מהי נימיות

?מהי נימיות

נימיות (קפילריות) היא יכולתם של נוזלים לעלות בצינורות דקים, לכאורה נגד כח המשיכה. כושר הנימיות של נוזל נקבע על פי מאזן של שני כוחות מנוגדים: מצד אחד, הכוחות המתקיימים בין המולקולות או בין האטומים בנוזל, הנקראים כוחות קוהיזיה, ומצד האחר הכוחות הנוצרים בין המולקולות או בין האטומים של הנוזל לבין האטומים של החומר ממנו מורכב המשטח (דופן הצינור הנימי) הנקראים כוחות אדהזיה. נוזל הוא בעל כושר נימיות גבוה, כאשר כוחות האדהזיה שלו חזקים מכוחות הקוהוזיה שלו.
למים יש כושר נימיות גבוה במיוחד. כאשר מכניסים צינורית דקה לתוך מים, המים עולים בצינורית לגובה מסויים. בין המים ובין הצינורית נוצרים כוחות אדהזיה הנובעים מקיומם של קשרי מימן בין מולקולות המים .
. SiO(2) לבין אטומי החמצן בזכוכית, שהמרכיב העיקרי בה הוא
כוחות האדהזיה גורמים לשוליים של פני המים להיצמד לדפנות הצינורית וכביכול לטפס עליהן. פני המים יוצרים צורה קעורה, חצי כדורית. כוחות הקוהוזיה בין מולקולות המים לבין עצמן גורמים לכך שמולקולות מים נוספות נגררות אף הן כלפי מעלה. למעשה כוחות האדהזיה נוטים להגדיל את שטח הפנים של המים ולהקנות לו צורה קעורה, ואילו מתח הפנים של המים הנובע מכוחות קוהוזיה נוטה להקטין את שטח הפנים של המים וליישר את הקו הקעור תוך העלאת פני הנוזל. העלייה של המים בצינורית נמשכת עד אשר כוחות האדהזיה והקוהוזיה מתאזנים עם כח הכבידה המופעל על המים ומושך אותם מטה. בניגוד למים, לכספית יש כושר נימיות נמוך. כוחות הקוהוזיה הפועלים על כספית גבוהים מכוחות האדהזיה, ולכן הכספית לא תעלה במעלה צינורית דקה באותה מידה שיעלו המים.
למים אין כושר נימיות גבוה בצינוריות אשר עשויות מחומר איתו הם לא יכולים ליצור קשרי מימן. לכושר הנימיות של מים יש השפעה רבה על חייהם של צמחים ובעלי חיים. מים ומינרלים עולים בצמח בצינורית העצה. עֵצָה (באנגלית: Xylem) היא אחת משתי הרקמות המשמשות להובלת נוזלים וחומרי מזון בצמחים וסקולריים. העצה מעבירה בעיקר מים, מלחים ומינרלים, והיא מורכבת ברובה מתאים מתים. רקמת ההובלה השנייה היא השיפה, אשר תפקידה להוביל חומרי מזון אורגניים, ובעיקר סוכרוז.
המים בכל גבעול יוצרים עמוד רציף לאורך כל הצמח מהשורשים עד העלים בפיסגה। עמוד המים מצליח לשמור על רציפות הודות לכוחות אדהזיה בין מולקולות המים לבין צינורית העצה, המורכבת ממולקולה של גלוקוז C6H12O6 .

דוגמאות נוספות לנימיות : פתיל הנר השואב את השעווה במעלה הפתיל כתוצאה מלחץ נמוך באיזור השריפה, מקלות הריח הטבולים בצינצנות הנוזל המבושם, ואפילו נייר טואלט רטוב בו יעלו המים בניגוד לכח המשיכה.

הקדמה

שלום לכל הקוראים של הבלוג החדש שלי. שמי יונתן שנהב, ואני מקים את הבלוג הזה כדי לענות על שאלות של היומיום. אני אפרסם את כל המאמרים שכתבתי ופורסמו באתר "הידען" . המאמרים נוגעים בכל תחומי החיים ומסבירים בלשון לא מסובכת בעיות שאולי צצות לחלקנו ואשר לא ידענו להסבירן

שאלות מכאניות

שלוש שאלות בסיסיות במכניקה של היומיום: כוח דימיוני,תנועת אופניים ושקול ניוטוני
מאת: יונתן שנהב

יום שבת 31 מרץ 2007
הפעם 3 שאלות ברמה בסיסית יותר, אבל מעניינות לא פחות
האם קיים כוח צנטרפוגלי? אם לא, מהו אותו כוח דמיוני שאנו מרגישים?

אין כוח כזה . באופן כללי ניתן לומר שהכוח הצנטרפוגלי הוא תוצר לוואי של תאוצה ולא הגורם שלו. אולם כל אחד מרגיש את הכוח הזה בזמן פנייה של האוטו. זהו כוח האינרציה שגורם לנו לנוע בקו ישר אל מחוץ למעגל התנועה. הכוח הצנטרפיטלי מושך אותנו פנימה. ע“מ להמחיש את ההבדל בין כוח רגיל וכוח צנטרפוגלי נדמיין שאנחנו החפץ המסובב ע“י חבל. הכוחות במערכת הם האינרציה שדוחפת אותך החוצה מהמעגל בקו ישר, הכוח של החבל מושך אותך פנימה, וצירוף שניהם יוצר (ע“י חיבור ווקטורי של רכיבים מאונכים) מעגל. אולם אין שום כוח שמושך אותך החוצה מהמעגל, בכיוון מנוגד לכיוון משיכת החבל. למעשה ניתן להגיד שהחבל גורם לך להאיץ אבל בכיוון שונה מהכיוון שהוא מושך, וזאת כתוצאה מחיבור מהירויות. דוגמא נוספת לזו ניתן לראות אם נירה את עצמנו מתותח. אנו מאיצים לכיוון מרכז כדה“א אולם נעים באלכסון למטה ולא אנכית ישירות.
למה אופניים נופלים בעמידה ולא נופלים אם נסיע אותם במהירות?

