למה סביבון לא נופל?

סביבון הוא ה-משחק של חנוכה. כולם יודעים שכאשר הסביבון מסתובב מהר, הוא לא נופל. אבל לא הרבה יודעים עובדה מפתיעה – גם סביבון שתלוי על חוט כך שיסתובב 'הצידה' (כשציר הסיבוב מקביל לקרקע) – יישאר תלוי באוויר ולא ייפול. מדוע זה קורה – ואיך זה אפשרי? צפו בסרטון המסביר הכל בשפה פשוטה:

עניין של (חוסר) יציבות

מי שינסה להעמיד סביבון על החוד שלו – כאשר הוא לא מסתובב, יגלה שמדובר במשימה קשה ביותר, אפילו בלתי אפשרית.

הסיבה לכך היא דבר שנקרא מרכז המסה, שקובע, בין היתר, אם חפצים שאנו מניחים יהיו יציבים או לא.

מרכז המסה, או מרכז כובד, הוא נקודה שאפשר למצוא עבור גופים וצורות, המייצגת מבחינה פיזיקלית את מיקום כל המסה של הגוף, כאילו שהמסה לא באמת מפוזרת בכל נפחו אלא מרוכזת בנקודה יחידה. את הרעיון של מרכז מסה העלה לראשונה המדען היווני ארכימדס לפני כ-2,300 שנה. כמו עוד תגליות והמצאות רבות אחרות של ארכימדס, למרכז הכובד יש שימושים רבים מאוד בפיסיקה ובהנדסה גם כיום.

בחישובים פיזיקליים נהוג בדרך כלל להתעלם מנפחם של גופים ולהתייחס אל כל המסה כנקודה הנמצאת במרכז הכובד של הגוף. בגופים פשוטים וסימטריים, נקודת מרכז המסה נמצאת במרכז: מרכז הכובד של ריבוע שטוח הוא מפגש האלכסונים שלו; במשולש שטוח – נקודת המפגש של שלושת התיכונים שלו; במוט ישר כמו סרגל – מרכז המוט; במעגל ובכדור: הנקודה שבמרכז.

קיימות שתי דרכים עיקריות לשמור על גוף יציב, כלומר לאפשר לו להתאזן במקום אחד בלי ליפול או לזוז. האחת היא להשעין את נקודת מרכז המסה של הגוף על משהו במגע ישיר, אם ניקח ריבוע קרטון שטוח נוכל לאזן אותו על קצה האצבע, אם הוא יונח כך שהאצבע בדיוק מתחת למרכז הריבוע, שהוא מרכז המסה. האפשרות השנייה, נוגעת לגופים שבהם מרכז המסה נמצא בעומק הנפח שלהם, ואי אפשר לגעת בו ישירות כמו בקרטון שטוח, היא להשעין את הגוף על נקודה או 'בסיס' שנמצא בקו ישר מאונך לקרקע בדיוק מעל למרכז המסה או מתחתיו.

רק כשמרכז המסה של גוף נמצא במאונך מעל נקודת משען, הגוף לא יפול – לכן גלילים א' וב' יישארו יציבים ואילו גליל ג' ייפול | איורים: אבי סאייג

גירוסקופ מסתובב אופקית – תלוי על לולאת חוט ואינו נופל | צילום איילת אלבנדה

גם את התופעה הזאת שנראית פלאית ממש, כי הרי החפצים בעולם מצייתים לכוח המשיכה ונופלים, אפשר להסביר באותו אופן כמו סיבוב הסביבון.

נתבונן בגירוסקופ שמסגרתו תלויה על החוט. כדי להתחיל ליפול, החלק העליון שלו (מסומן בצהוב בתמונה) – יידחף לנוע שמאלה, והחלק התחתון שלו (מסומן בכחול בתמונה) יידחף לנוע ימינה.

לאן נדחפים חלקי הגירוסקופ התלוי בלולאה בקצהו הימני? | צילום: איילת אלבנדה, איורים: נעמה זיו-חיון

ושוב, כעבור חצי סיבוב – התמונה מתהפכת, והחלק הצהוב שקודם נדחף שמאלה – יידחף ימינה, והחלק הכחול שקודם נדחף ימינה יידחף לנוע שמאלה – כך שגם כאן הדחיפות מבטלות זו את זו והגירוסקופ לא נופל.

הכוחות המנוגדים בכיוונם מבטלים אלה את אלה. הגירוסקופ לאחר חצי סיבוב | צילום: איילת אלבנדה, איורים: נעמה זיו-חיון

חידה לסיום

הגירוסקופ המסתובב שתלוי על חוט אמנם לא נופל, אבל הוא עושה תנועה נוספת, מעין סיבוב בכיוון השעון במקביל לקרקע:

תנועה סיבובית אופקית של הגירוסקופ התלוי על חוט | צילום: איילת אלבנדה, איורים: נעמה זיו חיון

נסו לחשוב מדוע נוצרת התנועה הזאת פתאום ומה ההסבר מאחוריה. מוזמנות ומוזמנים לכתוב לנו את ההסבר בתגובות לכתבה.

חנוכה שמח!