בהתחלה הוא מסתובב במהירות. אחרי כמה שניות הוא מתחיל להאט, ולבסוף נעצר.
אבל למה הוא בכלל ממשיך להסתובב אחרי שהאצבע שלנו כבר לא נוגעת בו?
ומה גורם לספינר אחד להסתובב 20 שניות ולספינר אחר דקה או אפילו יותר?
מאחורי הצעצוע הפשוט הזה מסתתרת לא מעט פיזיקה: חיכוך, מיסבים, מומנט, תנועה סיבובית, מומנט התמד ותנע זוויתי.
שאלו את התלמידים:
מה לדעתכם החלק החשוב ביותר בספינר – הזרועות, המשקולות או דווקא החלק הקטן שבמרכז?
קצת היסטוריה – הספינר שכמעט הופיע משום מקום
בשנת 2017 הפידג'ט ספינר הפך בתוך זמן קצר לאחד הצעצועים המדוברים בעולם. ילדים התחילו לאסוף ספינרים, להתחרות בזמן הסיבוב ולעשות איתם תרגילים.
בסיפור המקורי של המערך מופיעה קתרין הטינגר כממציאת הספינר. הטינגר אכן רשמה בשנות ה־90 פטנט על צעצוע מסתובב ידני, והפטנט פקע לאחר שלא חודש. היא גם סיפרה שפיתחה את הרעיון בזמן שחיפשה משחק שתוכל לעשות עם בתה בתקופה שבה סבלה מחולשת שרירים. עם זאת, העיצוב שלה היה שונה מהפידג'ט ספינר מבוסס־המיסב שהפך ללהיט ב־2017, ולכן נכון יותר לומר שהיא הייתה אחת החלוצות של צעצועים מסתובבים מהסוג הזה, ולא לקבוע בוודאות שהיא המציאה את הספינר המודרני.
למה קראו לו Fidget Spinner?
המילה Fidget באנגלית מתארת תנועות קטנות שאנשים עושים לעיתים כשהם יושבים: מזיזים רגל, מקישים בעט, משחקים במפתח, מקפיצים אצבעות או מסובבים חפץ ביד.
לכן הספינר שווק בתחילת הפופולריות שלו גם כצעצוע שאמור לתת לידיים משהו לעשות.
היו גם טענות שהוא עוזר לריכוז, במיוחד לאנשים עם הפרעת קשב וריכוז. כאן חשוב להיות מדויקים: אין בסיס טוב להציג ספינר כטיפול רפואי. במחקר שנעשה בילדים צעירים עם ADHD נמצא שהשימוש בפידג'ט ספינר היה קשור דווקא לירידה בקשב בזמן הפעילות. מחקרים אחרים על עצם ההתעסקות והתנועה – fidgeting, ולאו דווקא על ספינר, מצביעים על תמונה מורכבת יותר.
לכן בשיעור שלנו הספינר הוא קודם כול מעבדה קטנה לפיזיקה.
החלק הסודי של הספינר – המיסב
אם מפרקים ספינר ומסתכלים במרכזו, נמצא בדרך כלל מיסב כדורי – Ball Bearing.
זהו למעשה החלק החשוב ביותר בספינר.
המיסב בנוי בדרך כלל מטבעת פנימית, טבעת חיצונית וכדורים קטנים שנעים ביניהן.
כאשר מחזיקים את הטבעת הפנימית, הטבעת החיצונית והספינר כולו יכולים להסתובב סביבה.
למה צריך כדורים?
נסו לדמיין שאתם רוצים להזיז ארון כבד על הרצפה.
אם פשוט דוחפים אותו – הוא מחליק על הרצפה ונוצר חיכוך החלקה גדול.
אבל אם היינו מניחים מתחתיו גלילים, היה הרבה יותר קל להזיז אותו.
המיסב משתמש בעיקרון דומה.
במקום ששני משטחי מתכת יחליקו אחד על השני, הכדורים מתגלגלים ביניהם. מיסבים מתגלגלים מיועדים לאפשר לצירים ולחלקים מסתובבים לנוע בחיכוך נמוך יחסית, וכך לאפשר מהירויות סיבוב גבוהות יותר ופחות אובדן אנרגיה.
מהו חיכוך?
חיכוך הוא כוח שמתנגד לתנועה בין משטחים.
אם נחליק ספר על שולחן – הוא יאט וייעצר.
למה?
