קסם הוויסקי והמים

בהמשך לרשימת הסרטונים המזויפים האהובים עלי, הנה עוד משהו נחמד. בסרטון הבא מוזגים וויסקי לכוסית אחת ומים לכוסית השנייה וגורמים לנוזלים להחליף מקום. הרעיון הוא שהמים צפופים יותר מוויסקי, שהוא בעיקרו תערובת של אלכוהול (אתנול) ומים, ובהתאם לעקרון הציפה של ארכימדס המים יורדים מטה לכוס התחתונה ואילו הוויסקי עולה לכוס העליונה.

במבט ראשון הסרטון נראה לי מזויף משום שאתנול ומים מסוגלים להתערבב, ולא נראה הגיוני שהם יחליפו מקום בצורה כזו מושלמת. חשבתי שאולי מדובר בנוזלים אחרים. ניסיתי לשחזר את הניסוי עם מים ושמן, אבל זה לא עבד כל כך טוב. מתח הפנים הגבוה של המים מנע מהם לרדת דרך החריץ הצר בין הכוס למחיצה. הוספתי למים קצת אתנול במטרה להקטין את מתח הפנים ואכן הצלחתי לגרום לנוזלים להחליף מקום. אבל עדיין משהו הפריע לי, כי הזרימה של השמן לא הייתה כל כך חלקה כמו בסרטון.

אחרי כמה שעות של ניסיונות החלטתי לבדוק את מה שהייתי צריך לעשות מראש - לנסות לשחזר את הניסוי עם מים ועם וויסקי. הניסוי היה נהדר. ראשית, הזרם העדין של המים בוויסקי וזרם הוויסקי במים היו יפהפיים. ושנית, התוצאות הסופיות הפתיעו אותי - מידת הערבוב בין המים לוויסקי הייתה קטנה ממה שצפיתי, וכשטעמתי את המים אחרי הניסוי היה להם טעם חלש מאוד של ויסקי והצבע שלהם נשאר שקוף.

הגעתי למסקנה שהחריץ הצר גורם להיווצרותם של זרמי מים וויסקי די קבועים ומונע ערבוב מהיר בין המים לוויסקי. אחרי 10 דקות הניסוי כמעט הושלם כשרוב המים אכן ירדו לכוס התחתונה ורוב הוויסקי עלה מעלה. אבל רק כמעט - בחלק העליון של הכוס התחתונה נשאר וויסקי מעורבב עם מים ובחלק התחתון של הכוס העליונה נשארו מים מעורבבים עם וויסקי. ההפרדה לא הייתה מושלמת כמו בסרטון. חזרתי למחשב.

צפייה מדוקדקת יותר בסרטון מגלה את הטריק. הם אכן השתמשו במים ובוויסקי והגיעו למצב שאותו תיארתי, ואז עברו לזווית צילום אחרת שבה לא רואים את הוויסקי שנשאר בכוס התחתונה ואת המים שנשארו בכוס העליונה. השוט האחרון של הסרטון אינו המשך ישיר של הניסוי. למענו מזגו מחדש מים לכוסית הירוקה וויסקי לכוסית השקופה. 

לסרטון התפרסמו עד היום 18,293 תגובות. ברפרוף מהיר לא מצאתי תגובה שמתארת את מה שגיליתי, אז פרסמתי את ההשערה שלי כתגובה מספר 18,294...

לסיום, שלוש תמונות מהניסוי שלי. הראשונה מראה את שתי הכוסיות כמה שניות אחרי תחילת הניסוי כשרוב המים עדיין בכוסית העליונה, בתמונה השנייה כחצי מהמים החליפו מקום עם הוויסקי והשלישית צולמה לאחר הניסוי. בתמונה השלישית רואים שרוב המים ירדו לכוסית התחתונה (השמאלית בתמונה) ורוב הוויסקי עלה לכוסית העליונה, ובכל זאת מעט וויסקי נותר בכוסית התחתונה בניגוד למה שמראים יוצרי הסרטון.

הסרטונים המזויפים האהובים עלי

הסרטון הראשון קשור להליום. קבוצה של נערים צרפתים שואפים הליום, מנפחים בעזרתו מסטיק וממריאים לאוויר.



הם עושים את זה ממש בסטייל, אבל חישוב פשוט מראה שהסרטון מזויף.

הבסיס ליכולת הציפה של בלוני הליום נובע מכך שאוויר מורכב בעיקר מחנקן ומחמצן והליום פחות צפוף ממנו. לפי עקרון הציפה של ארכימדס בלון מלא בהליום יצוף באוויר כל עוד המשקל שמחובר אליו אינו גדול מדי. מבחינה זו אין הבדל בין ציפה בסביבה גזית ובין ציפה בסביבה נוזלית. מה שקובע זה רק הצפיפות של העצם יחסית לצפיפות התווך שבו הוא נמצא.

