מגיע לצמחים, שמקבלים אנרגיה מאור השמש, אפשר לסכם ולקבוע שהמקור לתנועת הגומייה הוא אור השמש, שפשוט שינה שוב ושוב ושוב את צורתו עד שהגיע לתנועת הגומייה!

למעשה, אפשר לעשות תרגילים דומים עם תהליכים רבים שקורים בעולם ולהראות שכמעט כל האנרגיה בעולם, פרט לתהליכים גרעיניים כמו פצצת אטום, פצצת מימן וכורים גרעיניים, מקורה באור השמש שלנו.
ומאיפה מקבלת השמש את האנרגיה שלה? תשובה לכך תמצאו במאמר על גלגולי האנרגיה בשמש, אבל בקצרה נספר לכם שהשמש הופכת חומר לאנרגיה, וזוהי הדרך היחידה שמאפשרת יצירה של אנרגיה חדשה בעולם, לפי נוסחה שגילה הפיסיקאי אלברט איינשטיין.