כשאנו רוכבים על אופניים אנו יוצרים מהירות סיבובית בעלת וקטור הפונה (לפי חוק יד ימין) לצד שמאל שלנו. יצרנו מומנטום זוויתי, גורם קבוע ביקום, ועל בסיס שימורו נוכיח שהאופניים יסטו לכיוון המתאים במקרה של נפילה. נניח שהאופניים רוצים ליפול שמאלה. כעת הכוח שמפעילה הריצפה (על הגלגל הנטוי בזווית שמאלה) יוצר מומנט בעל ווקטור בכיוון אחורה של האופניים (שוב, בשימוש חוק יד ימין). הכוח הוא הנורמל, הזרוע היא המרחק בין הגלגל שנוגע בקרקע ומרכז המסה של האופניים. להמחשה, כל ילד יודע שלא ניתן להביא את מרכז הכובד של הגוף מעבר לקצה הציפורן , כי מעבר לנקודה זו ניפול. במקרה של האופניים השקול יהיה שמאלה ואחורה. ע“מ לקזז את הרכיב שנוסף (שהרי קבענו שהמומנטום חייב להישמר קבוע) האופניים מוסטים שמאלה. כעת שוב הרכיב היחיד של התנע הסיבובי הוא השמאלה החדש שלנו.
אם קטר מפעיל כוח שווה לזה שקרון מפעיל עליו מדוע הם זזים? החוק השלישי של ניוטון קובע שאם מופעל על גוף כוח, הגוף מתנגד בכוח שווה בגודלו והפוך בכיוונו. אם שניהם מפעילים כוחות שווים האם הם לא אמורים לעמוד במקום? השאלה הבסיסית שאמורה להישאל היא מהי מערכת הצירים בה אנו משתמשים. אם נציב את מערכת הצירים על הרכבת אז ישנם שני כוחות: כח המנוע וכוח משיכת הקרון. עבור מערכת המוצבת על הקרון יש רק את כח הרכבת המושכת. ההבדל הוא בכוחות החיצוניים בכל המערכות. יש לראות את המנוע ככוח חיצוני המופעל על הרכבת (נניח שהיא בעלת מסה זהה לקרון M ) ולא ככזה שמושך את הקרון. כוח המנוע (F) מזיז 2M בתאוצה קבועה a . מכיוון שהקרון נע בתאוצה a, הכוח שמושכת אותו הרכבת הוא Ma . אז נכון שהכוחות שהרכבת והקרון מקזזים אחד את השני אולם על הרכבת מופעל כוח גדול פי שניים. אם נעבור לחיים שלנו , במקרה של אנשים שדוחפים אחד השני בתור לבנק, ניתן להתייחס להבדלים בין החיכוך שהרגליים שלהם מפעילות על הריצפה. ואם החיכוך שהשני מפעיל על הריצפה זהה בגודלו לחיכוך שהראשון מפעיל על הריצפה - אז כן, הם לא יזוזו עד מחר. כל ההבדל הוא בכוחות החיצוניים - מנוע, חיכוך עם הריצפה, יד שמחזיקה משהו. למשל בהורדות ידיים המנצח הוא זה שהיד שלא מתחרה במשיכת ידיים עצמה מושכת הכי חזק את הידית בצד השולחן. נשמע מוזר? נוכל לראות את שני המתחרים כמערכת אחת. למערכת זו יש שני כוחות חיצוניים בלבד: 2 הידיים שמחזיקות ידיות (נזניח חיכוך עם הריצפה, או יותר נכון נכניס את תרומתו לכוח של היד השניה) . אם כוחות אלו שווים (והידיים של המתחרים שוות באורכן) המתחרים ישארו בשו“מ סטטי. אם כוח א‘ גדול מכוח ב‘ אזי כוח ב‘ לא יוכל למנוע מהמערכת לזוז, שקול המומנטים יהיה שונה מאפס, וכל המערכת תתפתל בכיוון שכוח א‘ מניע אליו. נוכל כמובן להתמודד בלי ידיים, ואז ינצח מי שמפעיל כוח גדול יותר עם הנעליים שלו על הריצפה. השורה התחתונה היא פשוטה: כשאתה מפעיל פיתול על זרוע היריב גופך חייב להתפתל בכיוון השני, באופן שיקזז את הופעת התנע הזוויתי. נוכל לראות תופעה זו בנדנדה. כשילד מנדנד עצמו קדימה נוצר וקטור תנע זוויתי הפונה ימינה (לפי חוק יד ימין). אבל שרשרת אינה כמו נעל הנוגעת בריצפה, כלומר יציבה ומסוגלת להפעיל מומנט או כוח. שרשרת יכולה להפעיל רק כח אנכי. לכן הילד ש“יזרוק“ את רגליו קדימה תמיד ירגיש את ראשו נע אחורה, ובכך נשמר התנע הזוויתי ביקום.