עקרון ארכימדס אומר שכוח הציפה הפועל על הבלון כלפי מעלה שווה לתאוצת הכובד כפול נפח הבלון כפול צפיפות התווך, שהוא האוויר במקרה זה. כלפי מטה פועל משקל ההליום והוא שווה לתאוצת הכובד כפול נפח הבלון כפול צפיפות ההליום. צפיפות ההליום היא כ-0.2 גרם לליטר, וצפיפות האוויר עומדת על כ-1.2 גרם לליטר. לכן, ליטר של הליום יכול להרים בערך גרם אחד נוסף על משקלו העצמי. על מנת להרים אדם במשקל 60 ק"ג צריך להשתמש ב-60,000 ליטר של הליום.

אז איך הם עשו את זה? הנה הפתרון:



ובאותו עניין, מילת אזהרה: שאיפת הליום לא פוגעת בבריאות ולא פוגעת במיתרי הקול, אבל עלולה לגרום לחנק אם לא מגיע חמצן לריאות לאורך זמן. לכן, מי שרוצה ליצור קולות מצחיקים, מספיק שייקח שאיפה קטנה מבלון גומי מלא בהליום. מומלץ מאוד להמתין כמה דקות בין שאיפה לשאיפה, ולעולם לא לשאוף הליום ישירות מבלון המתכת שבו ההליום נמצא בלחץ גבוה (אלא אם כן מחובר לבלון וסת שמוריד את הלחץ של הגז). בסרטון נראה שהם שואפים הליום ישירות מבלון מתכת ללא וסת. לדעתי הם עושים את זה בכאילו, כלומר לא שואפים הליום בכלל.

הסרטון השני מראה איך אפשר להכין פופקורן בעזרת טלפונים ניידים.



זו אחת המתיחות הקשורות לטלפונים ניידים. טלפון נייד אכן עובד בתחום התדרים של קרינת המיקרוגל, אבל יחסית לתנור מיקרוגל ההספק שלו נמוך מאוד. הבדל נוסף בעוצמת הקרינה המגיעה לגרעיני התירס נובע מכך שתנור המיקרוגל בנוי כתא תהודה שמגביר את עוצמת הקרינה.
בסרטון הזה הם השתמשו בעריכה דיגיטלית - ברגע שבו כביכול התפוצץ גרעין תירס, הם מחקו אותו מהתמונה והקרינו אחורה סדרת פריימים שבהם צולם פופקורן שנזרק אל השולחן.

הסרטון הבא נעשה גם כן לצרכי פרסום, הפעם בתחום משקפי השמש.



זיקית כידוע מחליפה צבעים, אבל לא בצורה כל כך מהירה והיא בכלל לא תחליף צבע בתגובה לחפץ קטן. אני יכול לומר בביטחון שהצבעים הוספו בעזרת תוכנה.

ולסיום עוד מתיחה אחת, מרשימה במיוחד.



רוב הסרטונים מהסוג הזה משתמשים בזוויות צילום מסוימות שמהן האשליה האופטית נראית אמיתית, ובכל זאת המים בסרטון משלימים מעגל, כלומר יש כאן עוד מרכיב, אולי משאבת מים. היוצר מבטיח לגלות בקרוב. שווה לחכות.

מקרר פתוח ואוורור הבית

שוב תפסתי את עצמי מעיר לילדים על משהו שאני לא בטוח בו. "תסגור מיד את דלת המקרר, לפני שהוא מתקלקל", אמרתי לו. מזל שהפעם הוא לא שאל "למה?", וכך היה לי זמן לחפש תשובה.

ראשית, כמה מילים על המושג המרכזי בפוסט הזה: זרימת חום. בלשון הדיבור המילה חום מתייחסת לטמפרטורה, אבל במדע יש הבדל בין השניים. בפיזיקה חום קשור תמיד למעבר של אנרגיה מעצם אחד לעצם אחר, ולכן יש לומר זרימת חום כשמתייחסים לחום באופן מדעי. מעבר האנרגיה הקרוי זרימת חום נובע מהפרשי טמפרטורות בין שני עצמים או בין אזורים שונים בעצם אחד. זו טעות להתייחס לחום ככמות אנרגיה שאגורה בעצם. לאנרגיה זו יש שם אחר - אנרגיה פנימית. לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה השינוי באנרגיה הפנימית שווה לחום שזרם פנימה פחות העבודה שנעשתה על ידי העצם. זהו בעצם חוק שימור האנרגיה בניסוח תרמודינמי.

