ספינת קטמרן – איך ספינה קלה נשארת מעל המים?
בפעילות נבנה קטמרן – כלי שיט בעל שני גופי ציפה צרים ונפרדים, המחוברים ביניהם במסגרת קלה.
במהלך הפעילות נחקור כמה שאלות מעניינות:
איך גוף נשאר על פני המים?
למה חלק מהדברים צפים ואחרים שוקעים?
מהו מתח הפנים של המים?
מדוע לקטמרן יש דווקא שני גופי ציפה צרים?
ואיך המפרש משתמש ברוח כדי לגרום לסירה לנוע?
מתח הפנים של המים
מים אולי נראים לנו כמו חומר שקל מאוד לחדור דרכו, אבל על פני המים מתרחשת תופעה מיוחדת שנקראת:
מתח פנים.
מולקולות המים מושכות זו את זו.
מולקולה שנמצאת עמוק בתוך המים מוקפת במולקולות אחרות מכל הכיוונים, ולכן הכוחות הפועלים עליה כמעט מאוזנים.
אבל מולקולות שנמצאות ממש על פני המים אינן מוקפות במים מכל הצדדים.
כתוצאה מכך הן נמשכות חזק יותר זו אל זו ולכיוון פנים הנוזל.
כך נוצר על פני המים מעין "קרום" דק וגמיש.
זה לא באמת קרום שאפשר להרים ביד – אלא תוצאה של הכוחות בין מולקולות המים.
אפשר לראות את השפעת מתח הפנים כאשר:
-
חרק מים מצליח לעמוד על פני המים.
-
טיפות מים מקבלות צורה כמעט עגולה.
-
מחט או אטב מתכת יכולים להישאר על פני המים אם מניחים אותם בזהירות רבה.
אם שוברים את מתח הפנים, לדוגמה באמצעות סבון, ההתנהגות של פני המים משתנה.
האם מתח הפנים הוא מה שמחזיק את הקטמרן?
מתח הפנים הוא תופעה חשובה שאותה אנחנו רוצים להכיר בניסוי, אבל בקטמרן שלנו יש גורם נוסף ומשמעותי מאוד:
כוח הציפה
כאשר גוף נמצא בתוך מים, הוא דוחק חלק מהמים ממקומם.
המים מפעילים על הגוף כוח כלפי מעלה.
לכוח הזה קוראים:
כוח הציפה.
כאשר כוח הציפה מצליח לאזן את משקל הסירה, הסירה נשארת על פני המים.
לכן בקטמרן שלנו אנחנו רוצים ליצור מבנה שהוא:
קל יחסית – אבל תופס נפח ושטח גדולים.
קל משקל על שטח גדול
זה אחד הרעיונות החשובים ביותר בקטמרן שלנו.
המסגרת של הסירה קלה מאוד.
שני גופי הציפה עשויים מחומר קל ונמצאים במרחק זה מזה.
במקום לרכז את כל המשקל בנקודה קטנה, אנחנו מחלקים אותו על מבנה רחב.
אפשר לחשוב על זה כך:
אם נעמוד על שלג עם נעל רגילה – הרגל עלולה לשקוע.
אבל אם נשתמש בנעלי שלג רחבות, אותו משקל מתחלק על שטח גדול יותר.
גם בקטמרן:
משקל קטן + בסיס רחב + גופי ציפה = סירה יציבה שיכולה להישאר מעל המים.
למה יש לקטמרן שני גופי ציפה?
סירה רגילה בדרך כלל משתמשת בגוף מרכזי אחד.
לקטמרן יש:
שני גופי ציפה נפרדים.
לכך יש כמה יתרונות.
ראשית, הם יוצרים בסיס רחב.
ככל שנקודות התמיכה רחוקות יותר זו מזו, קשה יותר לסירה להתהפך לצדדים.
לכן קטמרן יכול להיות יציב מאוד גם בלי גוף רחב אחד במרכז.
שנית, שני גופי הציפה מחלקים ביניהם את משקל הסירה.
כל אחד מהם דוחה חלק מהמים ועוזר ליצור את כוח הציפה הדרוש.
למה גופי הציפה צרים?
אם בסיס רחב נותן יציבות, אפשר לשאול:
למה לא ליצור פשוט שני גופים ענקיים ורחבים?
מפני שהסירה גם צריכה לנוע דרך המים.
כאשר גוף נע במים, המים מתנגדים לתנועתו.
זוהי:
התנגדות המים.
גוף צר וארוך יכול לעבור דרך המים בקלות יחסית לגוף רחב ובעל חזית גדולה.
לכן המבנה של הקטמרן משלב שני דברים:
שני גופים צרים – כדי לנוע בצורה יעילה במים.
מרחק גדול ביניהם – כדי לקבל בסיס רחב ויציב.
זה אחד הרעיונות ההנדסיים היפים בקטמרן.
ומה גורם לקטמרן שלנו לנוע?
