שואב אבק מצינור של שואב אבק

בניסוי הזה נראה איך אפשר ליצור שאיבה בעזרת צינור של שואב אבק, בעזרת כוח “מדומה”.

ציוד

•       צינור של שואב אבק
•       שקית
•       גומייה
•       עיפרון

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי ניתן לראות בסרטון הבא:

תולדה של התמדה

הסרטון מזכיר כבדרך אגב שני מונחים הקשורים לתנועה סיבובית: צנטריפוגלי וצנטריפיטלי, שנמצאים בבסיסו של הניסוי. אבל  מכיוון שמדובר בסרטון קצר, לא היה לי זמן להסביר אותם לעומק. כדי להבין אותם כמו שצריך כדאי להתחיל מעיקרון בסיסי יותר בפיזיקה, הנקראה עיקרון ההתמדה (או האינרציה), שהוא הבסיס הפיזיקלי של המתרחש בניסוי. גילוי וניסוח העיקרון על ידי גלילאו גליליי לפני כ-500 שנה, וניסוחו מחדש על ידי אייזיק ניוטון (שנולד בשנה בה נפטר גלילאו) כ”חוק התנועה הראשון”, נחשבים לאחת מאבני היסוד של תקופת הרנסס – ה”תחייה” או ה”לידה מחדש” של התרבות והמדע המודרני באירופה.

המדען והפילוסוף היווני רב ההשפעה, אריסטו, שחי במאה ה-4 לפני הספירה, סבר כי אם גופים נמצאים בתנועה – סימן שפועל עליהם כוח מניע. מחשבה הגיונית לכאורה ולכן הייתה מוסכמת אלפי שנים. אבל כפי שגלילאו גילה היא לא עומדת במבחן הניסוי – חישבו על חץ שנע באוויר למרות ששום כוח לא דוחף אותו להמשיך לנוע. שזה אולי תרומתו הגדולה ביותר של גלילאו למדע – לבדוק כל טענה בעזרת ניסוי.

עקרון ההתמדה כפי שניסח אותו בצורתו הסופית ניוטון, במסגרת “החוק הראשון” שלו, קובע, כי גוף ימשיך בתנועתו כל עוד אין כוחות חיצוניים שפועלים עליו. כלומר בהיעדר כוחות חיצוניים, גוף השרוי במנוחה יישאר במנוחה (שזה ברור מאליו ולא עומד בסתירה לאריסטו), וגוף נע יתמיד בתנועתו במהירות קבועה בקו ישר (שזה השינוי הגדול מאריסטו). בניגוד לאריסטו, ניוטון טען שדווקא כדי לשנות את מהירות התנועה של חפץ או את כיוון התנועה שלו צריך להפעיל עליו כוח, ובלי כוח – גוף הנמצא בתנועה פשוט ימשיך לנוע ישר עד אינסוף.

עכשיו תשאלו – אבל הרי אבן שזורקים, חץ שנורה מקשת או קליע שנורה מרובה כן עוצרים בסוף ולא ממשיכים לנוע בקו ישר, בניגוד לעקרון ההתמדה. התשובה לכך היא שהם נעצרים, או לא נעים בקו ישר, אך ורק משום שפועלים עליהם כוחות: כוח המשיכה וכוח החיכוך עם האוויר. אם תזרקו אבן בחלל החיצון, שם אין אוויר וכוח המשיכה זניח, או תגלגלו חפץ על משטח נטול חיכוך לחלוטין, הם ימשיכו לנוע בקו ישר עד אינסוף, בדיוק כמו שגלילאו וניוטון גילו. וזה מוביל אותנו לכוח הצנריפוגלי והצנריפיטלי.

תנועה סיבובית – שתי נקודות מבט

אם עקרון ההתמדה קובע כי כל חפץ ימשיך לנוע בקו ישר כל עוד לא פועל עליו כוח, המסקנה המתבקשת היא שכדי לגרום לחפץ לנוע בסיבוב, חייבים להפעיל עליו כוח. לכוח הזה שגורם לחפצים לנוע בתנועה מעגלית קוראים כוח צנטריפיטלי, והוא הכוח שמושך ללא הרף את החפץ הנע לעבר נקודה במרכז התנועה המעגלית. הכוח הזה מעקם את כיוון תנועת החפץ, כך שבמקום להמשיך בקו ישר לפי האינרציה שלו, הוא כל הזמן יפנה לכיוון המרכז. ומה מפעיל כוח כזה? יכולים להיות הרבה דברים. למשל, אם נקשור אבן לקצה אחד של חבל ונאחוז  את קצהו השני, ואז נזרוק את האבן, היא תנוע במעגל מסביב ליד שלנו. במקרה זה, החבל הוא המושך את האבן למרכז ומונע ממנה לנוע בקו ישר. בשנייה שנעזוב את החבל או נשחרר את האבן – היא תנוע במהירות בקו ישר. זהו למעשה העיקרון עליו עובד הקלע בעזרתו דוד פגע בגוליית הפלישתי. בסקאלה גדולה יותר, הכוח הצנטריפיטלי שמאפשר את תנועת הירח סביב כדור הארץ הוא כוח המשיכה: כדור הארץ מפעיל כוח על הירח, ורק בגללו הירח ממשיך לחוג סביבנו ולא עף לו בחלל.

