כך תהפכו בקבוק משקה תוסס למזרקה

רבות נכתב, צולם, תועד וסופר אודות ניסוי המזרקה המפורסם ממשקה תוסס וסוכריות מנטוס, אך במעבדתו של ד"ר תומר שגן המדען, החליטו אופל וגיא לבחון האם סוג המשקה התוסס משפיע על גובה המזרקה ואפילו שיפרו לצורך כך את מנגנון שחרור הגזים כדי להרקיע לגבהים.

(רועי גזית ואלעד רובינשטיין)

עוד ניסויים במדען הצעיר:

• משחקים עם האובלק - נוזל או מוצק?
• כדורי קרח צבעוניים
• בקבוק סערה בים
• רחפות בלונים
• קסמן של בועות הסבון 
• כך מקלפים ביצה טריה

ציוד וחומרים:

• 5 סוכריות מנטוס (אין חשיבות לטעם).
• חצי אורך מנקה מקטרות.
• בקבוק ופקק של בקבוק משקה תוסס דיאט.
• מקדחה עם מקדח מתאים.
• משטח ישר ויציב מחוץ לבית.

אופן ההכנה:

1. קודחים חור במרכז של כל סוכריית מנטוס, מקפלים מעט קצה אחד של מנקה מקטרות.

2. משחילים את מנקה המקטרות בחמש סוכריות המנטוס.

3. קודחים חור במרכז הפקק ומשחילים את מנקה המקטרות בפקק מכיוון הצד הפנימי שלו.

4. מניחים בקבוק משקה תוסס דיאט בעדינות על משטח ישר ויציב מחוץ לבית, פותחים את הבקבוק בעדינות ומסירים ממנו את הפקק.

5. מבריגים את פקק המנגנון תוך כדי אחיזת מנקה המקטרות מחוץ לבקבוק כך שהסוכריות בתוך הבקבוק ממש מעל המשקה התוסס.

6. מתכוננים לברוח ומרפים את האחיזה במנקה המקטרות. מתרחקים מיד מספר צעדים מהבקבוק ונהנים מהמראה המדהים.

והמשחק מתחיל:

מיד ברגע שמרפים את האחיזה במנקה המקטרות נופלות הסוכריות אל תחתית הבקבוק ומתפרצת מהחור שבפקק מזרקה תוססת דקה ומדהימה ביותר לגובה של אפילו 7-10 מטרים!

ברגע שהמזרקה מנמיכה גובה, ניתן להבחין שחלק ניכר מהמשקה כבר אינו בבקבוק. מומלץ לטעום מהמשקה שנשאר. טעמו מעניין בשל הסוכריות שבתוכו והוא מכיל מעט מאוד גזים.

אז מה בעצם קורה פה?

תופעת היווצרות המזרקה תלויה במספר גורמים שונים שמשפיעים על מיקום, כמות, גודל וקצב יצירת בועות הגז פחמן דו-חמצני במשקה התוסס.

יש שיסתפקו בחוויה בלבד ויש שימצאו במזרקות כר פורה לתהליכי גילוי וחקר מרתקים. ההסבר המפורט הבא נועד לכל מי שסקרנותו מרקיעה לשחקים יחד עם המזרקות.

כאשר מייצרים בקבוק משקה תוסס, דוחסים בו גז בלחץ עצום. הלחץ הרב בו השתמשו הביא לכך שמומס במשקה גז רב. אנו לא רואים את הגז שדחסו בו היות והוא נמצא במצבו המומס. כל עוד הבקבוק סגור הרי שקיים שוויון לחצים בין הגז המומס בנוזל לשאר הבועיות או חלל האוויר שבבקבוק. עם פתיחת הבקבוק מופר איזון הלחצים – הלחץ יורד (חוק בויל) - והגז בתוך הנוזל הופך לבועות. הגז עובר מהנוזל לבועה בתהליך דיפוזיה.

אך תהליך זה הוא איטי מאוד בשל התכונות הפיסיקליות של המים. בין מולקולות המים שבמשקה פועלים כוחות משיכה. כוחות אלה גורמים למולקולות מים להיצמד ביניהן, כך שנוצרת מעיין רשת מולקולות בגוף המים. רשת זו מעכבת את תהליך שחרור הגז המומס בבועות גז ולכן ניתן להבחין בגז בבקבוק משקה תוסס גם לאחר זמן רב, אפילו אם הבקבוק היה פתוח ללא פקק.

אנו מצמידים את פקק מנגנון שחרור הגזים שהכנו מיד עם הפתיחה, כדי להשתמש בכל הגזים שנמצאים עדיין לכודים במשקה כגז מומס. כדי שבועה של גז תתחיל בכלל להיווצר, צריך תחילה להיווצר גרעין של בועה בתהליך "התגרענות". תהליך זה יכול להתחיל על גבי משטח לא חלק של חומר, כגון שריטה במשטח הבקבוק אך לא בנוזל עצמו. למעשה, כל מה שנכניס למשקה ושיפריע למבנה רשת המים המאורגנת יהווה אתר בו יוכלו להיווצר בועות גז.

