סיב אופטי ממים

בניסוי זה נבנה סיב אופטי, שזה סוג של צינור שמאפשר להעביר דרכו את קרני האור, מזרם של מים, ונוכל לראות בעיניים כיצד הוא עובד.

ציוד וחומרים

•         בקבוק שתייה קלה שקוף. יש להשתמש בבקבוק בעל דופן ישרה ככל האפשר
•         מספריים קטנים
•         מים
•         טיפת חלב או תחליף חלב 
•         מצביע לייזר פשוט – שימו לב שאין להסתכל ישירות על קרן הלייזר או לכוונה לעיניים של אנשים אחרים או בעלי חיים!
•         קערה

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי ניתן לראות בסרטון הבא:

מים שלא נשפכים

הניסוי וההדגמה עוסקים באופטיקה – התחום המדעי שמתאר את ההתנהגות והתכונות של אור ויחסיו עם החומר. אבל כדי לבצע את ההדגמה בנינו התקן שהציג תופעה מעניינת ולא שיגרתית מתחום אחר: למרות שהבקבוק היה מלא מים והיה חור בחלק התחתון שלו, המים לא נשפכו דרך החור כל עוד הבקבוק היה פקוק. הדגמה זו כשלעצמה מעניינת ודורשת סרטון וכתבת הסבר נפרדים, ונעשה זאת בעתיד. בינתיים נסביר אותה על קצה המזלג. 

התופעה קשורה לשני גורמים. הראשון הוא לחץ – כאשר מים מתחילים לצאת מהבקבוק דרך החור בעוד הפקק שלו סגור, האוויר לא יכול להיכנס לתוכו במקום המים שיצאו. כתוצאה מכך, הלחץ בתוך הבקבוק יורד לערך נמוך יותר מלחץ האוויר החיצוני. הלחץ החיצוני הגבוה יותר מפעיל על המים שבפתח החור כוח שמונע מהם להמשיך ולהישפך, מעבר לטיפה או למספר טיפות בודדות שיצרו את  תת הלחץ בבקבוק. מסיבה זו אין זרימה של מים. כאשר פותחים את הפקק מתאפשרת כניסה של אוויר לבקבוק, כך שלא נוצר בתוכו תת לחץ והמים יכולים לזרום דרך החור.
הגורם השני הוא מתח פני המים: כוחות המשיכה בין מולקולות המים גורמים ליצירת מעין קרום בלתי נראה במגע בין המים לאוויר. מתח הפנים של המים שבאים במגע עם האוויר דרך החור שבבקבוק מונע מהאוויר להיכנס דרך אותו חור. זה עובד רק אם החור קטן מספיק, ורק אם לא נטלטל את הבקבוק – אם תעשו חור גדול או אם תטלטלו את הבקבוק בחוזקה, מתח הפנים כבר לא יצליח לעמוד בפרץ, וייפרץ. אוויר יכנס דרכו לבקבוק, וזה יאפשר זרימה של מים דרך החור. ניסוי דומה למתרחש כאן מוצג ומוסבר בהרחבה בניסויים שלנו איך להפוך פחית בלי שתישפך ואיך להפוך כוס מים בלי שהמים ישפכו.

אור שלא יוצא

זרם המים שיצא מהחור בבקבוק כאשר שיחררנו את הפקק הראה גם הוא תופעה מעניינת: כאשר הארנו לתוכו עם קרן הלייזר הוא הוליך את האורך בתוכו, אפילו כאשר הזרם התעקם כלפי מטה, עד שפגע בתחתית הקערה. הוספת החלב למים חשפה את מהלך קרני האור בתוך זרם המים ואיפשרה לנו לראות את המתרחש. בדומה לעשן שחושף קרני לייזר הנעות באוויר, כאשר אור עובר במים עם חלב הוא פוגע בחלקיקים בהירים קטנים המפוזרים במים, שמפזרים אותו מעט לצדדים. כך מהלך קרן האור נחשף גם לעיננו. ניתן לראות כי קרן האור לא באמת מתעקמת עם זרם המים אלא ממשיכה לנוע בתוכו בקווים ישרים, כפי שאור נוהג תמיד לנוע – אולם בכל פעם שקרן האור פוגעת בדפנות זרם המים היא מוחזרת חזרה פנימה כאילו פגעה במראה. כך קרן האור מתקדמת בקווים אלכסוניים מדופן אל דופן עד קצה זרם המים, כאילו הדופן מצופה בראי.

אבל הרי אין באמת ציפוי של ראי בזרם המים, אז מה הסיבה שקרן האור תחומה בתוך הזרם? הסיבה לכך היא תופעה שנקראת “החזרה גמורה”, או “החזרה פנימית מלאה”. אור כאמור נע בקווים ישרים – קרני אור. כאשר קרן אור עוברת מחומר שקוף אחד – למשל זכוכית, מים או פלסטיק שקוף, לחומר שקוף אחר, למשל האוויר, מתרחשת תופעה שנקראת “שבירה” של קרן האור: שינוי כיוון קל בזווית של הקרן, שמתרחש בעת המעבר בין שני החומרים. הסיבה לכך היא הבדלים בין מהירויות התנועה של האור בחומרים שונים. נסו לדמיין רכיבה על אופניים על חול עמוק ואז מעבר למדרכה סלולה. מי שהתנסה בכך שם לב שבחול הנסיעה קשה ואיטית יותר, ובזמן המעבר מהמדרכה לחול או להפך האופניים סוטים מעט לכיוון אחר. האור מתנהג באופן דומה.