מפני שהחיכוך בין הספר לשולחן מוציא בהדרגה אנרגיה מהתנועה והופך חלק ממנה בעיקר לחום.
גם הספינר היה נעצר כמעט מיד אילו חלקי המרכז שלו היו מתחככים ישירות זה בזה.
המיסב מקטין מאוד את ההתנגדות הזו – אבל הוא לא מבטל אותה לחלוטין.
גם במיסב טוב קיימים חיכוך בגלגול, מעט החלקה, חיכוך בחומר הסיכה ולעיתים חיכוך באטמים.
לכן שום ספינר אינו יכול להסתובב לנצח.
אז למה הספינר בסופו של דבר נעצר?
אפילו אם המיסב מצוין, הספינר מאבד אנרגיה כל הזמן.
חלק מהאנרגיה אובד בגלל החיכוך בתוך המיסב.
חלק נוסף אובד בגלל התנגדות האוויר שפועל נגד הזרועות בזמן שהן מסתובבות.
יש גם רעידות קטנות, עיוותים וחיכוכים נוספים.
לכן בכל סיבוב נשארת מעט פחות אנרגיית תנועה מהסיבוב הקודם.
הספינר מאט... מאט... ובסוף נעצר.
אפשר להציג לתלמידים את השאלה:
אם היינו יכולים לבנות מיסב ללא חיכוך בכלל ולשים את הספינר במקום ללא אוויר – כמה זמן הוא היה מסתובב?
התשובה המעניינת היא שבהיעדר כוחות שמאטים אותו, הוא היה ממשיך בתנועה. זה מתחבר ישירות לרעיון של התמדה.
מסיבוב לתנועה סיבובית
כשאנחנו דוחפים מכונית צעצוע, אנחנו גורמים לה לנוע בקו.
אבל הספינר אינו נוסע קדימה – הוא מסתובב סביב ציר.
לכן אנחנו מדברים כאן על תנועה סיבובית.
המרכז כמעט אינו משנה מקום.
אבל ככל שמתרחקים מהמרכז, כל נקודה בספינר עוברת מסלול מעגלי גדול יותר.
זו הסיבה שקצה הזרוע יכול לנוע במהירות גבוהה מאוד גם כשהמרכז עצמו נשאר כמעט במקום.
איך האצבע שלנו מתחילה את הסיבוב?
כשאנחנו נותנים מכה קטנה לזרוע של הספינר, אנחנו מפעילים עליה כוח.
אבל לא כל כוח יגרום לסיבוב.
אם נדחוף בדיוק לכיוון מרכז הספינר, נקבל מעט מאוד סיבוב.
אם נפעיל כוח בצד, בכיוון כמעט משיק למסלול המעגלי, הספינר יתחיל להסתובב.
היכולת של כוח לגרום לסיבוב נקראת מומנט – Torque.
אפשר לחשוב על זה בעזרת דלת:
קל יותר לפתוח דלת כאשר דוחפים ליד הידית, הרחק מהצירים.
קשה הרבה יותר לפתוח אותה כאשר דוחפים ממש ליד הציר.
אותו רעיון קיים בספינר.
לכן אנחנו נותנים את ה"מכה" בקצה הזרוע ולא ליד המרכז.
למה שמים משקולות בקצוות?
כאן מגיע אחד החלקים המעניינים ביותר.
בספינרים רבים יש מסה משמעותית בקצות הזרועות.
זה לא במקרה.
בתנועה סיבובית לא חשוב רק כמה מסה יש לגוף, אלא גם איפה המסה נמצאת ביחס לציר הסיבוב.
לרעיון הזה קוראים:
מומנט התמד – Moment of Inertia
אפשר לתאר אותו כ"מידת ההתנגדות של גוף לשינוי במהירות הסיבוב שלו".
כאשר יותר מהמסה נמצאת רחוק מציר הסיבוב, מומנט ההתמד גדול יותר.
נסו לדמיין שני ספינרים בעלי אותה מסה:
בספינר הראשון רוב המסה נמצאת קרוב למרכז.
בשני אותה מסה נמצאת בקצות הזרועות.
השני יהיה בדרך כלל קשה יותר להאיץ ולהאט, מפני שמומנט ההתמד שלו גדול יותר.
אבל האם ספינר כבד תמיד מסתובב יותר זמן?
לא בהכרח.
אם תנאי המיסב והחיכוך דומים, הגדלת מומנט ההתמד יכולה לגרום לכך שאותו מומנט חיכוך ישנה את מהירות הסיבוב לאט יותר.