החוק השני של התרמודימיקה מתייחס לכיוון זרימת החום. לפי החוק הזה, החום זורם באופן ספונטני מעצם חם לעצם קר. המקרר, לעומת זאת, מצליח לגרום לחום לזרום מתוכו החוצה, כלומר הוא מעביר חום ממקום קר למקום חם יותר. הפעולה הזו מנוגדת לחוק השני, והיא לא יכולה להתרחש באופן ספונטני. זרימת החום מהמקרר החוצה מתרחשת בזכות השקעה חיצונית של אנרגיה - החשמל שהמקרר צורך.

מה קורה כשפותחים את דלת המקרר? חום זורם פנימה בשתי צורות: הולכה והסעה. ההולכה נובעת ממגע בין האוויר החם שבחוץ לאוויר הקר שבמקרר, וההסעה מתרחשת באמצעות זרימה של אוויר חם פנימה ואוויר קר החוצה. התוצאה היא התחממות החלל הפנימי של המקרר, וכעת המנוע שלו צריך לעבוד קשה יותר על מנת לקרר חזרה.

השאלה המרכזית היא כמה חום זורם פנימה כשפותחים את דלת המקרר ובכמה מעלות משתנה הטמפרטורה. התשובה נעוצה במושג קיבול חום. קיבול חום הוא כמות החום הזורמת חלקי השינוי בטמפרטורה. קיבול החום ליחידת נפח של האוויר, ושל גזים בכלל, נמוך מאוד בגלל הצפיפות הנמוכה שלהם. המשמעות היא שהאוויר במקרר מתחמם מהר מאוד, אף על פי שכמות החום שנכנסה פנימה היא קטנה. קיבול החום של מוצקים ושל נוזלים גדול בערך פי אלף - זהו היחס האופייני בין צפיפות האטומים של מוצק לצפיפות האטומים של גז. המשמעות היא שאותו חום שנכנס לתוך המקרר כמעט שלא מחמם את מוצרי המזון בתוך המקרר, את המדפים ואת קירות המקרר.

אם כך, פתיחת דלת המקרר, אפילו למשך חצי דקה או דקה, תחמם מעט מאוד את מוצרי המזון, ולאחר סגירת הדלת הם יקררו במהירות את האוויר במקרר מבלי שהמנוע יצטרך להתאמץ. ברור שפתיחת הדלת לפרק זמן ארוך, מספר דקות ומעלה, איננה מומלצת.

הצורך לאוורר את הבית בחורף מציב בעיה דומה. נניח שחיממנו את החדר ואנו לא רוצים שהוא יתקרר, אבל רוצים שייכנס אוויר נקי מבחוץ. פתיחה של החלון לפרק זמן של כחצי דקה תאפשר החלפת אוויר מהירה בתהליך של דיפוזיה (פעפוע), אבל לא תגרום לזרימה גדולה של חום מתוך החדר. העצמים המוצקים בחדר, שכוללים במקרה זה את הרהיטים, חלק מעובי הקירות ולמעשה גם אותנו, לא יתקררו כמעט במשך אותה דקה. לאחר סגירת החלון אותם עצמים מוצקים יחממו במהירות את האוויר כמעט לטמפרטורה שבה הוא היה לפני פתיחת החלון. השארת חריץ צר בחלון לכמה שעות פחות יעילה מבחינה זו, משום שכמות החום המצטברת שתזרום החוצה עלולה להיות גדולה, והחדר יתקרר.

המסקנה, אם כן, היא לא להתעצבן על הילדים המתלבטים שעומדים מול מקרר פתוח, ולא לצעוק על מי שרוצה לאוורר את החדר ביום חורף קר, ובכלל להיות רגועים...

לקריאה נוספת:
* Physics in daily life: heating problems, L.J.F. (Jo) Hermans
* כמה חם היה? פוסט לכבוד חורף מבולבל, בבלוג מסה קריטית של יואב לנדסמן
* חוק דולון-פטי (Dulong-Petit law) שבעזרתו ניתן להעריך את קיבול החום של חומרים שונים. לפי החוק הזה התרומה של אטום כלשהו לקיבול החום של החומר היא זהה, ללא תלות בזהות האטום. חקר הסטיות מהחוק הזה היוו צעד חשוב בהתפתחות הפיזיקה המודרנית.

מיתוס אחר שכתבתי עליו: האם מסוכן לשבת קרוב לטלוויזיה?

