פיזיקה עם פולישוק

הוראה, מדע עם חיוך, פיזיקה הוספת תגובה

בסוף פרק 8 של הסדרה השנונה פולישוק, מסביר קוזו המושפל לשר פולישוק איך הדברים עובדים באמת. מה שמפתיע הוא, שלצורך כך שם בפיו התסריטאי שמואל הספרי דווקא דוגמא מעולם הפיזיקה:

במובן היומיומי של הדברים, קוזו כמובן צודק. עם זאת,  היות והוזכרה כאן בפירוש בחינת הבגרות בפיזיקה, נוכל להרחיב קמעה את הסדק. נפילה חופשית מוגדרת כתנועה המושפעת מכוח הכבידה בלבד. היות שכוח (במובן הפיזיקאלי) גורם להאצה, הרי שנפילה חופשית הינה תמיד תנועה מואצת (האצה מוגדרת כשינוי מהירות בפרק זמן נתון). המשמעות המעשית היא, שעל פני כדור הארץ, עם כל שנייה שחולפת  גדל הרכיב האנכי של מהירות גוף בשיעור של 9.8 מטר לשנייה כלפי מטה. קל לראות זאת עבור אבן נופלת: כעבור שנייה אחת המהירות תהייה 9.8 מ/ש, כעבור שתי שניות 19.6 מ/ש וכן הלאה (אנו מתעלמים מהתנגדות האוויר שתקטין את המהירויות במקצת). אגב, הערך 9.8 מטר לשנייה בריבוע הוא תאוצת הכובד על פני כדור הארץ ומסומן באות g. ערכה של תאוצת הכובד g שונה על פני פלנטות אחרות מה שעשוי לשנות את קצב הנפילה במקומות שונים ביקום.

השאלה המעניינת היא, מה קורה לאבן של קוזו (שהיא בעצם פולישוק האומלל) כאשר היא נזרקת אנכית כלפי מעלה? לכאורה, מהירותה הולכת וקטנה, ואז, החל מרגע השיא ('האבן מרגישה בעננים') היא מתחילה ליפול, כלומר מהירותה הולכת וגוברת עד למפגש עם הקרקע ('עם הכרישים שמחכים לה למטה'). אבל, במובן הפיזיקאלי האבן נמצאת בנפילה מתמדת החל מהרגע שעזבה את היד! אם נזרוק אבן במהירות של 19.6 מ/ש כלפי מעלה, בכל שנייה מהירותה תקטן ב-9.8 מ/ש. כלומר, לאחר שנייה המהירות תהייה 9.8 מ/ש, אחרי שתי שניות 0 מ/ש (האבן נעצרה) ואחרי שלוש שניות: מינוס 9.8 מ/ש, כלומר 9.8 מ/ש כלפי מטה. למרות שכיוון המהירות משתנה,התאוצה היא תמיד כלפי מטה – וזו המשמעות המדויקת של 'ליפול' (ולאו דווקא המעבר ממקום גבוה למקום נמוך). אגב, גם לוויינים החגים סביב כדור הארץ, ובכלל זה הירח, נמצאים תמידית במצב של נפילה חופשית היות שהם נעים אך ורק בהשפעת כוח הכבידה של כדור הארץ  (בהזנחת  ההשפעה המועטה של השמש ושאר הפלנטות). מדוע, אם כן, הם לא מתרסקים לקרקע? הסיבה לכך נעוצה במהירותם המשיקית (המקבילה לפני כדור הארץ), כפי שמוסבר כאן וכאן.

מה שנחמד בהסברים מסוג זה הוא, שלצד היותם טריוויאליים למי שלמד פיזיקה, עבור האדם הלא-פיזיקאלי (רוב האנושות) הם סתומים לגמרי. בכלל לא ברור לאחרון  מדוע עליו לוותר על הדרך המוכרת וההגיונית כל כך להסתכל על המציאות.  אם כן, על מנת לקרב לבבות ולהצדיק את ההגיון הפיזיקאלי, הריני להציע בזאת ניסוי פשוט ושווה לכל נפש. כל מה שנחוץ הוא שתי שקיות רגילות  לעיטוף כריכים וסיכה. בשלב הראשון, נמלא שקית אחת במים וננקב בה חור קטנטן. התוצאה: המים מזנקים בקשת עליזה – שום דבר מיוחד. אבל… מה יקרה אם נשמוט את השקית המנוקבת, האם במהלך נפילתה ימשיכו מים לקלוח ממנה? התשובה היא: לא. מי שלא מאמין – בבקשה לנסות. לספקנים (שאינם עצלנים) מומלץ לצלם קליפ במצלמה דיגיטאלית ולבדוק במחשב פריים אחרי פריים – אף לא טיפת מים אחת יוצאת מהנקב! מדוע?