חוק קוריוליס

?על התנועות השונות של כדור הארץ, ומהו חוק קוריוליס

מאת: יונתן שנהב

יום שבת 31 מרץ 2007
?מדוע אומרים שכדור הארץ מקיף את הירח באותו אופן שהירח מקיף אותו

החוק השלישי של ניטון קובע שעל כל גוף המפעיל כוח על גוף אחר מופעל כוח זהה בגודלו והפוך בכיוונו. כח המשיכה של כדור הארץ הצליח ללכוד את הירח בתנועה סיבובית סביבו.כוח זה הוא כאמור הדדי. הירח מושך את כדה“א באותו אופן בדיוק. אולם מסת כדה“א גדולה פי 81 מזו של הירח, ולכן כשהם מסתובבים סביב מרכז הכובד המשותף שלהם יוצא שהגוף הכבד יותר מסתפק ברדיוס סיבוב קטן יותר. למעשה, מרכז המסה המשותף שלהם נמצא בתוך כדה“א עצמו, מה שגורר את כדה“א לבצע אוסצילציות סביב ציר סיבוב דמיוני ולא ברור לעין. באופן כללי לא ניתן לנתח את התנועה המשותפת של שני גופים אלו עפ“י תצפיות היות ותנועת גרמי השמיים היא מסובכת לעין שיעור מניתוח פשוט של שני גופים. תנועתו של כוכב הלכת שלנו מושפע מלא פחות משבע תנועות שונות (השפעת השמש והכוכבים האחרים במערכת השמש, השפעת הגיאודזיות של הכדור ואפילו התנועה הפנימית של הברזל המותך בעומק כדה“א) . התוצאה היא סופרפוזיציה (חיבור או סכימה) של כולם יחד. התנועה הראשונה, רוטציה - סיבוב כדה“א סביב צירו במחזוריות של 24 שעות. כיוון הסיבוב ממערב למזרח. התנועה השניה היא רבולוציה - סיבוב כדור הארץ סביב השמש במסלול אליפטי במשך 365.25 ימים. תנועה אליפטית זו מכילה שתי תנועות שונות היות והיא מושפעת מהאינרציה של הגופים המעורבים, השמש והכדור שלנו. גם כיוונה של תנועה זו הוא מערב למזרח. תנועה שלישית היא פרצסיה, מין תנועת סביבון של כדור הארץ סביב ציר קוני. תנועה זו נגרמת כתוצאה ממשיכה גרביטציונית של השמש את הכדור הארץ בקטבים. כדה“א נטוי ולכן המשיכה השונה גורמת לכוחות ניענוע ולפרצסיה. התנועה הרביעית היא שינוי ציר הסיבוב כל 40000 שנה בערך (מזוית של 24.5 ל 21.5 מעלות). תנועה זו לא מסבירה לנו הרבה על מבנה כדור הארץ אבל משמעותית לחיזוי העונות באופן מדויק יותר, ולהבנה טובה יותר של תהליכים הקשורים במזג אוויר בעבר הרחוק. התנועה החמישית היא תנועת הנוזל המותך בתוך מעמקי הכדור. היות וכדור הארץ כל הזמן מאיץ, החלקים החופשיים לזוז בתוכו (הברזל הנוזלי) יוצרים תנועות כאוטיות בתוכו ומפריעים לתנועתו, כמו כוס קפה שיושבת בתוך אוטו באמצע פניה. התנועה השישית והאחרונה היא הזניחה מכולן והיא נגרמת מהפרשי טמפ‘ בין שתי ההמיספירות. החצי החם של הכדור פולט חום רב, וחום זה משמש כמו מנוע קטן שפועל לאורך זמן. עבור פרק זמן קטן השפעה של כח זה אינה מורגשת, אך לאורך מיליוני שנים נוצרת השפעה מצטברת. אפקט זה קיבל את ההתייחסות המגיעה לו ממדענים שהעלו את הרעיון להסיט אסטרואידים במסלול התנגשות עם כדה“א ע“י צביעה חלקית שלהם בצבע לבן. החלק השחור ישמש כמנוע ע“י פליטת חום ולאורך עשרות אלפי שנים השינוי יהיה מספיק להסיט את הגוף מכיוון כדה“א.
האם המים בכיור מסתובבים תמיד באותו כיוון (והפוך בקטבים השונים)?
כן ולא. תיאורטית כן ומעשית לא. נתחיל בהסבר על סיבוב כדה“א וחוק קוריוליס. בגלל הסיבוב תנועות על הכדור יהיו מורכבות יותר. הקרקע על קו המשווה נעה מזרחה ב 1600 קמ“ש (מהירות קווית שווה רדיוס כפול מהירות סיבובית, והרדיוס הכי גדול הוא על קו המשווה) . מדרום או צפון לקו המשווה הקרקע נעה במהירות פחותה מזו. לכן, בקטבים אין שום מהירות לכיוון מזרח. כתוצאה מהמהירות הלא אחידה הזו מזרחה, גופים הנעים ב“קו ישר“ על גבי הכדור נעים מזרחה (יחסית לקרקע) בגלל האינרציה שלהם. לדוגמא, אם אדם הנמצא על קו המשווה יזרוק חפץ צפונה, החפץ ינחת מזרחית למקום בו היה אמור לנחות. אם הוא יזרוק את החפץ מהקוטב הצפוני דרומה החפץ ינחת ממערב למקום הנחיתה הצפוי. בחצי הכדור הצפוני חפצים הנעים למרכז נוטים לסטות הרחק מהמרכז, כך שנוצרת תנועה נגד כיוון השעון. בחצי הכדור הדרומי מגמה זו מתהפכת. לכן ניתן לומר כי הוריקנים, למשל, ינועו נגד כיוון השעון בחצי הצפוני. כשמדובר במים בכיור בהמיספירה הצפונית המים שואפים לבצע תנועה נגד כיון השעון. אבל בכיור קטן בו הגיאומטריה קובעת שמעותית את התנועה אין לחוק קוריוליס משמעות רבה. לחוק זה היתה חשיבות רבה בחישוב מעוף כדורי תותח בימי מלחמות נפוליון, שם מערכת בקרת האש של התותח כללה קצת פחות לייזרים, ויותר הנדסה מכאנית. חישוב מקום הנפילה של הכדור היה קריטי, ולאור מעופו הארוך של הכדור היה צפוי להיות הבדל בין מקום הנחיתה הטריוויאלי ובין זה שהתקבל.