במערך שלנו אין מנוע ואין מדחף.
הקטמרן נע באמצעות:
הרוח והמפרש
כאשר הרוח פוגעת במפרש היא מפעילה עליו כוח.
המפרש מעביר את הכוח לתורן, והתורן מעביר אותו אל מבנה הסירה.
כתוצאה מכך הקטמרן מתחיל לנוע.
כלומר:
רוח → כוח על המפרש → כוח עובר לסירה → הסירה נעה.
המפרש למעשה מאפשר לנו להשתמש באנרגיית הרוח כדי ליצור תנועה.
האם גודל המפרש משנה?
כן.
מפרש גדול יותר יכול לפגוש כמות גדולה יותר של אוויר ולכן, בתנאים מתאימים, לקבל כוח גדול יותר מהרוח.
אבל גדול יותר לא תמיד אומר טוב יותר.
מפרש גדול מדי יכול גם לגרום לסירה:
לכן גם כאן צריך למצוא:
איזון נכון.
מרכז הכובד והיציבות
גם מיקום המשקל משפיע על התנהגות הקטמרן.
אם רוב המשקל נמצא גבוה מאוד, לדוגמה בחלק העליון של התורן, הסירה תהיה רגישה יותר לנטייה.
אם מרבית המשקל נשאר נמוך, הסירה תהיה בדרך כלל יציבה יותר.
לכן בתכנון כלי שיט חשוב לחשוב לא רק:
כמה הוא שוקל?
אלא גם:
איפה נמצא המשקל?
חידון – צף או שוקע?
לפני שמגלים את התשובה, כל תלמיד צריך לנחש.
1. מטבע שמכניסים לכוס מים
צף או שוקע?
תשובה: שוקע.
המטבע צפוף יחסית למים ואינו דוחה נפח מים מספיק ביחס למשקלו.
2. בקבוק פלסטיק ריק וסגור
צף או שוקע?
תשובה: צף.
בתוך הבקבוק יש הרבה אוויר ולכן הצפיפות הממוצעת של הבקבוק נמוכה יחסית.
3. כדור פלסטלינה
צף או שוקע?
תשובה: בדרך כלל שוקע.
כאשר הפלסטלינה מרוכזת בכדור קטן היא אינה דוחה מספיק מים ביחס למשקלה.
4. אותה פלסטלינה, אבל בצורת סירה רחבה וחלולה
צפה או שוקעת?
תשובה: היא יכולה לצוף.
לא שינינו את החומר ולא שינינו את המשקל.
שינינו רק את הצורה.
עכשיו היא דוחה כמות גדולה יותר של מים ולכן יכולה לקבל כוח ציפה גדול יותר.
5. אטב מתכת שמניחים בזהירות רבה על פני המים
צף או שוקע?
תשובה: אם מניחים אותו בעדינות ובצורה נכונה, הוא יכול להישאר על פני המים.
כאן אנחנו רואים בצורה יפה את השפעת:
מתח הפנים של המים.
אבל אם נדחוף אותו דרך פני המים או נשבור את מתח הפנים, הוא ישקע.
מה למדנו מהחידון?
השאלה "ממה הגוף עשוי?" אינה מספיקה.
כדי לדעת אם משהו יצוף או ישקע צריך לחשוב גם על:
המשקל שלו.
הנפח שלו.
הצורה שלו.
כמות המים שהוא דוחה.
ובגופים קטנים ועדינים מאוד – לפעמים גם:
מתח הפנים של המים.
עכשיו חוזרים לקטמרן שלנו
בקטמרן שבנינו אפשר לזהות את כל הרעיונות שלמדנו:
שני גופי ציפה – מספקים ציפה ותומכים במשקל.
גופי ציפה צרים – מפחיתים את ההתנגדות לתנועה במים.
מרחק גדול בין שני הגופים – יוצר בסיס רחב ומגדיל את היציבות.
מבנה קל – מאפשר לסירה להישאר גבוה יחסית על פני המים.
מפרש – קולט את כוח הרוח ומניע את הסירה.
תורן – מחזיק את המפרש ומעביר את הכוחות אל גוף הקטמרן.
אתגר המדענים
עכשיו בונים – אבל גם חוקרים.
לפני שמפעילים את הקטמרן, נסו לנבא:
מה יקרה אם נוסיף משקל לסירה?
מה יקרה אם נניח את כל המשקל בצד אחד?
מה יקרה אם נקרב את שני גופי הציפה זה לזה?
מה יקרה אם נרחיק אותם?
האם מפרש גדול יותר תמיד יגרום לסירה לנוע מהר יותר?
ומה יקרה אם נשנה את כיוון המפרש ביחס לרוח?
כתבו השערה, בצעו את הניסוי והשוו בין התחזית לבין התוצאה.
מהנדס טוב לא רק בונה משהו שעובד – הוא גם מבין למה הוא עובד.
הארה בפייסבוק
