נוזלים הם לפעמים

מה הקשר בין טיסה לחלל לבין מכונת הכביסה בביתכם? כיצד נוצרות מערבולות בים? אילו כוחות פועלים על הבועות הנוצרות בנוזלים ומדוע הגודל כן קובע? ואיך הצוללות מסוגלות לרדת למעמקים עצומים? מישל דור יצא למכון ויצמן כדי ללמוד על התנהגות הנוזלים

גם לנוזלים, כמו כל דבר בטבע יש דפוסי התנהגות: מהצורה בהם הם "יורדים" בכיור, ועד לסחיטה במכונת הכביסה. יצאנו ל"גן המדע" השוכן במכון ויצמן למדע, ללמוד מקרוב את התנהגות הנוזלים. 

 

 

מערבולת

התנועה הסיבובית של המדחף, בחלקו התחתון של המכל, מניעה את המים הצמודים למדחף בתנועה סיבובית. כתוצאה מהתאחיזה (הקשר בין מולקולות המים), התנועה מועברת כלפי מעלה, דרך המים. כשהתנועה מגיעה אל פני המים – נוצר משפך. כאשר השכבה העליונה של המים (פני המים) מסתובבת, נדחקים המים כלפי דפנות המכל. כך נוצר חלל אוויר מתחת לכדור – ולכן הכדור שעד אז צף על-פני המים – שוקע.

 

צנטריפוגה

המכל, והמים שבתוכו, נעים בתנועה סיבובית, כך שהמים נדחקים אל דפנות המכל. בתנועה סיבובית, כיוון התנועה משתנה ללא הרף, וכתוצאה משינוי הכיוון המהיר פועל הכוח הצנטריפוגלי, הדוחף את המים כלפי חוץ. תחושה דומה נוצרת כאשר יושבים על קרוסלה מסתובבת. אם נתרחק ממרכז הסיבוב פי 2, נרגיש כוח צנטריפוגלי גדול פי ארבע. המים במכל יוצרים צורה קעורה - פרבולה.

 

צנטריפוגות משמשות במדע ובתעשייה בכדי להפריד חומרים. כששמים תערובת של חומרים בצנטריפוגה ומפעילים אותה, החלקיקים הכבדים יותר נדחקים החוצה ונפרדים מהחלקיקים הקלים. גם אסטרונאוטים וטייסים משתמשים בצנטריפוגה, היוצרת בעבורם תנאים הדומים לתנאי טיסה שבהם מופעל על הטייסים כוח g חזק. כך הם יכולים להתאמן, על הקרקע, לקראת התנאים שאתם יהיה עליהם להתמודד בעת טיסה.

 

והנה עוד שימוש לצנטריפוגה: מכונת כביסה, בשלב הסחיטה, מפרידה את המים מהבגדים שבתוכה.

 

בועות קטנות וגדולות

כשאוויר נמצא בתוך נוזל, נוצרת בועה. במקרה שלנו, הנוזל הוא שמן מכונות צמיג מאוד. אפשר לראות כי בועה גדולה עולה מהר יותר מבועה קטנה. תופעה זו נובעת מהעובדה שבתהליך התנועה של הבועה כלפי מעלה פועלים עליה שני כוחות: כוח העילוי, הנגרם עקב ציפת האוויר ה"קל" בנוזל ה"כבד", ודוחף את הבועה כלפי מעלה; וכוח הגרר, שמקורו בצמיגות הנוזל, והבולם את תנועתה.

 

כוח העילוי (כוח הציפה) תלוי בנפח הבועה, אשר תלוי ברדיוס הבועה בחזקה השלישית, ואילו כוח הגרר תלוי בשטח הפנים של הבועה אשר נקבע על-ידי הרדיוס בחזקה השנייה. לפיכך, כשהבועה גדלה, נפחה גדל בשיעור רב יותר משטח פניה, ולכן כוח העילוי משפיע יותר, דבר שגורם לכך שהבועה עולה מהר יותר. תופעה דומה מתרחשת גם כשיורד גשם: טיפות גדולות נופלות מהר ואילו טיפות ערפל קטנטנות נשארות מרחפות ואינן נופלות.

 

צוללן קרטזי

המתקן ממחיש את עקרונות הציפה של צוללות ודגים. במכל המלא מים נמצאת מבחנה הפתוחה בתחתיתה. דרך פתח זה יכולים מים להיכנס ולצאת. כאשר מכניסים עוד מים למכל (באמצעות סיבוב הגלגל) גדל הלחץ, והמים מתפשטים בכל כיוון אפשרי. לכן נכנסים מים דרך הפתח אל תוך המבחנה.

 

כאשר יש יותר מים במבחנה, צפיפותה, יחסית למים מסביב, עולה - ולכן היא שוקעת.כששואבים מים מהמכל הגדול, הלחץ קטן והמים נשאבים מתוך המבחנה החוצה. כך, צפיפותה (יחסית למים מסביב) יורדת - ולכן היא צפה.צוללות משתמשות באותו עיקרון – הן צפות ושוקעות באמצעות מילוי ושאיבה של מים ממכלי ציפה גדולים. מתקן זה קרוי על-שמו של הפילוסוף והמתמטיקאי רנה דקארט (1596 - 1650).

 

תודה לאנשי גן המדע שבמכון ויצמן על עזרתם הרבה בהכנת הכתבה.