?איך מצליח מדחום למדוד את הטמפ‘ (למשל באוזן ) כל כך מהר, ולמה לילות בלי עננים כל כך קרים
מאת: יונתן שנהב
יום חמישי 29 מרץ 2007
?למה חקלאים פוחדים מלילות ללא עננים? וכיצד מצליח מדחום למדוד טמפ‘ של 39 מעלות בעשר שניות

משוואת ניוטון קובעת שכמות החום שעוברת בהסעה (אחת משלוש הדרכים להעברת חום) תלויה ביחס ישר להפרש הטמפרטורות.מכיוון שזהו הפרש אלגברי, ניתן להציב את הטמפ‘ במעלות צלסיוס או קלווין (סולם קלווין מציין את הטמפ‘ המוחלטת של הגוף). כאשר אנו עומדים בחוץ הגוף שלנו מאבד חום רק בהסעה. הרוח הקרה נושבת על העור ונושאת איתה את חום גופנו. ההולכה לא קיימת, מכיוון שאוויר הוא מוליך חום גרוע. אולם תיאור זה אינו משקף נכונה את המציאות. קיים מנגנון העברת חום שלישי והוא הקרינה. כאשר אנו נמצאים בעיר גדולה כמו תל אביב, אשר בנייניה מקיפים אותנו, אנו נחשפים פחות להסעה מכיוון שהמכשולים מקשים על הרוח לזרום בקיץ. בנוסף אנו סופגים כמות גדולה של חום בקרינה. מנגנון הקרינה לרוב אינו בולט, מכיוון שלרוב הגופים המקיפים אותנו נמצאים בטמפ‘ דומות. המשוואות של מעבר החום בקרינה משתמשות בטמפ‘ המוחלטת של הגוף ובמעלה רביעית! כלומר אם הגוף שלנו מקרין קרינה בטמפ‘ של 37 צלסיוס שהם 310 קלווין (273+37) והבניין מולנו לוהט בטמפ‘ של 323 מעלות קלווין (50 צלסיוס) אזי במשוואת החלפת החום ביננו לבין הבניין תתבצע הפעולה של חיסור טמפ‘ במעלה רביעית . במקום הפרש של 13 עבור ההסעה התוצאה תהיה 1650. כלומר עבור אותו שטח הקרינה תהיה מאד משמעותית לעומת ההסעה. נחזור לשאלה המקורית עבור לילות קרים. כאמור אנו מחליפים קרינה עם כל דבר שאנו רואים. אם הוא חם מאיתנו הוא יקרין עלינו יותר מאשר אנו עליו, ולהפך. כאשר יש עננים אנו מחליפים איתם קרינה, כאשר הטמפ‘ בגובה זה היא בערך מינוס 10 מעלות עבור גבהים בינוניים. כאשר אין עננים אנו מחליפים קרינה עם היקום החיצוני, והוא כידוע בטמפ‘ האפס המוחלט (273- צלסיוס). כלומר בחישוב הקרינה שאנו מעניקים לשמיים לא יהיה איבר של טמפ‘ שמיים כי הוא יהיה אפס טמפ‘ קלווין. אם הוא אפס אין מה שיקזז את הפליטה שאנו מוסרים לשמיים, והאנרגיה האובדת תכלול רק את הטמפ‘ גוף שלנו במעלה הרביעית. חקלאים בלילות כאלו ייטיבו אם יכסו את הגידולים.
ההסבר לפעילות המהירה של מדחומים היא שהמדחום משתמש בקרינה שאנו פולטים לאבחן את הטמפרטורה שלנו. כל גוף, לא משנה מהו ומה הטמפ‘ שלו, פולט קרינה. אם הגוף חם יותר הקרינה שלו תהיה אנרגתית יותר ובתדר גבוה יותר. אנו כבני אדם פולטים קרינה בתחום האינפרא אדום, מה שמקל לדוגמא על זיהוי גופים אנושיים בלילה. מכשירים הקולטים קרינה מסוג זה רואים את הגופים לפי החום שלהם - צהוב ולבן עבור חם, וכחול עבור קר יותר. השמש שלנו צהובה מפני שהיא רותחת. כל כך רותחת שהיא פולטת קרינה בתחום הנגלה, ואף למעלה מזה (אולטרא סגול). דרך אגב, הטענה שלא ניתן להשתזף בתוך האוטו עם חלונות זכוכית מוגפים שגויה. ניתן, רק יותר לאט. תדרים בתחום 350 עד 400 ננומטר עדיין עוברים ללא הפרעה. בחזרה לשאלה, המדחום מבחין בתדירות הקרינה אותה אנו פולטים וקובע בדיוק ובמהירות את החום של גופנו.

