סוד הטיפות המרחפות

בניסוי זה נראה את ההתנהגות המפתיעה של טיפות מים כשהן פוגשות במשטח חם מהן בהרבה. הניסוי מחייב השגחה של מבוגר!

ציוד וחומרים

• סיר או מחבת, לא עם ציפוי טפלון
• כיריים
• כוס
• כפית
• מים

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון:

חום והתאדות

מים נוזלים, ולמעשה כמעט כל הנוזלים, מתאדים והופכים לגז ללא הרף – בכל טמפרטורה. זאת הסיבה שכביסה רטובה התלויה באוויר הפתוח מתייבשת תוך זמן קצר, לפחות בקיץ הישראלי. ככל שהטמפרטורה של הנוזל גבוהה יותר – קצב ההתאדות עולה. בדרך כלל ההתאדות מתרחשת רק משטח הפנים של הנוזלים, אבל כאשר נוזלים מגיעים לטמפרטורה מסוימת, התלויה בסוג החומר ובלחץ האוויר החיצוני, הם מתחילים לרתוח – שזאת סוג של התאדות מיוחדת המתרחשת מכל חלקי הנוזל, לא רק משטח הפנים שלהם,  ומאופיינת בביעבוע גועש. עבור מים הנמצאים בלחץ של אטמוספרה אחת, טמפרטורת הרתיחה היא 100 מעלות צלזיוס. אטמוספרה אחת זהו לחץ האוויר בגובה פניה הים, טמפרטורת הרתיחה משתנה עם שינוי לחץ האוויר, אך זה כבר נושא לכתבה אחרת.

טיפת מים שנטפטף על מחבת חמה – תתאדה, וככל שהמחבת חמה יותר, כלומר ככל שהטמפרטורה שלה גבוהה יותר, הטיפה תתאדה יותר מהר.

אם הטמפרטורה של המחבת תגיע ל-100 מעלות, שזאת כאמור טמפרטורת הרתיחה של מים, הטיפה תרתח בביעבוע גועש, ותתאדה מהר עוד יותר.

מה יקרה אם נמשיך לחמם את המחבת? והטמפרטורה תגיע למשל ל-150 מעלות? – הרתיחה תתרחש באופן נמרץ יותר וההתאדות של המים תסתיים עוד יותר מהר. אני מניח שהבנתם את הקטע, אבל כאן מגיע המפנה בעלילה: אם טמפרטורת המחבת מגיעה בערך ל-200 מעלות, או יותר, יתרחש אפקט ליידנפרוסט!

טיפות מרחפות

כמה וכמה מדענים וממציאים כתבו על התופעה לאורך ההיסטוריה, אבל מי שתיאר אותה בפירוט רב היה הרופא הגרמני יוהן גוטלוב ליידנפרוסט (Leidenfrost), שפרסם את הדברים בשנת 1756, ומאז האפקט נקרא על שמו.

כאשר המחבת עוברת טמפרטורה מסוימת, שנקראת טמפרטורת ליידנפרוסט, מים שיפגעו בה יקפצו מעלה ומטה, ולאחר שירגעו מעט הם ישארו מפזזים ורוקדים עליה כמו כדורים קטנים של מים המחליקים ונעים לכל עבר. הם גם לא ירתחו במהירות אלא יתאדו לאט, הרבה יותר לאט, בהשוואה למצב הקודם.

ההתנהגות המוזרה הזאת מתרחשת בגלל שברגע שהמשטח חם מאוד, כלומר כשהטמפרטורה שלו עולה על טמפרטורת ליידנפרוסט, החלק התחתון של טיפת המים הפוגעת בו מתאדה מיד. אדי המים, כלומר מים במצב צבירה של גז, שנוצרים מהתאדות זו מרחיקים את שאר המים מהמשטח החם, כלומר טיפת המים שנותרה במצב נוזלי ממש מרחפת על שכבה קטנה של אדי מים. במצב כזה אין עוד מגע ישיר בין טיפת המים לבין המשטח. מכיוון שגזים מוליכים חום הרבה הרבה פחות טוב ממתכות, למעשה הם מבודדי חום, קצב העברת החום בין המשטח לבין טיפת המים פוחת באופן ניכר בהשוואה למצב של טיפת מים הנוגעת ישירות במשטח החם. ואם המים לא מתחממים מהר הם גם לא מתאדים מהר, ולמעשה חזרו למצב של התאדות רגילה של נוזלים מתחת לטמפרטורת הרתיחה, כזו שמתרחשת רק משטח פני הנוזל. רק שהפעם עיקר ההתאדות מתרחש מהחלק התחתון של טיפת הנוזל – זה שנמצא מול המשטח החם.

בנוסף, בגלל שאין מגע ישיר בין המים למשטח, אלא ריחוף של המים מעל המשטח כמו רחפת, גם החיכוך ביניהם קטן מאוד, והטיפות נעות ללא הרף בכל הטיה קטנה של המחבת. בדומה לצעצוע הרחפת שהוצג בסרטון, או משחק ‘הוקי אוויר’ שבו דיסקיות מרחפות מעל שולחן מחורר הנושב רוח כלפי מעלה – כמעט ללא חיכוך.

הטמפרטורה המדויקת שבה מתרחש אפקט ליידנפרוסט תלויה בסוג הנוזל ובסוג המשטח. עבור מים ומשטחים כמו ברזל היא בסביבות 200 מעלות צלזיוס. עבור נוזל קר כמו חנקן נוזלי שהוצג בסרטון, אשר טמפרטורת הרתיחה שלו היא 196 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, אפילו שולחן העבודה ב-25 מעלות חם מספיק, וכאשר הוא שופכים עליו חנקן נוזלי רואים את אפקט ליידנפרוסט.

למרות שמדובר באפקט ותיק מאוד, עדיין אין מודל פיזיקלי שמסוגל לחזות בדיוק את הטמפרטורה שבה הוא יתרחש במשטח ספציפי, והוא עדיין נחקר – רק לאחרונה התגלה אפקט מעניין שמתרחש כאשר מנסים לטפטף מספר נוזלים מסוגים שונים על משטח חם.