לקריאת הכתבה

איך לגרום לצימוקים לרקוד?

בניסוי הזה נגרום לצימוקים לרקד מעלה ומטה בתוך כוס.

ציוד

  • צימוקים או חמוציות (יש להשתמש בצימוקים כהים ויבשים)
  • מי סודה
  • כוס שקופה

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הסבר

המדען היווני ארכימדס, שחי ביוון לפני כ-2,250 שנים, עסק רבות במתמטיקה ובפיסיקה, בין תגליותיו הרבות הוא קבע גם את "חוק הציפה של ארכימדס", שקובע בין היתר מתי גופים ישקעו ומתי הם יצופו בנוזל.

הגודל החשוב בקשר לציפה של גופים הוא הצפיפות שלהם (המכונה גם "משקל סגולי"), שמוגדרת כיחס בין המסה של הגוף לנפח שלו. לדוגמה, אם לגוף מסוים יש מסה של 12 גרם והנפח שלו הוא שני סמ"ק אזי הצפיפות שלו היא 12/2, כלומר שישה גרם לסמ"ק. כיוון שהנפח של גרם מים הוא 1 סמ"ק, הצפיפות של המים היא 1 גרם לסמ"ק.

כדי לדעת אם גוף ישקע בנוזל או יצוף בו, פשוט משווים את הצפיפות שלו לצפיפות הנוזל. אם הצפיפות שלו גבוהה מצפיפות הנוזל, הוא ישקע; אם הצפיפות שלו נמוכה מצפיפות הנוזל, הוא יצוף.

כיוון שהצפיפות של צימוקים וחמוציות גבוהה מצפיפות המים, הם שוקעים בתחתית כוס הסודה – שמורכבת בעיקר ממים.

אך סודה היא לא סתם מים, אלא מים שמומס בהם הגז פחמן-דו-חמצני (CO2). הגז נשאר מומס במים כל עוד יש מעליהם גז פחמן דו-חמצני נוסף שלוחץ עליהם (חוק הנרי – שנקרא על שם המגלה שלו, קובע את התנאים של המסת גזים בנוזלים). זה המצב שמתקיים בתוך כל בקבוק של משקה מוגז. כאשר פותחים בקבוק של סודה או של משקה תוסס אחר, הגז שנמצא בבקבוק ומעל המשקה משתחרר (שומעים את זה ב"טסססס..." שנפלט ברגע פתיחת הפקק) וכתוצאה מכך גם הגז המומס במים מתחיל להשתחרר החוצה – בצורת בועות.

מכיוון שצפיפות הגז נמוכה בהרבה מצפיפות המים, בועות הגז צפות. כלומר נדחפות בכוח כלפי מעלה לעבר שפת הכוס. (ארכימדס ניסח גם את החוק שקובע את עוצמת הכוח שדוחף גופים כלפי מעלה – כוח הציפה, להרחבה נסו את היישומון ציפה של גופים). חלק מהבועות של הסודה מצטברות על פניהם המחורצים של הצימוקים. המבנה ה"מקומט" של הצימוקים גם מסייע לבועות של הגז להשתחרר או להיווצר ממש על פני הצימוק (בדיוק כמו בניסוי מנטוס וקולה רק ששם כל הגזים משתחררים מהקולה בבת אחת).

בשלב מסוים הצימוקים מתכסים בכל כך הרבה בועות של גז עד שכוח הציפה המופעל עליהם חזק מספיק כדי להציף אותם למעלה. התהליך מזכיר אדם עם מצופים בבריכה, שהמצופים דוחפים אותו למעלה ולא מאפשרים לו לשקוע.

כשהצימוק מגיע למעלה, הבועות המקיפות אותו מתפוצצות ומתאחדות עם האוויר החיצוני. כוח הציפה הפועל עליו מצטמצם והוא שוקע שוב בתחתית הכוס, וחוזר חלילה.

מעניין לציין

כשצוללות שנמצאות במעמקי הים רוצות להעלות אות אל פני הים (למשל אות מצוקה) הן משתמשות לא פעם בבלון ציפה שאליו קשור המסר. כמו בועות הסודה שנושאות את הצימוקים בניסוי הנוכחי, המצוף נושא את המסר מהצוללת ומעלה אותו על פני הים.

מומלץ לנסות ניסוי נוסף שבו נעזרים בחוק הציפה של ארכימדס למדידת נפח.

4 תגובות

  • אנונימי

    מדוע הבועות מצטברות על פני

    מדוע הבועות מצטברות על פני השטח של הצימוק? מה גורם לזה לקרות?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    שתי סיבות

    שלום לאנונימי
    הבועות מצטברות על פני הצימוק המקומט והמחורץ משתי סיבות, הראשונה פשוטה יחסית להבנה והשנייה טיפה יותר מסובכת, אנסה להסביר בלי להיכנס לעומק הפיזיקה:
    הראשונה – בועות שעולות מתחתית הכוס ופוגעות בצימוק והוא פשוט מפריע להן פיזית לעלות למעלה, והן פשוט 'מסתבכות' בחריץ ולא יכולות להמשיך הלאה. בדומה לזה שבריצוף מחוספס יש הרבה יותר חיכוך בהשוואה לריצוף חלק – והרגל לא מחליקה עליו אלא נתפסת עליו.
    השנייה – הבועות ממש נוצרות בחריצים. אם תזרוק צימוק לסודה, או מלח או אבן (או סוכריית מנטוס) – תשים לב שברגע שאתה זורק את החפץ המחורץ, ממש נוצרות סביבו בועות. כדי להסביר את זה בצורה פשוטה אני אתן דוגמא מבלון: אם ניפחת בלון, אתה יודע שהשלב הכי קשה בניפוח – הוא השלב הראשוני, שאז הגומי של הבלון הכי עבה. ברגע שעוברים את השלב הראשון של הניפוח, כבר קל להמשיך ולנפח את הבלון. הרבה פעמים ילדים לא מצליחים לנפח בלון, אבל עם מתחילים לנפח עבורם את הבלון הם יכולים להמשיך הלאה.
    באופן דומה – בסודה יש גז מומס ש'רוצה' לברוח החוצה כבועות. כדי ליצור בועה – הוא בעצם צריך 'לנפח' בועה בתוך המים. השלב הראשוני של ניפוח הבועה הוא מאוד קשה, מאוד קשה להרחיק את מולקולות המים הצמודות זו לזו. כאשר זורקים צימוק עם חריצים, כבר יש כאילו בועות מנופחות 'מותחלות' (כמו בלון שהתחילו לנפח אותו עבורך) – כי יש אוויר בחריצים, ואז הגז המומס בסודה פשוט ממשיך את הניפוח שהתחיל ונוצרות בועות סביב הצימוק.
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • אנונימי

    תודה רבה!

    תודה רבה!
    איך נקרא העקרון הזה של ההתחלה של הבעבוע על הצימוק? גרעיני התגבשות או משהו כזה? אני זוכרת נכון? כמו שמכניסים גרגרים של משהו לתמיסה כדי שיגדלו בה גבישים?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    התגרענות

    התהליך נקרא התגרענות - או נוקלאציה.
    https://he.wikipedia.org/wiki/%D7%94%D7%AA%D7%92%D7%A8%D7%A2%D7%A0%D7%95...
    זה תהליך שמתרחש בהרבה מקרים שצריך שינוי פאזה - למשל התגבשות של גביש (שדורשת איזה גביש קטן) או אפילו אדי מים שיתעבו לעננים - תראי גם את הניסוי שלנו על זה:
    https://davidson.weizmann.ac.il/online/scienceathome/physics/%D7%A2%D7%A...

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