?למה הציפורים עפות במבנים משולשים, ואיך זה קשור לרכיבה על אופניים

מאת: יונתן שנהב

יום חמישי 29 מרץ 2007
מדוע התנהגות הציפורים שונה מהתנהגות הדגים? איך הן יודעות לעוף בצורות מועילות? עולם החי מכיל הרבה התנהגויות שניתן לראות אותן כמופלאות ומעניינות. לפעמים לא ברורה הסיבה להתנהגות זו, ואז החוקרים נאלצים להמציא, כמעט בכוח, מודל שיסביר איך ההגיון המדעי משתלב עם האבולוציה. הטווס שמגדל את זנבו המפואר מכביד על עצמו באופן שבוודאי מקשה עליו לברוח מאויבים, הוא דוגמא טובה לכך. לא נראית שום סיבה נראית לעין ליתרון שזנב זה נותן לו, מלבד להרשים בנות זוג פוטנציאליות. אבל אם התנהגות זו הגיונית היינו מוצאים אותה שכיחה יותר, וזהו לא המצב. ישנה הטענה שמספר רב של ”עיניים“, הציורים על זנב הטווס מפחידים טורפים. בדיקה קצרה מעלה שהטורפים של הטווס הם בעיקר סוגי נמרים, בעל חיים שלא נרתע מאיורי קיר מאיימים. לשם כך החוקרים העלו את הרעיון שהנקבה מתרשמת מהעובדה שלמרות הזנב המכביד הזכר הצליח לשרוד, ולכן יש בו תכונות מובחרות אחרות, בנוסף לזנב המרשים. זהו ’עיקרון ההכבדה‘, שלי מזכיר במשהו את ההסברים המאולצים של ידעונים ואסטרולוגים למינהם כשמטיחים בהם את הכישלונות שלהם. מכאן ועד לטעון שזהו בכלל יתרון ליונקים ימיים שהם צריכים כל חמש דקות לעלות לפני המים לנשום, הדרך קצרה. הרעיון בדוגמת הטווס הוא להראות שיתכן שהטבע בוחר בדרכים עקלקלות להביא את הצאצאים של הדור הבא, ולכן מוטב להשתמש במספר דיסיפלינות של המדע ע“מ לספק את התשובות, ולא להסתפק בהסברים של הזיאולוגים. לגבי הלהקות הגדולות של הדגים שנעות כקבוצה, טוענים המדענים , שזוהי הצורה שמגנה על הדגים באופן הברור ביותר. אם כך המצב אז למה לוויתנים מרכזים קבוצות ענקיות של דגים ואז קופצים וטורפים אותם באלפים? ומה עם מיליוני הדגים שלא מתקבצים בלהקות? מה, הדולפינים שמתלפפים סביב הלהקות של הדגים כדי לרכז אותם בגוש צפוף לא מבינים מה הם עושים? הדולפינים מבינים טוב מאד, אלו בני האדם שממציאים תיאוריות משונות, העיקר שלא להשאיר סימני שאלה. מדע לא עוסק בחקר האמת, אלא במתן מודל שחוזה בצורה הטובה ביותר את התצפיות. אם היינו מגיעים לאמת, המדענים היו פורשים ולא היינו שומעים כל שני וחמישי על שינוי ועידכון ומהפיכה של הגישות בזיאולוגיה, ברפואה, בארכיאולוגיה וכו‘. אין אמת, רק תחזיות מדוייקות והסברים מנומקים. אם נחזור לדוגמא של הדגים שמגנים על עצמם, ע“מ להסביר למה להקות ברקודות נעות בגושים של מאות פרטים (ברקודה בוודאי לא זקוקה להגנה של החבורה) נוכל להשתמש במבנה הלהקה של הציפורים. וכעת אנחנו חוזרים לשאלה המקורית.ציפורים נעות במהירות גבוהה. תעופה באופן כללי, וטיסה מהירה בפרט, גוזלת הרבה אנרגיה. להניע רגל של אוגר במהירות 3 ס“מ בשניה ולעצור לשעה מנוחה במחילה זה משהו אחד, אבל בשביל ציפור נודדת להניף את הכנף מעלה ומטה לאורך 5000 קילומטר זה סיפור אחר לחלוטין. לכן ציפורים לא יכולות להסתפק בקצת עשב, הן זקוקות למזון עשיר באנרגיה (כמו דגים שמנים). לשם כך הציפורים עפות בקבוצות. אין לכך שום קשר להגנה, היות וציפורים לא זקוקות להגנה כמעט. הסיבה היא מכאנית לגמרי. בדומה למירוצי אופניים, בהם עשרה אנשים של קבוצה מסויימת מתאמנים שנה למרוץ ואז במרוץ תשעה מהם עובדים למען הרוכב הטוב מבינהם, הציפורים עובדות למען מנהיג החבורה. בגלל שיקולי שטח פנים פחות משתלם להיות מוביל החבורה, הנהג בקידמה, וזאת מסיבה ברורה - החיכוך גדול יותר עם האוויר. למעשה, הציפורים מחליפות מוביל כל פרק זמן באותו אופן שרוכבי האופניים מתחלפים בהובלה. המבנה האופטימאלי הוא משולש חד זווית, וככל שהזווית חדה יותר היתרון גדול יותר (כשטור אנכי לתנועה הוא כמובן הצורה האופטימאלית). הסיבה שהמשולש שיוצרות הציפורים אינו חד מאד היא כדי למנוע את הצורך של הציפור שכעת תורה להוביל להאיץ הרבה בניסיון להגיע להובלה. כל נהג מכונית יודע שההאצה היא שגוזלת את רוב הדלק ולא נסיעה במהירות קבועה. יתכן גם שמבנה רחב מרגיש יותר תרמיקות שעוזרות לציפורים להתרומם ולהשקיע פחות אנרגיה בתעופה (המבנה מכסה שטח רחב יותר). תרמיקה היא תופעה מטרולוגית, ומשמעותה אוויר חם (תרמי) שעולה למעלה, ניתן לתאר תרמיקה גם כרוח בזרימה אנכית כלפי מעלה.