שטח הפנים של סוכריית מנטוס הוא מחוספס היות והוא מלא בשקערוריות מיקרוסקופיות - בדיוק מה שמתאים כאתר ליצירת גרעיני בועות. הכניסו אצבע, שהינה מחוספסת לכל הדעות, לכוס משקה תוסס וראו כמה בועות נוצרות מיד סביב האצבע. גם סוכר, חול, סבון כלים ומלח, יכולים לאפשר התגרענות אך פחות מהחומרים שיפורטו בהמשך בהקשר למנטוס ומשקה תוסס.

מתוך אזורי ההתגרענות האלה עולות בועות מעלה אל שטח הפנים של הנוזל ושם הן נמצאות במקבץ שנקרא קצף. ככל שהדרך של הבועה מאזור ההתגרענות אל שטח פני הנוזל היא ארוכה יותר כך מספיק יותר גז להתווסף אליה בדיפוזיה וכך היא תהיה גדולה יותר. לכן, בועה שהתחילה להיווצר בתחתית כוס או בקבוק תהיה גדולה הרבה יותר מבועה שהתחילה להיווצר קרוב לפני הנוזל.

סוכריית מנטוס, ובטח חמש סוכריות המחוברות יחדיו באמצעות מנקה מקטרות, מהוות משקולת נהדרת. המשקל הסגולי של המנטוס הוא גבוה והן שוקעות במהירות רבה לתחתית הבקבוק, מה שגורם לבועות הנוצרות על הסוכריות שבתחתית לעבור דרך ארוכה עד מחוץ לנוזל ולגדול כהלכה. כאשר השתמשו במחקר מדעי בסוכריות מנטוס טחונות הן לא שקעו מהר ונוצרו מזרקות שהגיעו רק לגובה של כ-30 סנטימטרים. היווצרות הבועות בתחתית הבקבוק מאפשרת יעילות גבוהה בדחיקת חלק ניכר מגוף הנוזל אל מחוץ לבקבוק.

בסוכריות המנטוס נמצא חומר הנקרא "גומי ערבי" או "גאם ערביק". חומר זה הוא שרף המופק מעץ הנקרא שיטת סנגל הגדל באפריקה. החומר דביק וצמיג אך מסיס מאוד במים ולכן מתאים ביותר בהכנת סוכריות כגורם מקשה. בסוכריית המנטוס נמצא חומר זה בשכבה החיצונית. נמצא שהחומר גומי ערבי הינו מרכיב מרכזי בתופעת היווצרות המזרקה היות והוא מחליש את הקשר בין חלקיקי המים ומאפשר לתהליך היווצרות ויציאת הבועות להתרחש מהר יותר – ממש באופן מיידי. ייתכן וגם לג'לטין הנמצא בסוכריות תפקיד דומה, אך דבר זה טרם הוכח באופן מדעי.

לחומר הממתיק אספרטם (aspartame) שבמשקאות התוססים השפעה דומה, וחזקה בהרבה מזו של הסוכר, ולכן משקאות דיאט הינם מתאימים יותר ליצירת מזרקות גבוהות ביחס לאלו שמומתקים בסוכר.

לטמפרטורה תרומה משלה. על פי 'חוק הנרי' הרי ש"הכמות המומסת של גז בנוזל הינה יחסית למסיסותו הסגולית של הגז בנוזל וללחץ החלקי שלו בפזה הגזית שבמגע ובשיווי משקל עם הנוזל". לכן, מסיסות הגז במשקה חמים יותר, היא נמוכה יותר והוא הופך לגז בלתי-מסיס שמשתחרר בקלות במזרקה שנכין.

עוד כמה דברים:

• החורים בסוכריות המנטוס ובפקק צריכים לאפשר למנקה המקטרות מעבר חלק.

•  חשוב מאוד שבקבוק המשקה התוסס לא ינוער לפני הפעילות כדי שהקשרים בין חלקיקי המים לא יחלשו ויאפשרו לגז לברוח כבר ברגע פתיחת הבקבוק ולפני הפעלת המנגנון שהכנו.

• לא מומלץ לטעום מהסוכריות שבבקבוק היות והן עלולות להכיל חלקים בלתי-אכילים של מנקה המקטרות.

ד"ר תומר שגן - ד"ר שגן-דע (PhD בהנדסה גנטית וביוכימיה ופוסט-דוקטורט באפידמיולוגיה), מכשיר אנשי חינוך וילדים בתחום המדעים החווייתיים במכללות, מרכזי מחוננים, מרכזי מורים, מרכזי מדעים, האוניברסיטה פתוחה, מתנ"סים, בתי ספר וגני ילדים.