קרדיט לתמונה: צבא ארצות הברית

זיקוקים ומהירות הקול

נדמה לי שלא שמתי לב לזה עד ליום העצמאות האחרון: רואים את הזיקוק מתפוצץ לפני ששומעים את הפיצוץ. לטובת מי שלא מכיר את התופעה או שלא יודע את ההסבר אני מביא כאן פוסט קצר על שיטה פשוטה למדוד את מהירות הקול.

העניין באמת פשוט. מהירות האור היא גבוהה מאוד - 300 אלף ק"מ לשנייה, ואילו מהירות הקול הרבה יותר נמוכה. נניח שאנו מרוחקים כמה מאות מטרים מהזיקוק המתפוצץ באוויר. הזמן שייקח לאור להגיע אלינו אפסי, ואילו הקול, האטי יותר, מגיע אלינו אחרי שניות ספורות. באמצעות הקשר הפשוט בין מרחק, זמן ומהירות (מרחק שווה לזמן כפול מהירות) ניתן להסיק שהמרחק ממקום הפיצוץ שווה בערך לזמן שעובר מהרגע שרואים את הפיצוץ עד לרגע ששומעים אותו כפול מהירות הקול.

השנה ראיתי מופע זיקוקים נחמד מאוד, ממש מהבית. אני גר בליבנה, יישוב קטן ומקסים, והבית שלי מרוחק בערך 300 מטר ממרכז היישוב. הילדים נרדמו בשעה מוקדמת, אז יצא שאני וג'ודי ראינו את המופע מהגינה. המדידות שלי עם שעון עצר הראו הפרש של שנייה בערך בין רגע הפיצוץ הנראה בעין לבין הבום הנשמע. המסקנה הייתה שמהירות הקול היא בסדר גודל של 300 מטר לשנייה, לא רחוק מהערך המדויק שעומד על כ-340 מטר לשנייה (תלוי בטמפרטורה).

חישוב דומה ניתן ליישם בסופת ברקים: אנו רואים את הברק לפני הרעם, ובהנחה שהברק מגיע לעיניים שלנו תוך זמן אפסי, ניתן לחשב את המרחק אל הברק כמכפלת מהירות הקול בזמן שעובר מהרגע שמופיע הברק עד לרגע שנשמע הרעם. בכל סופת ברקים אני עושה את המדידות האלו, והשיא שלי הוא הפרש של כחצי שנייה בין הברק לרעם, כלומר הייתי מרוחק פחות ממאתיים מטר ממקום פגיעת הברק, שאותו אכן ראיתי פוגע בקרקע בערך במרחק כזה ממני.

התאבכות בונה בבריכה

איך ניתן ליצור גל גדול בבריכה קטנה?
פשוט מאוד! כל מה שצריך זה קרש שחייה וחוש קצב טוב.



אני מראה את הסרטון הזה בפעילות על גלים שפיתחתי בשנים האחרונות. זו הדגמה נהדרת של התאבכות בונה. הבחור נותן מכה למים, כלומר יוצר גל חדש, בכל פעם שהגל הקיים חוזר משולי הבריכה למרכז. הוא מתחיל את המכה כשהגל במרכז נמצא בשיא הגובה ומשקיע כוח כלפי מטה עד שהגל מגיע לשפל. הגל החדש שהוא יוצר מצטרף לגל הקיים, והיות שהם באותה פאזה, כלומר השיא שלהם והשפל שלהם מופיעים באותו זמן ובאותו מיקום, הם מתחברים זה לזה. לתופעה הזו קוראים התאבכות בונה.

אם לא היה לא חוש קצב טוב והוא היה מתחיל את הדחיפה בזמן לא נכון, לא הייתה נוצרת התאבכות בונה. במקרה הגרוע ביותר, אם הוא היה מתחיל לדחוף מטה כשהגל מגיע לשפל במרכז, הגל שלו היה מתחסר מהגל הקיים. לזה קוראים התאבכות הורסת.

ניתן לקשר את הסרטון גם למושג של גלים עומדים ולמושג התהודה. הגלים נעים מהמרכז לשולי הבריכה וחזרה, אך הואיל והבחור יוצר אותם בקצב הנכון, הגלים מתחברים זה לזה באופן שנראה כאילו הם עומדים במקום. אלו הם גלים עומדים. אורך הגל שלהם ששווה לקוטר הבריכה הוא אורך הגל המתאים ליצירת גל עומד. בבריכה שהשוליים שלה גמישים יתקבל גל עומד שעולה ויורד במרכז ובשוליים, ואילו לאורך מעגל שרדיוסו שווה למחצית מרדיוס הבריכה מתקבל קו של נקודות צומת שלאורכו פני המים לא משנים את גובהם. ניתן לומר שלאורך המעגל הזה מתקיימת התאבכות הורסת בין הגל שמגיע מהמרכז ובין הגל שחוזר מהשוליים, ואילו במרכז ובשוליים מתקיימת התאבכות בונה.