?כיצד ניתן לשבור כוס בעזרת הקול בלבד

?כיצד ניתן לשבור כוס בעזרת הקול בלבד

מאת: יונתן שנהב
יום רביעי 28 מרץ

בניגוד למה שמקובל לחשוב זה כמעט בלתי אפשרי. ישנן כוסות יין עדינות במיוחד שאם מעבירים עליהן את האצבע בסיבוב והאצבע רטובה שומעים קול שהולך ומתחזק. קול זה הוא הקול הפועל בתדירות הרסוננס של הכוס הספציפית הזו. מהו רזוננס? בפיזיקה רזוננס - לקוח מוויקיפדיה - (תהודה בעברית) ”הוא הנטיה של מערכת לבצע אוסילציות (תנודות) באמפליטודה מקסימאלית בתדירות מסויימת. תדירות זו נקראת התדירות העצמית , או התדירות הטיבעית, של אותו חפץ ספציפי“. דוגמא לתהודה היא בניין הפאר ”וורסאי“ שקרס תחת המבלים בחתונה. הרוקדים רקעו בריצפה בכוח רב ובמהירות מסויימת. יותר נכון יהיה לומר בתדירות רקיעה מסויימת, והיה זה חוסר המזל שלהם שתדירות זו היתה זהה או קרובה מאד לתדירות העצמית של הריצפה (לא ניכנס להגדרות של תדירות עצמית עבור קליפות ולוחות דקים כמו ריצפה). הריצפה לא קרסה בגלל עומס סטנדרטי. אולמי ”וורסאי“ עמדו בתקן של העומס המקסימאלי המותר של 2000 ק“ג למטר עבור אולמות אירועים. עומס זה הוא עומס סטטי, בניגוד לעומס דינאמי שהופעל במקרה של ”וורסאי“. הריצפה החלה לקבל צורה של גל (באורך גל קבוע ) וכשהמשיכו הרקיעות בתדירות זו האמפליטודה, כלומר גובה התרוממות וירידת הריצפה, החלו לגדול, הריצפה נכנעה והשאר היסטוריה. צריך לציין שהורדת עמודי ביטחון (העמודים שתקועים לנו ישר באמצע הדירה) אמורים לשבש את היווצרות תופעה זו (ולתת חוזק לקריסה ). אז למה נשברת הכוס? הכוס, כמו כל דבר שנשבר, יכול לעמוד בעומס דינאמי מסויים. העומס שמציב קול של צעקה לא מדגדג את הכוס. גם אם פלוגת גולני בסוף מסע תצרח שבעים פעמים קריאות גנאי לחיזבאלה במרחק 10 ס“מ מכוס, הכוס תחייך ולא תישבר. הפואנטה היא להרים את הקול לתדירות מאד גבוהה, מאד מדוייקת ומסויימת, והעיקר לא לסטות ממנה לאורך זמן. לאחר שיטוט ממושך באינטרנט מצאתי עדויות על זמרי אופרה שיודעים לשמור על קול מכוון היטב לאורך זמן. אחת מהן נצפתה שוברת כוס יין, ולפי הנוכחים הכוס הפכה לקונוס למשך מספר שניות לפני השבירה! לא הייתי חותם על זה, אבל מכונת סאונד בהחלט תגרום לאפקטים מענינים בזכוכית דקה, היות ולזכוכית יש מבנה אמורפי. לחומרים בעלי מבנה אמורפי יש יכולת להתעוות (כך ניתן לנפח אותם בקלות) בלי להישבר. ידוע על גשר בארה“ב, שרוחות הביאו אותו למבנה של חצי עיגול בלי להישבר, לפחות לזמן של מספר שעות. הגשר התנהג כאליו שהיה עשוי מגומי. עשרות מדענים באו לצפות במחזה המרהיב, במה שלאחר מכן שימש להבנה טובה יותר של קריסת לוחות במצב של רזוננס.