נסתכל באנימציה למטה על מקור אור ששולח שלוש קרניים מהמים אל עבר האוויר (הקווים הירוקים):

שימו לב שבמעבר ממים לאוויר, או באופן כללי יותר במעבר מחומר צפוף יחסית לחומר פחות צפוף, קרני האור נשברות או משנות את כיוונן לזווית גדולה יותר מהזווית בה פגעו. בזווית מסויימת של קרן אור, שנקראת הזווית הקריטית, הקרן תישבר כבר ממש במקביל לפני המים (הקרן האמצעית באנימציה). בזוויות גדולות מהזווית הקריטית האור כבר ישבר חזרה לתוך המים ולא יצא החוצה לאוויר, כאילו היה שם ראי. התופעה הזאת היא החזרה גמורה או החזרה פנימית מלאה, כי כל קרני האור שיפגעו בקו המפגש מעל הזווית הקריטית יוחזרו באופן מלא חזרה אל תוך המים. אפשר ממש לראות את התופעה כאשר צוללים בתוך בריכה ומסתכלים מעלה: פני המים נראים כראי. שמחזיר חזרה את קרני האור.

בסיב אופטי לכל דופן יש דופן מקבילה, כך שקרני אור שפגעו בזוויות שעברו את הזווית הקריטית והופנו חזרה פנימה, פוגעות בדופן המקבילה באותה זווית קריטית בדיוק ומוחזרות חזרה שוב (אם לדייק – זה יתרחש עד גבול כיפוף מסויים של הסיב). כך הקרניים “כלואות” בתוך דפנות הסיב, שמחזירות אותן שוב ושוב אל הקצה השני של הסיב, כפי שאפשר היה לראות בעיניים בניסוי עם זרם המים. 

כדי לא להאריך יותר מדי את הסרטון לא הראינו את זה, אבל אם אתם מבצעים את הניסוי בעצמכם כדאי לנסות ולשנות אז הזווית בה פוגעת קרן הלייזר בזרם המים, ולשים לב לנקודת האור בקערה: תוכלו לראות הבדלים משמעותיים בכמות האור שמגיעה לקערה בעקבות שינויי הזווית. אור תמיד מגיע לקערה כי תמיד יש קצת החזרה מפני המים, גם אם לא מתרחשת החזרה גמורה – אבל כאשר מגיעים לזווית הקריטית שכולאת את האור בתוך הסיב, האור בקצה הסיב מתגבר באופן משמעותי מאוד.

שנים של פיתוח

בימינו סיבים אופטיים מהווים את עמוד השדרה של תקשורת האינטרנט, בין אם זה סיב המתחבר לבתים כדי להעביר שידורי טלוויזיה או אינטרנט מהיר, ובין עם זה סיב המחבר בין שתי מדינות. המידע הדיגיטלי, שמיוצג על ידי מספרים בינאריים המורכבים מאפס ואחד, מועבר דרך סדרה של היבהובי אור מהירים בתוך הסיב: אור מיצג את הספרה 1 והעדר אור את הספרה 0. סיכוי טוב שסרטוני היוטיוב שבכתבה זו עברו משרתי חברת יוטיוב בחו”ל אל המחשב או הטלפון שלכם, (גם) דרך מאות קילומטרים של סיבים אופטיים. שלא יקל הדבר בעיניכם: עד לפני כמה עשרות שנים בלבד, סיבים אופטיים לא היו משוכללים בהרבה מהמוצג בניסוי, והיו יכולים להעביר קרן אור למרחק של מטרים ספורים, בטח שלא קילומטרים. הסיבה לכך היא שלא היה בנמצא חומר מוצק צלול מספיק, שלא יבלע את קרני האור כעבור מטרים בודדים. היה זה המדען הסיני צ’ארלס קואן קאו (Kuen Kao), שהראה בניסוי פורץ דרך בשנת 1968, וכנגד כל התפיסה המדעית-טכנולוגית בתקופתו, כי האור בסיבים האופטיים בהם השתמשו לא הצליח לעבור יותר ממספר מטרים בגלל חומרים הנמצאים בזכוכית, ולא בגלל בעיה עקרונית של אופן פעולת ההחזרה הגמורה. רק בזכות התעקשותו השתכנע העולם כי כדאי לאמץ את הטכנולוגיה. היו דרושות עוד מספר שנים של מחקר ופיתוח עד שבאו לעולם הסיבים האופטיים של ימינו המאפשרים תקשורת למרחקים (למעונינים בהעמקה מומלץ להציץ בכתבה שבקישור). קואן קאו זכה בפרס נובל בפיזיקה לשנת 2009 עבור פיתוחיו.