בדומה למה שמתרחש בסרטון שבירת הכוס, שגם אותו אני מראה בפעילות, מתקיימת כאן תהודה. הבחור משקיע מעט כוח בקצב הנכון (בתדר המתאים) והגל גדל בעוצמתו עם הזמן.

כיום אני מעביר את הפעילות כתוכנית העשרה בת יום אחד שמטרתה להראות לתלמידי תיכון כיצד גלים שונים - גלי קול, גלי ים, גלים אלקטרומגנטיים ואפילו גלים סייסמיים (גלי רעידת אדמה) - מופיעים בחיי היומיום וכיצד אנו יכולים להשתמש בהם. לקח לי המון זמן לפתח את הפעילות, ורבים עזרו לי במשימה זו. כל אחד מהמדריכים שעבדתי איתם הוסיף מהידע שלו ומניסיונו, המורים שלחו לי פידבק, והתלמידים לימדו אותי בעזרת השאלות וההערות שלהם. אבל הפידבק הכי חזק הוא התגובה של התלמידים במהלך השיעור. אם יש משהו משעמם או מיותר - פשוט רואים עליהם. לא ויתרתי על הקטעים העיוניים, אבל צמצמתי את החלק הזה, ושילבתי אותו יחד חלקים מלהיבים יותר. המטרה שלי היא שהתלמידים ייצאו מהפעילות עם הבנה עיונית בסיסית במקביל להיכרות בלתי אמצעית ואינטואיטיבית עם עולם הגלים. אני מנסה להשיג היכרות כזו בעזרת סיפורים, סרטונים והדגמות. פעילות בודדת לא יכולה להביא להבנה מעמיקה, אבל היא יכולה לעורר את הסקרנות.

לקריאה נוספת: המשימה: לעניין את התלמיד (בבלוג הזה)

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

האם ניתן לשבור כוס באמצעות שירה?

לכל כלי יש צליל מיוחד שאותו שומעים כשמקישים עליו. הצליל הזה נקרא התדירות הטבעית של הכלי (natural frequency). הוא נקבע על ידי מבנה הכלי ועל ידי הרכב החומרים שלו. התדר הזה (תדר הוא בעצם גובה הצליל) נקרא גם תדר התהודה (resonance) ויש לו תכונה מיוחדת - אם משמיעים אותו בעצמה נמוכה יחסית בקרבת הכלי, הכלי מתחיל להתנדנד בעצמה חזקה.

גלי קול שמתפשטים באוויר הם בעצם תנודות של האוויר. מקור גלי הקול גורם לאוויר לנוע במהירות קדימה ואחורה למרחק קטן מאוד, וכך נוצרים שינויים מהירים בלחץ האוויר. אותם שינויים בלחץ האוויר שפוגעים בכלי מרעידים אותו. תדרים מסוימים, תדר התהודה והכפולות שלו, גורמים להיווצרות של גלים עומדים בכלי - אזורים מסוימים בכלי רועדים בעצמה גבוהה ואילו אזורים אחרים כלל לא זזים. אם מדובר בכוס זכוכית דקה, שירה בתדר התהודה יכולה בהחלט לגרום לתנודות חזקות מספיק כך שהכוס תישבר.

על מנת לזהות את תדר התהודה של הכוס, כל מה שצריך זה להקיש על הזכוכית ולשיר בצורה יציבה בתדר הנכון עד שהכוס נשברת. מי שאין לו שמיעה מוזיקלית ויכולת שירה, כלומר קול חזק ויכולת לזהות צליל ולשמור על תדר קבוע, יתקשה לעשות זאת. אגב, הקשית מסייעת לזמר לראות אם הוא שר בתדר הנכון - היא זזה וקופצת כשהתדר הוא תדר התהודה.

אני לא ממליץ לנסות בבית, אבל אם בכל זאת החלטתם ללכת על זה, אז כמה עצות:

1. קנו כוסות יין זולות, כאלו שאין בהן עופרת.
2. אם זה לא הולך, חתך קטן בכוס עם סכין חדה מאוד יכול לעזור לשבר להתפתח.
3. תיבת תהודה (קופסה חלולה מעץ בסגנון תיבת התהודה של גיטרה) מאחורי הכוס יכולה להגביר תדרים מסוימים.
   
4. הרכיבו משקפיים או עמדו מאחורי מחסה - זה יכול להיות די מסוכן.
5. יותר בטוח לעשות את הניסוי עם מחולל תדרים.
   

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.