מזגן המפר חוק שימור

?איך יכול להיות שמזגן מוציא 3 וואט על כל וואט שמושקע בו

?האם זו לא הפרת חוק שימור האנרגיה

מאת: יונתן שנהב

יום שני 26 מרץ 2007

כל מזגן (חיצוני ולא מרכזי) מכיל ארבעה רכיבים: מדחס, מעבה (שם הטמפ‘ בד“כ מעל 70 מעלות), שסתום התפשטות (מפיל את הלחץ) ומאייד (שם הטמפ‘ בערך 4 מעלות). הקרר נדחס במדחס, מתעבה במעבה, נופל בלחץ בשסתום ההתפשטות ואז מתאייד במאייד.בחורף, כשרוצים אוויר חם המזגן מפעיל את המאוורר ליד המעבה והאוויר נכנס לחדר חם. בקיץ הוא מפעיל את המאוורר ליד המאייד הקר והאוויר מתקרר ונכנס לבית קר. מזגנים מודרניים עובדים בתצורה הנקראת משאבת חום. משאבת חום היא מכונה סופר יעילה שיכולה להוציא אוויר או קר עם אותם רכיבים, וכל זאת על ידי החלפת כיוון המחזור .התרמודינאמי
כעת לשאלה. בסליל חימום רגיל (סליל להט רגיל שמייצר חום) אנו משקיעים אנרגיה בצורת זרם חשמלי שיוצר חום של חיכוך , בגלל שישנה התנגדות של מתכת למעבר הזרם בה.המולקולות של המתכת מפריעות לאלקטרונים לזרום באופן חלק ונוצר חום. זהו המנגנון הפרימיטיבי ביותר של יצירת חום, ובו מקדם היעילות הוא 1. על כל וואט מושקע נקבל 1 וואט של חימום. לעומת זאת במשאבת חום אנו נשקיע אנרגיה בדחיסה בלבד. המאייד הקפוא (בתוכו זורם גז ב 4 מעלות צלסיוס) היושב בחוץ (בחורף) קולט חום מהסביבה, בתנאי שהיא בטמפ‘ גבוהה מ 4 מעלות, ומאייד את הקרר. כלומר מתבצעת פעולה הפוכה של שאיבת חום מסביבה קרה! על ידי פעולה זו הצלחנו להרוויח חום מבחוץ, פעולה שאינטואיטיבית היא לא הגיונית. לאחר העלאת הלחץ של הגז במדחס, המזגן הביתי שלנו מוכן לשחרר את החום שנאגר בו אל הסלון. ז"א כל עוד אספנו יותר חום בחוץ מאשר השקענו בדחיסה הרווחנו אנרגיה. כלומר, הפואנטה של משאבת חום היא לאסוף את החום מבחוץ ולא לייצר אותו. לפי החוק הישראלי מקדם היעילות המינימאלי עבור מזגנים ביתיים הוא 3. למעשה אין הגבלה תיאורטית מלבד הכדאיות של חברות המזגנים בהשקעה על מחקר של קררים חדשים
יעילות מופלאה זו מקורה בחומרים המיוחדים המשמשים את המזגנים. הדרישה מקרר היא שיהיה נדיף בטמפ‘ גבוהה ככל האפשר, כך שיוכל לקלוט חום רב ככל האפשר לפני האיוד, אבל באותו זמן שנצטרך להשקיע כמה שפחות אנרגיה בדחיסה. חום זה יבוא מהחדר אותו אנו מעוניינים לקרר והוא כאמור יאייד את הקרר בצינורות המזגן

בריחת גזים מקולה

בקבוק קולה מכיל גזים בתוך הנוזל. האם לחיצה על הבקבוק לפני הסגירה של הפקק תקטין את כמות בריחת הגזים ממנו

מאת: יונתן שנהב

יום רביעי 28 מרץ 2007
? האם ניתן, בצורה פשוטה, להקטין את כמות הגזים שבורחת מבקבוק קולה
בזמן שהבקבוק סגור הגז בתוך הנוזל נמצא בשיווי משקל עם הגז בבקבוק. שיווי משקל אינו פירושו שאין גזים יוצאים מהנוזל, אלא שכמות הגז שיוצאת שווה בדיוק לזו הנכנסת חזרה. ניתן להבין זאת אם רואים את המערכת של הנוזל והגז כמערכת אחת גדולה. אין שום סיבה שיהיה יותר גז בפאזה הגאזית מאשר בזו של הנוזל. מצב זה יהיה לא יציב תרמודינאמית. לכן תתבצע השוואת ריכוזים ע“י יציאת הגז לאוויר. החוק השני של התרמודינמיקה מסביר שכל מערכת שואפת לעלות ברמת האנטרופיה שלה, או להקטין את כמות הסדר שבה. צפיפות גז גדולה במקום אחד במערכת וקטנה במקום אחר מגדירה מצב של סדר יתר. ע“י עירבוב של הגז באופן הומוגני, הריכוז משתווה. כשאנחנו פותחים את הבקבוק שיווי משקל זה מופר, והוא ישוב למצב שו“מ לאחר סגירה שניה של הפקק כעבור זמן. אולם בכך כמות של גז כבר עזבה את הבקבוק. כך, כמות הפחמן הדו חמצני בפאזה הגאזית נשמרת זהה (בסוף השיווי משקל). ע“י כיווץ של הבקבוק אנו מקטינים את כמות הפחמן הדו חמצני שיכולה לצאת מהנוזל (בגלל חוסר מקום פיזי) , אבל תוך כדי היציאה של הגז מהנוזל, הלחץ שלו ינפח בהדרגתיות את דפנות הבקבוק ויגדיל בהדרגה את ניפחו חזרה. למעשה ביצענו את המטרה ההפוכה: במצב יציב ראשוני הלחץ מעל הנוזל מכיל מולקולות אוויר ופחמן דו חמצני. אם שאבנו את האוויר בלחיצה הראשונית, הלחץ כולו יהיה (בסופו של דבר) 100 אחוז פחמן דו חמצני ולכן למעשה הרשינו ליותר גז לצאת מאשר היה יוצא לולא התערבנו בתהליך.לכן אם נירצה להקטין את בריחת הגז ניאלץ להעביר בזהירות את המשקה לבקבוק קטן יותר, או להמשיך ולהחזיק את דפנות הבקבוק מכווצות.מילה אחרונה לגבי החוק השני של התרמודינמיקה. רבים חושבים שזוהי איזשהי גזירה משמיים, כמו חוקים רבים אחרים. לעולם הכח יהיה שווה למכפלת המאסה בתאוצה. אולם החוק השני אינו שרירותי כלל, אלא פונ‘ הסתברותית בלבד. יש סיכוי ממשי שכל הריח מהבושם ששמנו יתרכז בפינה של החדר ולא יזוז משם. אין שום חוק שקובע שהוא ישווה ריכוזים, כמו שאין שום חוק שקובע שאחרי שישה מיליון זריקות קוביה המספר חמש יצא מיליון פעמים. רק ההסתברות קובעת כך.

