יום רביעי, 16 בדצמבר 2009

למה סביבון לא נופל?

גיל, חבר ותיק, שלח לי שאלה במייל:
לכבוד החנוכה, אולי תוכל להסביר בפשטות מדוע כשמסובבים סביבון הוא לא נופל? – הסבר שגם ילדים קטנים יבינו (וגם אני).
אפשר גם להעמיק לכיוון הגירוסקופ, יו-יו, כוח קוריוליס...
ובכן, השאלה הזו בכלל לא פשוטה - תנועה סיבובית היא אחד הנושאים המסובכים ביותר לתלמידי פיזיקה בתיכון. הסבר מצוין שמיועד לילדים מופיע בגיליון דצמבר 2009 של גליליאו צעיר במדור של בת-שבע וגון, אך התשובה המלאה די מורכבת. נדמה לי שעושים ניתוח מלא של תנועת סביבון בקורס מכניקה לתלמידי פיזיקה לתואר ראשון. אנסה בפוסט הזה לעשות משהו באמצע.

כשמסובבים סביבון אנו מעניקים לו תנע זוויתי. בדומה לתנע קווי, ניתן להתייחס לתנע זוויתי ככמות תנועה, אלא שכאן זו תנועה סיבובית, כלומר תנועה סביב ציר. במערכת סגורה, מבודדת בכל הנוגע לכניסה ויציאה של אנרגיה, התנע הזוויתי נשמר, ולכן בהיעדר הפסדי אנרגיה כתוצאה מחיכוך - הסביבון יסתובב לנצח. גודלו של התנע הזוויתי שווה למהירות הזוויתית (מהירות הסיבוב) מוכפלת במומנט ההתמד. מומנט ההתמד מאפיין את העצם והוא תלוי במסה שלו ובצורתו. למשל, ככל שהמסה של הסביבון מפוזרת יותר, כלומר הסביבון רחב יותר, כך מומנט ההתמד שלו גדול יותר, גם אם מסתו לא משתנה. האנרגיה הקינטית הסיבובית של הסביבון פרופורציונית למומנט ההתמד, ואם ניקח בחשבון שסביבון אמיתי מאבד אנרגיה עקב חיכוך, נגיע למסקנה שסביבון רחב צפוי להסתובב זמן רב יותר מסביבון צר.

לפני שאני ממשיך, סרטון נחמד של סביבון על סביבון שמצאתי ביוטיוב:



מה קורה מרגע שמשחררים את הסביבון מהיד?
בהתחלה, הוא מסתובב בתנועה מורכבת, שתלויה בצורה שבה שחררנו אותו, ואם המהירות הסיבובית גדולה דיה, הסביבון מתייצב תוך זמן קצר במצב כמעט אנכי. עם הזמן, המהירות הזו יורדת עקב הפסדי אנרגיה כתוצאה מחיכוך החלקה. ככל שהחוד של הסביבון דק יותר כך קטנים ההפסדים הללו, ולכן יש יתרון לסביבונים בעלי קצה חד. כשהמהירות יורדת, המצב היציב משתנה והסביבון מתחיל ליפול בגלל כוח הכובד. ניתן להתייחס לכוח הכובד כאילו הוא פועל על נקודה אחת - מרכז המסה של הסביבון. למעשה, בתנועה סיבובית אין חשיבות לכוחות, אלא למומנטים, וכאן נוצר מומנט כוח על נקודת הציר, כלומר על נקודת המגע עם המשטח. המומנט הזה יפיל סביבון שעומד במצב אנכי, בלי להסתובב, אבל ההשפעה שלו על סביבון מסתובב שונה - הוא גורם לשינוי של ציר הסיבוב. לתופעה הזו קוראים נקיפה או פרצסיה.

נקיפה היא מושג מסובך, ולדעתי קל יותר לחשוב עליו באנלוגיה לתנועה סיבובית רגילה. ניקח למשל לוויין שמקיף את כדור הארץ. אם הלוויין היה עומד במקומו, הוא היה נופל מטה עקב פעולת כוח הכובד של כדור הארץ. בעצם, המהירות ההתחלתית מאפשרת לו להישאר במסלול - כוח הכובד מושך את הלוויין לעבר כדור הארץ וכך משנה את כיוון תנועתו. השינוי הזה מתבטא כתנועה מעגלית במסלול. בצורה דומה, מומנט כוח הפועל על סביבון משנה את כיוון ציר הסיבוב וגורם לסביבון לבצע תנועת נקיפה שמורכבת מסיבוב סביב עצמו והקפה של הניצב היוצא מנקודת המגע שלו עם המשטח.

הדגמה יפה של נקיפה בעזרת גלגל אופניים, שמשמש כאן כגירוסקופ, ניתן לראות בסרטון הבא. כוח הכובד, שפועל על מרכז הגלגל, מפעיל מומנט על נקודת החיבור של הגלגל לחבל. המומנט גורם לשינוי מתמיד של ציר הסיבוב, כלומר עקב הסיבוב העצמי של הגלגל הוא לא נופל, אלא מבצע נקיפה:




על גירוסקופ, יו-יו וגם על כוח קוריוליס אני מבטיח להרחיב בפוסטים אחרים.

לקריאה נוספת:
The Motion of a Spinning Top באתר 4Physics
Precession of Spinning Top באתר HyperPhysics

5 תגובות:

אריאל אמר/ה...

שלום אריה, מאמר מעניין בזמן המתאים.

אני חייב להבין שלא לגמרי הבנתי את עניין הנקיפה. כמו-כן אני חושב שהמושג "מומנט" חייב הסבר נוסף. מי שלא מכיר אותו לא יכול להבין את המאמר.

רציתי להפנות אותך לבלוג פיזיקה די חדש שדן בעניין:
http://scienceblogs.com/dotphysics/2009/12/angular_momentum_example.php

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

שלום אריאל, תודה על התגובה ועל הקישור.

אני מסכים איתך. די קשה להסביר את מושג הנקיפה. לדעתי הסרטון נותן המחשה יפה, ואם רוצים להבין לעומק חייבים להשתמש בווקטורים. זה מה שעושים ב- dotphysics ובקישור שנתתי ל-hyperphysics.

לגבי מומנט, אנסה להרחיב בפוסט נפרד.

יגאל אמר/ה...

אריה - תודה על הרשומה.
הזכיר לי את מה שלא הבנתי בבית ספר... גם בבגרות קיבלתי שאלה על זה...

אני ממליץ פשוט להסתכל על סביבון ולעקוב אחרי השלבים שאתה מתאר.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

אני מסכים בהחלט - למעשה התבוננתי כמה שעות בסביבונים לפני שכתבתי כאן...
אגב, החלק הראשון של הסיבוב, בו הסביבון מבצע מין נקיפה שבה הוא נמצא בהטייה ונקודת המגע שלו עם המשטח מבצעת מסלול מעגלי פחות או יותר, הוא הקשה ביותר לניתוח. זהו שלב הביניים, עד שהסביבון מתייצב במצב מאוזן תוך כדי סיבוב במהירות גבוהה יחסית.

gal robina אמר/ה...

תודה על הסרטון וההסבר. הילדים שלי משגעים אותי תמיד עם שאלות כאלה ואף פעם איני יודעת מה לענות להם.