אבל הוספת מסה יכולה גם לשנות את העומס על המיסב ואת החיכוך.
לכן בפועל זמן הסיבוב תלוי בכמה דברים יחד:
מומנט ההתמד, איכות המיסב, החיכוך, התנגדות האוויר, האיזון ומהירות הסיבוב ההתחלתית.
וזה מצוין עבורנו – כי במקום לתת לתלמידים תשובה, אפשר לבדוק אותה בניסוי.
למה כל הזרועות צריכות להיות מאוזנות?
דמיינו ספינר בעל שלוש זרועות.
אם בכל שלוש הזרועות יש מסה דומה ובאותו מרחק מהמרכז, מרכז המסה של הספינר נמצא קרוב מאוד לציר.
הספינר יסתובב בצורה חלקה.
אבל עכשיו דמיינו שהדבקנו משקולת כבדה רק על זרוע אחת.
מרכז המסה כבר אינו נמצא בדיוק במרכז.
כשהספינר מסתובב, הצד הכבד מושך יותר לכיוון אחד בכל רגע.
התוצאה יכולה להיות:
רעידות, תנודות, יותר עומס על המיסב ואובדן אנרגיה מהיר יותר.
לכן איזון הוא חלק חשוב מאוד בתכנון של כל מערכת מסתובבת.
אותו עיקרון חשוב בגלגלי מכונית, מנועים, מדחפים, מאווררים, טורבינות ואפילו במכונות כביסה.
תנע זוויתי – למה הספינר "רוצה" להמשיך להסתובב?
כאשר גוף מסתובב יש לו גודל פיזיקלי שנקרא תנע זוויתי – Angular Momentum.
אין צורך להיכנס עם התלמידים לנוסחאות מורכבות.
אפשר לומר בפשטות:
ככל שגוף מסתובב מהר יותר וככל שמומנט ההתמד שלו גדול יותר, קשה יותר לשנות את מצב הסיבוב שלו.
לכן ספינר שכבר מסתובב במהירות מרגיש כאילו הוא "רוצה" להמשיך להסתובב באותו אופן.
אבל חשוב לדייק:
הוא לא באמת "רוצה" שום דבר.
הוא פשוט מציית לחוקי התנועה.
ניסוי קטן – נסו להזיז ספינר מסתובב
סובבו את הספינר במהירות כאשר אתם מחזיקים אותו בין שתי אצבעות.
עכשיו נסו להטות אותו בעדינות ימינה ושמאלה.
השוו את התחושה למצב שבו הספינר אינו מסתובב.
כאשר הוא מסתובב במהירות, אפשר להרגיש שהוא מתנגד במידה מסוימת לשינוי כיוון ציר הסיבוב שלו.
זוהי המחשה פשוטה להתנהגות הקשורה לתנע הזוויתי ולאפקט הג'ירוסקופי.
אותם עקרונות מופיעים גם בגלגל אופניים מסתובב, סביבון וג'ירוסקופ.
אנרגיה – מאיפה מגיע הסיבוב?
גם כאן אין אנרגיה בחינם.
בהתחלה האצבע שלנו מפעילה כוח על הספינר.
אנרגיה כימית מהשרירים שלנו הופכת לתנועת האצבע.
האצבע מפעילה מומנט על הספינר.
והספינר מקבל אנרגיית תנועה סיבובית.
לאחר מכן החיכוך והתנגדות האוויר הופכים בהדרגה חלק מהאנרגיה הזאת לצורות אחרות, בעיקר לחום זעיר ולתנועת האוויר.
לכן מהירות הספינר יורדת.
ניסוי 1 – איזה ספינר מסתובב הכי הרבה זמן?
קחו מספר ספינרים שונים.
סובבו כל אחד בצורה דומה ומדדו בעזרת סטופר כמה זמן הוא ממשיך להסתובב.
אבל כאן מגיעה החשיבה המדעית:
אם אנחנו רוצים השוואה הוגנת, צריך לשנות רק משתנה אחד בכל פעם.
לדוגמה, אם אנחנו בודקים מיסבים – כדאי שהספינרים יהיו דומים ככל האפשר בשאר התכונות.
ניסוי 2 – מה קורה כשמשנים את מיקום המשקל?
אם מבנה הערכה מאפשר זאת, נסו לבדוק שתי תצורות:
משקולות קרובות יותר למרכז.
ומשקולות רחוקות יותר מהמרכז.