חימום מים בסיר ובים המלח

מאת: יונתן שנהב
יום שלישי 27 מרץ 2007

מדוע חימום מים והרתחתם במקום עם לחץ גבוה (ים המלח לדוגמא) דורש פחות אנרגיה מאשר בלחץ נמוך, בניגוד לדעה הרווחת

ושאלה נוספת באותו נושא - למה כשמרתיחים מים יש מעט אדים מעל הסיר, אבל ברגע שמכבים את האש נהיים הרבה יותר אדים

תשובה לשאלה הראשונה: רוב החומרים שאנו משתמשים בהם ביומיום ( גזים באטמוספירה, מים וקררים במזגנים) מתנהגים בצורה זו. הדיאגרמות הבסיסיות של התרמודינמיקה ניתנות כעקומות בצורת פעמון. במקרה של גרף של לחץ כפונ‘ של אנטלפיה (אנרגיה פנימית) , גרף H-P , ניתן לראות בבירור שעל כל עליה בלחץ האנרגיה בין גז ונוזל קטנה, כלומר דרוש פחות חום להשקיע לאייד החומר. ניתן היה לצפות שהרתחת מים במקום בעל לחץ גבוה יותר ( ואשר בו טמפ‘ גבוהה יותר) תדרוש יותר אנרגיה מכיוון שהחומר דורש הרתחה בטמפרטורה גבוהה יותר. בנוסף חומר מעורר תרמית יקשה יותר על חימום נוסף (מעבר חום תלוי ביחס ישר בהפרש טמפרטורה בין הנותן והמקבל). ניתן לחשוב על כך במונחים של טעינת קבל. כאשר הפרש המתחים בין מקור ההטענה והקבל גבוה (בהתחלה) הטעינה מהירה, והיא הולכת ופוחתת עם הזמן, תוך הקטנת הפרש המתחים. אם נחזור לדוגמא של הרתיחה, כאשר המולקולות של המים בטמפ‘ גבוהה יותר ישנו ביזבוז גדול יותר של אנרגיה בזמן החימום בגלל סירובן של המולקולות לקבל עוד חום (קצב מעבר החום פוחת ולכן נידרשת השקעת חום לאורך זמן רב יותר). עבור המים מתרחשים שני תהליכים הפוכים זה לזה. הראשון הוא פעולת הדחיסה. הדחיסה מעלה את הלחץ ומנסה לקרב את מולקולות המים זו לזו, מה שיקשה על ההרתחה. על מנת להרתיח את החומר נאלץ להשקיע עבודה נוספת בהרחקת המולקולות (עבודה שווה למכפלת הלחץ המופעל בנפח שעליו מופעלת העבודה). אבל מים במצב רווי אינם דחיסים. לעומת זאת, הדחיסה העלתה את הטמפרטורה של המים, והקלה עליהם להתאייד. וכך ככל שעולה הלחץ כמות האנרגיה שנדרשת להשקיע (לאחר הדחיסה) יורדת. כמובן שהטריק נעוץ בכך שכבר השקענו כמות גדולה של אנרגיה בלהביא את החומר ללחץ גבוה

למה כשמרתיחים מים יש מעט אדים מעל הסיר, אבל ברגע שמכבים את האש נהיים הרבה יותר אדים

בזמן שהגז מופעל חום נכנס דרך הסיר אל המים ומאייד אותם. המולקולות האנרגתיות ביותר בשיכבה העליונה עוזבות את הנוזל והופכות לגז. מדוע מים מתאיידים לאורך התהליך למרות שהם לא הגיעו למאה מעלות? המים הנוזליים מרגישים לחץ של אטמוספירה אחת דוחף אותם מלמטה. הלחץ מעליהם הוא גם אטמ‘ אחת, אבל הלחץ החלקי של המים באוויר נמוך מאטמ‘ אחת ולכן הם מתאיידים. חום עוזב את המים ועולה למעלה כאוויר חם. חום זה נכנס בחלקו אל אדי המים שהתאיידו ומשחין אותם. השחנה פירושה העלאת הטמפרטורה של מים (או כל חומר אחר) לאחר שאלו עברו לפאזת גז. מכיוון שהם באוויר פתוח הם לא יכולים לעלות בלחץ. עד האיוד המוחלט מים בלחץ אטמ‘ לא יעברו 100 מעלות צלסיוס, אולם כגז הם יכולים להגיע לטמפ‘ גבוהה בהרבה, ולשמור על לחץ אטמ‘. כשזה קורה (כתוצאה מהחום שנספג במים) הם נהיים שחונים ומולקולות הגז מתרחקות אחת מהשניה, וזה נראה כאילו יש מעט אדים. אולם לאחר כיבוי האש לא נותר עוד מקור חום והמים שמתאיידים - מתעבים חזרה באוויר. יותר נכון לומר שהם חוזרים למצב רווי. במצב זה רואים את מולקולות המים בבירור. דוגמא לאדים לא שקופים ניתן לראות בבקרים קרים ולחים, כאשר לחות מרחפת על פני הקרקע בגובה מספר מטרים. אלו הם אדי מים על סף העיבוי.נקודה נוספת לגבי הרתחה של מים. הסיבה שמים בקומקום עושים הרבה רעש תוך כדי הרתחה אבל נהיים שקטים כשהם מגיעים לרתיחה היא שהבועות במהלך הרתיחה מתפוצצות מהלחץ הגדול שהן שרויות בו. הלחץ בתוך הבועה נמוך בגלל הטמפ‘ הנמוכה של המים. אבל כשכל המים רותחים (כשהגענו ל 100 מעלות) הלחץ בבועה מספיק חזק להחזיק את המסע למעלה עד לפני הנוזל והיא מתפוצצת בעדינות באוויר. ואם בבועות עסקינן נוסיף ונאמר כי בועות מתפוצצות באוויר ללא סיבה נראית לעין בגלל כח המשיכה. הנוזל בחלק העליון של הבועה רוצה לגלוש למטה. הקרום אז נהיה דק והבועה לא יכולה לתמוך בלחץ המופעל עליה מהסביבה.