כדורים קופצים

מה רואים?

שלושה כדורים שמונחים זה על גבי זה לפי המסה שלהם, מהכבד אל הקל, וחוט מתכת מתוח עובר דרכם מלמטה ועד למעלה.

מה עושים?

הרימו את שלושת הכדורים לגובה כלשהו, החזיקו אותם ועִזבו רק את הכדור הגדול (התחתון). לאיזה גובה הוא יקפוץ? תגלו שהכדור יגיע לקצת פחות מהגובה ההתחלתי שלו, זאת מפני שהוא מאבד אנרגיה בדרך.
מה לדעתכם יקרה נבצע את אותה הפעולה, רק שהפעם נעזוב מגובה את כל הכדורים יחדיו? השאירו את ידכם בגובה שבו עזבתם את הכדורים כדי שתוכלו להשוות את גובה הקפיצה.

מה מגלים?

כאשר אנו מרימים את הכדורים לגובה כלשהו, אנו "טוענים" אותם באנרגיה פוטנציאלית־כובדית: הם לא יכולים להישאר סתם כך באוויר, וצריכים "לשחרר" את האנרגיה שנוצרה (ליפול מטה).

אם נשחרר רק את הכדור התחתון והכבד, הוא ייפול כצפוי למטה בגלל כוח המשיכה, אך יקפץ כמה פעמים מגובהו המקורי לגובה נמוך, עד שינוח לבסוף בבסיס המתקן.

בעת נפילתו של הכדור, האנרגיה הפוטנציאלית־כובדית הופכת בעיקר לאנרגיה קִינֵטית (לצד אנרגיית חום, שנובעת מהחיכוך עם האוויר והחוט), שמגיעה לשיאה בתחתית החוט.

לעומת זאת, כשאנו מרימים את כל הכדורים יחד ועוזבים אותם, נוכל להבחין שהם נופלים יחדיו לעבר בסיס המתקן: אך לאחר הפגיעה בתחתית הכדור הכבד יחדל מתנועתו, לעומת הכדור הבינוני שיקפץ מעט למעלה ולעומת הכדור הקטן שיגיע לגובה רב.

חלוקת המהירויות בין הכדורים נקבעת לפי חוק שימור האנרגיה בשילוב עם חוק שימור התֶנע, המתקיים בהתנגשויות שבין הכדורים. כך קורה שהכדור הגדול פוגע בתחתית, חוזר ראשון למעלה, "מתנגש" בכדור הבינוני שמעליו וכך הלאה – עד לכדור הקטן שלמעלה. נראה גם שהכדור הגדול כמעט אינו עולה. למעשה, האנרגיה שלו עברה אל הכדורים האחרים, הבינוני והקטן, באמצעות דחיפה.

מושגים מדעיים

אנרגיה פוטנציאלית: אנרגיית גובה. זוהי האנרגיה שאצורה בגוף עקב מצבו בשדה הכבידה – למשל הגובה שלו ביחס לפני כדור הארץ.

אנרגיה קִינֵטִית: אנרגיית תנועה, שמושפעת ממהירותו של גוף כשהוא נע ומהמסה שלו. מכונה גם אנרגיית מהירות.

משקל: מוגדר מכוח שקילתו של גוף ומושפע מכוח הכובד ומהמסה שלו.

חוק שימור האנרגיה: העיקרון שלפיו כמות מסוימת של אנרגיה נשארת קבועה במערכת סגורה. אנרגיה יכולה להחליף צורה אך אינה אובדת או מופיעה יש מאַין.

סקרנים לדעת עוד?

• נסו לחשוב: לאן "נעלמה" אנרגיית התנועה של הכדורים? התשובה היא שהיא לא נעלמה, אלא פשוט שינתה את צורתה. אף שכל הכדורים נעצרו לבסוף, האנרגיה שלהם הפכה לאנרגיית חום בגלל חיכוך עם האוויר.

•  אפשר לבצע ניסוי דומה גם בבית: קחו כדור גדול כלשהו כמו כדורסל, הניחו עליו כדור קטן כגון כדור טניס, ושחררו את שניהם מגובה. לאחר שחרורם תוכלו לראות שכדור הטניס מקפץ לגובה רב יותר מגובהו המקורי ברגע שהאנרגיה הקינטית של הכדורסל עוברת אליו.