יום שני, 16 בפברואר 2009

קוביות קרח נדבקות ואפקט צ'יריוס

מי שאוהב להוסיף קוביות קרח למשקה בוודאי שם לב שקוביות הקרח נוטות להידבק. קיבלתי מייל מאלה ששואלת למה זה קורה?

מסתבר שההסבר לניסוי הפשוט הזה אינו פשוט כלל.

כשמכניסים שתי קוביות קרח לכוס מים רואים שהקוביות נעות לכיוונים שונים באופן אקראי, אבל אם הקוביות התקרבו זו לזו, הן מתחילות "להימשך" עד שהן מתנגשות ונצמדות האחת לשנייה. המשיכה נובעת ממתח הפנים של המים. מתח הפנים גורם לפני השטח של המים להתנהג כמו משטח גמיש. אם לוחצים עליו בעדינות או מושכים אותו מלמטה הוא שוקע מעט, ואם מושכים אותו מעלה הוא נמתח ויוצר גבעה. גורם נוסף שמשפיע על צורת פני המים ליד עצם שצף על המים הוא מידת המשיכה בין מולקולות המים לאותו עצם (אדהזיה), אבל הצפיפות של העצם היא הגורם המשפיע יותר. אם העצם צף בזכות הצפיפות הנמוכה שלו הוא ימשוך את המים מעלה ותיווצר גבעה של מים סמוך לקו המגע עם העצם, ואם הוא צפוף מהמים וצף רק בזכות מתח הפנים של המים ייווצר שקע סמוך לקו המגע (למשל כשמצליחים לשים נעץ על פני המים).

קוביית קרח במים. רואים את הגבעה שנוצרת בקו המגע בין הקרח לפני המים. מקור: 123rf

קוביות קרח פחות צפופות מהמים, לכן הן יוצרות מעין גבעה סמוך לקו המגע שלהן עם פני המים. קוביות קרח שמתקרבות זו לזו מטפסות במעלה הגבעה הזו עד שהן נצמדות. זה בדיוק מה שקורה בכוס מלאה בדגני בוקר שצפים על פני החלב. יחידות קורנפלקס שקרובות זו לזו ממש נמשכות. קוראים לתופעה "אפקט צ'יריוס".

כעת מתחיל השלב השני: שכבת המים הדקה בין שתי קוביות הקרח מבודדת משאר המים בכוס, ולכן היא מתחילה לקפוא. במילים אחרות, הקור של הקרח גורם לאותה שכבה לקפוא כשאין לה מגע עם המים החמים יחסית בכוס. שכבת המים בין הקוביות שקפאה והפכה לקרח גורמת להן ממש להידבק זו לזו. ניתן לנסות את זה עם שתי קוביות קרח מחוץ למים. מחוץ למקפיא קוביות הקרח מתחילות להפשיר. זו הסיבה לכך שקוביות קרח חלקות למגע. כשמצמידים את הקוביות חזק הן נדבקות משום ששכבת המים ביניהן מבודדת מהאוויר וקופאת.

דרך אגב, איגלו בנוי על אותו עיקרון - המים בין לבני השלג קופאים והלבנים נדבקות זו לזו. בזכות ההדבקה הזו (ובזכות המבנה דמוי הכיפה) האיגלו הוא מבנה יציב ושימושי גם בתנאי מזג אוויר קשים.

 

2 comments:

אנונימי אמר/ה...

תודה רבה!
שאלה לא קשורה: בויקיפדיה כתוב באפקט ציריוס שהוא קשור לתוצא קזימיר. אתה יכול להסביר למה הכוונה?
אלה

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

שלום אלה,
אפקט קזימיר מתאר משיכה חלשה מאוד של גופים זה לזה המוסברת רק באמצעות תורת השדות הקוונטיים. על פניו נראה לי שאין קשר לאפקט צ'יריוס. מה עוד שאין לי מושג מה זה "המקבילה הימאית לאפקט קזימיר" (רשום כאן).
אני משער שהמידע בוויקיפדיה שגוי, אבל אני רוצה לבדוק עוד קצת.