ועכשיו הבה נשנה את נקודת המבט שלנו, במקום להסתכל על המערכת המסתובבת מבחוץ, נסתכל עליה מנקודת המבט של החפץ המסתובב עצמו. דמיינו שאתם במכונית נוסעת. מה אתם מרגישים? כאשר היא נוסעת במהירות קבועה בקו ישר אתם לא חשים בכל כוח שפועל עליכם, אבל מה קורה כאשר המכונית מבצעת פנייה, כלומר נעה בתנועה מעגלית? אם המכונית פונה שמאלה, אתם תרגישו כוח חזק שדוחף אתכם ימינה, ולהפך – בייחוד אם המכונית נוסעת מהר.

לכוח הזה שדוחף “החוצה” חפצים הנמצאים בתנועה סיבובית קוראים כוח צנטריפוגלי, והוא העומד בבסיס השאיבה בניסוי שלנו, ובבסיס פעולתן של משאבות רבות אחרות. מכונות כביסה משתמשות באותו עיקרון כאשר הן סוחטות את הכביסה. הכוח הזה הוא פשוט ביטוי לעקרון ההתמדה, שגורם לגופים לנוע בקו ישר. כפי שאמרנו בסרטון, גם האוויר שבתוך הצינור המסתובב פשוט ממשיך לנוע בקו ישר, לאחר שנדחף על ידי הצינור המסתובב.

אם נחזור לדימוי המכונית המבצעת פנייה – נוכל להבין מדוע מי שיושב בתוכה מרגיש נדחק לכיוון השני, כפי שמבואר באיור הבא של המכונית הפונה במבט על:

כאשר לומדים פיזיקה בבתי ספר תיכון מציינים, בצדק, כי כוח צנטריפוגלי הוא “כוח מדומה”. ואכן, אי אפשר להגיד שמשהו מפעיל כוח צנטריפוגלי – שום גוף לא דוחף אותנו או מפעיל עלינו כוח ימינה כאשר המכונית פונה שמאלה. הכוח שאנחנו מרגישים הוא פועל יוצא של האינרציה. אבל חשוב לזכור כי למרות שהוא מכונה “מדומה”, הכוח הצנטריפוגלי הוא כוח לכל דבר, שאחראי לתופעות רבות בעולם. או כמו שאמר לי פעם אלי שלו, המנהל הפדגוגי של מרכז שוורץ רייסמן ללימודי פיזיקה ברחובות: מי שטוען שזהו כוח מדומה במשמעות של כוח שלא קיים, מוזמן לעמוד מול הפטיש שמיידים באולימפיאדה.

שאיבה מדומה

כאשר אנחנו מסובבים את הצינור, האוויר יוצא מקצה הצינור המסתובב עקב הכוח הצנטריפוגלי. זה יוצר בחלק זה של הצינור חוסר באוויר – במילים אחרות לחץ נמוך, או ריק (וואקום) חלקי. האם הריק הזה הוא שגורם לשאיבה? לכאורה נראה שכן, וכאן אנו חוזרים אל הפילוסוף אריסטו, עם עוד תפיסה שגויה שהשריש: לטענתו, שאיבה עקב לחץ נמוך נגרמת בגלל שהטבע “פוחד מריק”, ולכן כל ריק שואב לתוכו חומר. מסתבר שזה לא נכון – ריק הוא כלום וכלום לא יכול לשאוב, וממילא פחד איננו כוח מניע של הטבע. מה שמניע את האוויר לתוך הצינור של שואב אבק הוא הלחץ של האוויר החיצוני, שגבוה יותר מלחץ האוויר בקצה המסתובב שלו, או במקרה של שואב אבק רגיל, הקצה שמחובר למנוע. לחץ הוא כוח ליחידת שטח – ולכן הוא כן יכול להפעיל כוח. האוויר הנדחף לתוך שואב האבק סוחף יחד איתו את הליכלוכים, וככה נוצרת השאיבה.

מעניין שגם בהפרכה הזו של סברתו של אריסטו מעורב חלקית המדען גלילאו. בתקופתו בנו משאבת מים מבאר המבוססת על מזרק המחובר לצינור ארוך, שעבדה יופי בבארות רדודות יחסית, אבל פשוט לא הצליחה לשאוב מים מבאר עמוקה, בעומק של עשרה מטרים או יותר. האנשים באו לגלילאו לפתור את התעלומה, והוא אמר שכפי הנראה יש גבול לכוחו של הריק – וגבול זה שווה ערך ללחץ שיוצר עמוד מים בגובה 10 מטרים. הפתרון המדוייק לתעלומה הגיע מתלמידו של גלילאו, טוריצ’לי: זהו לחץ האוויר שדוחף את המים לתוך המזרק, לא הריק שמושך או שואב אותם. לחץ האוויר בפני כדור הארץ אכן שווה ערך ללחץ שיוצר עמוד מים בגובה כזה – בערך קילוגרם כוח לכל סנטימטר רבוע – לכן לא יכול לדחוף מים מעל גובה זה. לצורך העניין, שואב אבק שיפעל בירח, שם אין אטמוספירה – לא יצליח לשאוב אפילו לא גרגיר חול, כי אין שום אוויר שיוכל לזרום לתוכו ולדחוף יחד איתו את גרגיר החול.