בלוג לנושאי מדע scienceblog.galbarak.co.il

נכתב במקור כתשובה לשאלה בפורום מדע, טכנולוגיה וטבע בפרש.

מתקן שתיה לציפורים בנוי ממיכל שקוף (שבתוכו נמצאים רוב המים) אשר חלקו התחתון פתוח… אך בכל זאת לא מטפטף. אז איך זה עובד?

קודם כל, כדי שכולם יוכלו לראות ולהבין על מה אנחנו מדברים, הבאתי את התמונה הזו:



(שמקורה באתר http://www.zebrafinch.com)

ובה ניתן לראות את ההתקן. החלק הפתוח נמצא באיזור של הפיה.

אני אתחיל ואגיד, שלחץ האויר על פני כדור הארץ, הוא בערך אטמוספירה אחת. ביחידות קצת יותר מובנות לנו, יחידת לחץ של 1 אטמוספירה היא ”1 קילוגרם לסנטימטר מרובע“… טוב, אני מקווה שאחרי ההסבר, אלו יהיו יחידות יותר מובנות לנו :)

האטמוספירה מעלינו מכילה חומר רב: גזים כמו חנקן וחמצן, ענני מים, אבק ועוד חומרים רבים אחרים. לחומרים אלו יש משקל לא מועט, במיוחד בהתחשב בכך שאנחנו נמצאים בתחתיתה של האטמוספירה, וכל החומרים האלו נמצאים מעלינו. למעשה, הם שוקלים כל כך הרבה, שעל כל סנטימטר מרובע על פני השטח, פועל כח שדומה לכח שמפעילה משקולת של 1 קילוגרם.

למשל, על שולחן הכתיבה שלי, שאורכו 53 ס“מ (סנטימטרים) ורוחבו 102 ס“מ (בסה“כ שטח של 53X102=5406 סנטימטרים מרובעים) מופעל מהאויר כח של 5406 קילוגרמים (5.4 טון!).
זה מעלה הרבה שאלות. למשל, איך זה שהשולחן שלי לא קורס?
התשובה לשאלה הזו, היא שהכח פועל מכל הכיוונים, ובאותה מידה שהוא פועל על שטחו של השולחן מלמעלה, הוא פועל גם מלמטה.
אוקיי, אז איך אנחנו לא מרגישים את זה? ובכן… אנחנו כן מרגישים את זה. אבל אנחנו כבר רגילים :) . הגוף שלנו בנוי בצורה שהוא יכל להתמודד עם הלחץ הזה, בלי ”להטריד“ אותנו. בלי שנשים לב אליו בכלל. אם היינו נמצאים בוואקום (=“אין אויר“=“אין לחץ אויר“) היינו מרגישים את זה טוב מאד (כי לזה אנחנו לא רגילים) והתוצאות של זה יכולות להיות מאד לא נעימות. תחשבו על זה: 1 קילוגרם על כל סנטימטר של עור, ופועל רק כלפי חוץ… במחשבה שניה, בואו לא נחשוב על זה D:

ועכשיו סופסוף אנחנו מגיעים למתקן הזה.
לאחר שממלאים בו מים, יש במיכל הזה גם מים וגם קצת אויר.


האויר שנמצא בתוך המתקן הזה, נמצא בלחץ זהה לאויר שבחוץ (למה שלא יהיה? זה אויר מבחוץ שלא עבר שום שינוי) ולכן, האויר לוחץ על המים בכח מסויים, שזהה לכח שמפעיל האויר בחוץ. (אם נרצה לדייק, זה תלוי בשטח החתך של המיכל ושל פית השתיה, אבל לצורך ההסבר, נניח שהשטחים זהים, ולכן גם הכוחות). הכח שמפעיל האויר על המים, מיוצג בעזרת החצים האדומים.

ועכשיו הגענו לחלק החשוב:
דיברנו על האויר… אבל גם למים יש משקל. מסיבה זו, הכח שפועל על המים בחלק התחתון של הכלי, בצד ימין, קצת יותר גדול מהכח שפועל בצד שמאל (החץ האדום התחתון, לעומת החץ הסגול) ואז מה שיקרה הוא שיזרמו קצת מים (אבל ממש ממש טיפה) לצד שמאל. זה יקרה כ“כ מהר, אגב, שקרוב לודאי שלא נשים לב.

עכשיו, לאויר שכלוא במתקן יהיה קצת (ממש ממש טיפה) יותר מקום להיות בו.


תכונה מעניינת של אויר (וגזים אחרים) היא שככל שמגדילים את הנפח שאותו הם יכולים לתפוס (בלי לשנות את הכמות!), הלחץ יורד. אם תתנו לאותה כמות גז מרחב גדול פי שניים, הלחץ ירד פי שניים בדיוק! אז במקרה הזה, אמנם לא הגדלנו את הנפח פי שניים (למעשה, ההבדל ממש קטן) אבל משום שהתחלנו עם לחץ מאד גדול, גם שינוי קטן בנפח, יכל להיות מספיק.
למה הוא צריך להספיק?
אם נחבר עכשיו את הכח שמפעיל האויר (קטן יותר מקודם) ואת הכוח שמפעילים המים במיכל, על המים בחלק התחתון של הכלי, נקבל שהכח זהה בשני הצדדים (החץ הסגול והחץ האדום התחתון). כמו במשיכת חבל, כאשר שני הצדדים מושכים בדיוק באותה עוצמה… שום דבר לא זז!
וזו כל התורה :)

כשהציפור תשתה קצת מים, היא תגרום לכך שמפלס המים ירד קצת מתחת למחיצה, ואז אויר יוכל להכנס למיכל. אותו אויר יעלה טיפה את הלחץ, ויגרום לעוד קצת מים לעבור לצד שמאל (ולחזור למצב שבו אין תזוזה). עד שנמלא את הכלי מחדש :)

הסיפור הזה נכתב ביום Sunday, 01 בAugust 2004, בשעה 01:10:26, והוא שייך לנושא מאמרים והסברים. את כל התגובות והטראקבאקים אפשר לקרוא ב-RSS 2.0‏. אפשר לשלוח לסיפור הזה טראקבאק מבלוג אחר.‏