סביבון על חוט

מה רואים?

ג'יירוסקופ – דִסקית מתכת שבמרכזה עובר מוט, ולידו מונחת ידית עץ קצרה שאליה מחובר חבל. כדי לבצע את הניסוי, הרימו את הדסקית מהמעמד שעליו היא נשענת. 

מה עושים?

ניסוי ראשון: הרימו את הג'יירוסקופ מהמתקן, החזיקו צד אחד שלו ואת צידו השני תלו על החוט. מה לדעתכם יקרה לג'יירוסקופ כשנעזוב אותו? הג'יירוסקופ יאבד שיווי משקל וייפול בגלל כוח המשיכה. כעת נחזור על הניסוי באופן דומה, רק שהפעם סובבו את הג'יירוסקופ במהירות באמצעות ידכם או בעזרת החבל וידית העץ. מה קורה לו כעת? האם נפל?
ניסוי שני: כעת סובבו שוב את הדסקית במהירות גבוהה באמצעות החבל – אחזו בשתי הידיות משני צידיה ונסו להטות אותה באמצעותן.

מה מגלים?

בניסוי הראשון, כשהיה תלוי מצידו האחד ומסתובב, הג'יירוסקופ לא נפל אלא הסתובב על צירו. אף שכוח המשיכה הופעל עליו, הוא הצליח "להתנגד לו" על ידי שינוי כיוון תנועתו בתגובה לכוח המשיכה.

אבל שימו לב לנקיפות (נפילות קלות כלפי מטה) שמתרחשות: אומנם, כוח המשיכה שמופעל עליו בכיוון אנכי לא נעלם כלל, והוא משפיע על הג'יירוסקופ ומושך אותו מטה: אך בזכות הסיבוב של הדסקית הג'יירוסקופ מצליח "למשוך את עצמו" שוב למעלה, ואלו אותן נקיפות שאנו רואים במהלך סיבובו. בניסוי השני, כשהחזקנו את הג'יירוסקופ בשתי ידינו והטינו אותו הצידה, הרגשנו את הכוח שהוא "מפעיל" עלינו בתגובה – ממש כפי שהג'יירוסקופ "התנגד" לכוח המשיכה כשהסתובב סביב צירו. כל זה קורה לפי עיקרון הפעולה־תגובה, שהוא גם החוק השלישי של ניוטון.

מושגים מדעיים

התמדה (inertia): תכונתו של גוף בעל מסה להתנגד לשינויים במצב תנועתו.

מומנט כוח (moment): כפי שכוח יוצר שינוי במהירות, כך מומנט כוח יוצר שינוי בסיבוב.

החוק הראשון של ניוטון: כל גוף ימשיך במצב מנוחה או בתנועה במהירות קבועה, אלא אם כן יפעל עליו כוח שיגרום לשינוי במצב זה.

החוק השלישי של ניוטון: לכל כוח שגוף אחד מפעיל על גוף אחר ("פעולה"), הגוף האחר מפעיל על הגוף הראשון כוח השווה לו בגודלו ומנוגד בכיוונו ("תגובה").

נקיפה (precession): שינוי של כיוון ציר הסיבוב של גוף מסתובב.

ג'יירוסקופ: גִּירוֹסקוֹפּ או ג'יירוסקופ (לפי האקדמיה ללשון העברית: סביבון), ומכונה לעיתים בקיצור "ג'יירו", הוא מכשיר מדעי המשמש למדידה או שמירה של יציבות תוך כדי התבססות על עקרונות שימור התנע הזוויתי. 

סקרנים לדעת עוד?

• הדוגמה המוכרת ביותר לתופעת הנקיפה שאנו מכירים מחיי היום־יום היא הסביבון. כשאנו מסובבים אותו אפשר לראות בבירור שהסיבוב אינו חלק, ולפעמים נדמה שהסביבון עומד ליפול, אך הוא ממשיך להסתובב.
• כדור הארץ, שמסתובב על צירו, מבצע נקיפה קטנה ואיטית מאוד שנמשכת עשרות אלפי שנים. בגלל הנקיפה הזו כוכב הצפון משנה קלות את מיקומו בשמיים.
• בזכות תכונתו של הג'יירוסקופ לשמור על מישורו משתמשים בו במטוסים, בספינות, בלוויינים ובכלים שונים לצורך איזון או שמירה על ציר קבוע.

מאמר בנושא סודות הסביבון באתר מכון דוידסון