לפני הניסוי בקשו מהתלמידים לנבא:
באיזה מצב יהיה קל יותר להתחיל לסובב?
באיזה מצב יהיה קשה יותר לשנות את מהירות הסיבוב?
כאן אנחנו בודקים למעשה את השפעת מומנט ההתמד.
ניסוי 3 – מה קורה כשהספינר אינו מאוזן?
הוסיפו, אם אפשר ובצורה בטוחה, מסה קטנה לזרוע אחת בלבד.
סובבו שוב.
האם הסיבוב חלק?
האם מרגישים רעידות?
האם זמן הסיבוב השתנה?
עכשיו הסירו את המסה והחזירו את האיזון.
הניסוי מאפשר לתלמידים ממש להרגיש בידיים למה איזון חשוב במערכת מסתובבת.
ניסוי 4 – המיסב הוא המלך
אפשר להראות לתלמידים מיסב בנפרד.
החזיקו את הטבעת הפנימית וסובבו את החיצונית.
שאלו:
איפה נמצאים הכדורים?
למה הם קיימים?
מה לדעתכם יקרה אם לכלוך או חול ייכנסו פנימה?
לכלוך יכול להגדיל את ההתנגדות לתנועה ולפגוע בחלקות הסיבוב.
זו גם הסיבה שאיכות המיסב משפיעה מאוד על פעולת הספינר.
איפה עוד מסתתרים מיסבים?
הספינר הוא רק דוגמה קטנה.
מיסבים נמצאים כמעט בכל מכונה שבה משהו מסתובב:
אופניים, סקייטבורד, מנועים חשמליים, מאווררים, גלגלים, מכונות תעשייתיות, כלי עבודה, רכבים ועוד.
כלומר, החלק הקטן שנמצא במרכז הצעצוע שלנו הוא למעשה רכיב הנדסי חשוב מאוד בעולם האמיתי.
המיסב – החיכוך – המשקולות.
אחרי הסרטון שאלו:
מה לדעתכם משפיע יותר על זמן הסיבוב – המשקל או המיסב?
אין צורך לתת תשובה מיד.
אפשר לבדוק.
בניית הספינר
[להשאיר כאן את הוראות הבנייה/הדגם של הערכה]
לפני שמרכיבים, הציגו לתלמידים את החלקים ושאלו אותם מה לדעתם תפקידו של כל חלק.
במהלך הבנייה יש לשים לב במיוחד לכך שהמיסב יושב ישר במרכז, שהחלקים אינם לוחצים עליו בצורה שמונעת ממנו להסתובב, ושהזרועות והמשקולות מותקנות באופן סימטרי ככל האפשר.
לאחר הבנייה אין להסתפק ב"הוא עובד".
אנחנו הופכים אותו לניסוי מדעי.
פעילות סיום – מעבדת הספינרים
לאחר שכל התלמידים בנו את הספינר, בצעו חקר קצר:
מדדו את זמן הסיבוב הראשון ורשמו אותו.
בצעו שלוש מדידות וחשבו אם התוצאות דומות.
השוו בין ספינרים שונים וחפשו הבדלים.
בדקו האם ספינר מאוזן מסתובב בצורה חלקה יותר מספינר שאינו מאוזן.
נסו להסביר אילו כוחות גורמים בסופו של דבר לספינר לעצור.
אתגר: מצאו שינוי אחד שאתם חושבים שיגרום לספינר להסתובב זמן רב יותר, בצעו אותו ובדקו האם ההשערה שלכם הייתה נכונה.
שאלת האתגר האחרונה
תנו לספינר סיבוב אחד טוב ושאלו:
האצבע שלי כבר לא נוגעת בו. אז מה גורם לו להמשיך להסתובב – ומה בסופו של דבר גורם לו לעצור?
התשובה שהתלמידים אמורים להגיע אליה היא:
האצבע נתנה לספינר אנרגיית תנועה ותנע זוויתי. בגלל החיכוך הנמוך במיסב הוא מסוגל לשמור על הסיבוב זמן רב יחסית. אבל החיכוך והתנגדות האוויר מוציאים בהדרגה אנרגיה מהתנועה – ולכן בסופו של דבר הוא נעצר.
וזה בעצם מה שהופך את הספינר לצעצוע כל כך מוצלח לשיעור בפיזיקה:
בכף יד אחת יש לנו מיסב, חיכוך, מומנט, מומנט התמד, תנע זוויתי, איזון ואנרגיה.
הארה בפייסבוק