ובכן, גם השקית וגם המים שבה נופלים מטה באותה תאוצה בדיוק, ועל כן, כל משך הנפילה המים אינם לוחצים על דופן השקית. ניסוי מחשבה מפורסם מבית מדרשו של אלברט איינשטיין מתאר אדם במעלית שהכבל שלה נקרע. מנקודת מבטו של אותו אדם, נראה כאילו כוח הכבידה נעלם, והדין עימו, שכן אילו שמנו מד-משקל תחת רגליו הוא היה מורה אפס בשל הנפילה שוות התאוצה של  הרצפה האדם והמשקל. בסרטון הבא מצולמים טייסים במטוס הצונח בנפילה חופשית. שימו לב לכלב:

אגב, בשיטה זו מאמנת נאס"א את האסטרונאוטים שלה בתנאי חוסר משקל: מעלים מטוס תובלה גדול לגובה רב,
ומניחים לו לצלול כאבן דקה או שתיים. זו גם הדרך ליצירת חוסר משקל ריאליסטי בסרטי חלל מושקעים כמו אפולו 13.

ממרומי האטמוספרה אנו חוזרים לשקית הסנדויץ' שלנו ומגיעים לפואנטה: מה לדעתכם יקרה אם נזרוק את השקית המחוררת כלפי מעלה, האם במהלך העלייה מים ישפכו החוצה? כפי ששיערתם, הפיזיקה כאן נחרצת וחד משמעית: היות שנפילה חופשית מתרחשת בכל שלב, הרי שגם בעלייה המים לא יילחצו אל דופן השקית ולכן לא יישפכו ממנה. מוזר? לא מאמינים? נסו בעצמכם.

עוד פיזיקה ב'מדע ושאר רוח' (מושגים שהוזכרו ברשימה זו)
את כל הפיזיקה שלי למדתי מחוברות קומיקס
פיזיקה של סרטים מצויירים
הביו-פיזיקה של קינג-קונג

6 תגובות ל “פיזיקה עם פולישוק”

  1. התגובה של dugmanegdit:

    מעלה וקטור המהירות פונה כלפי מעלה עד אשר המהירות מתאפסת. יש וקטור תאוצה שכיוונו כלפי מטה תמיד (אין "מהירות כלפי מטה" אלא יש כוח שמשנה את המהירות בכיוון מסויים), אלא שהכיוון של ווקטור המהירות הוא כלפי מעלה בתחילה ולא כפי שכתבת. נכון הדבר שאפשר לחשוב על השתנות המהירות כ"מהירות כלפי מעלה + מהירות כלפי מטה" אבל זה עניין מתמטי ואפשר גם תמיד לכתוב כל וקטור כסכום שני ווקטורים אחרים – אין בכך שום עניין פיזיקלי.

  2. התגובה של אורן:

    המשמעות של המשפט "המהירות כלפי מטה גדלה" היא שאם תצייר גרף של המהירות כנגד הזמן תקבל קו יורד ולא צורת וי המתאימה לפרשנות של מהירות כ-SPEED
    אינני מסכים שזה רק עניין מתמטי, וזו בדיוק הסיבה שצרפתי את הניסוי (קראת?) המוכיח שהנפילה החופשית מתחילה בעלייה ולא רק בירידה כפי שנהוג לחשוב.

  3. התגובה של dugmanegdit:

    וכפי שכתבתי לך יש רכיב כוח (ווקטור!) שפועל תמיד ולכן הטענה שלך היא טריוויאלית – אכן הגרביטציה תמיד עומדת על המשמר. אלא שוקטור המהירות, במובן שאליו מתכוונים בפיזיקה הוא חיובי כל עוד התנועה היא בכיוון מעלה (ולחילופין – כל עוד המהירות כלפי מעלה אינה אפס). ההפרש עליו אתה מדבר הוא פשוט הביטוי להשפעת הכוח אבל באותה מידה אפשר להציג את המהירות כהפרש בין המון וקטורים אחרים. החשיבות הפיזיקלית היא לכוח שפועל שם!

  4. התגובה של אורן:

    תודה על ההערות.
    יש כאן באמת משהו שלא הצלחתי להעביר בצורה נכונה. בהמשך אנסה לארגן את ההסבר בצורה פיזיקאלית יותר.

  5. התגובה של אורן:

    הטקסט עבר כמה תיקונים כך שהערות הקולעות של 'דוגמא-נגדית' נלקחו בחשבון.
    מכל מלמדי השכלתי.

  6. התגובה של dugmanegdit:

    מצויין, אלא שאני חושב שהפרזת בתרומתי. ההערות על הנפילה החופשית של כוכבים מצויינות (כמעט כללתי את העניין בהתכתבות איתך אבל ויתרתי על זה).
    באותו עניין, כבר ניסח זאת היטב ע. הלל:
    "ומה עושים הכוכבים?
    נופלים עלינו ממרום
    נופלים נופלים נופלים
    לאן? – לשום מקום"

הוספת תגובה