אבא: זו שאלה מ-צ-ו-י-י-נ-ת. סבון הוא חומר פעיל שטח מפני שהוא יוצר מיצלות (micelles) מסיסות במים שלוכדות את חלקיקי הלכלוך והשומן. בלי הסבון, לא היה אפשר היה ללכוד את החלקיקים האלו.
שרה: למה?
אבא: למה הסבון יוצר מיצלות?
שרה: כן.
אבא: מולקולות הסבון הן שרשראות ארוכות עם ראש הידרופילי קָטְבִּי (פולארי) , וזנב הידרופובי לא קָטְבִּי. את יכולה להגיד 'הידרופילי'?
אבא: כי זה ביוונית! 'הידרו' זה מים ו-'פובי' זה 'מפחד ממשהו'. 'פובוס' זה פחד, אז 'הידרופובי' זה 'מפחד ממים'.
שרה: כמו מפלצת?
אבא: את מתכוונת כמו לפחד ממפלצת?
שרה: כן.
אבא: מפלצת מפחידה, בטח. אם את מפחדת ממפלצת, איש מיוון יגיד שאת גורגופובית.
(פאוזה)
שרה: (מגלגלת עיניה) חשבתי שאנחנו מדברים על הסבון.
אבא: אנחנו מדברים על הסבון.
(פאוזה ארוכה)
שרה: למה?
אבא: למה למולקולות יש ראש הידרופילי וזנב הידרופובי?
שרה: כן.
אבא: זה בגלל שקשרי C-O שבראש קָטְבִּיים מאוד, וקשרי C-H בזנב כמעט לא קָטְבִּיים בכלל.
שרה: למה?
אבא: כי בעוד שלפחמן ולמימן יש כמעט אותה אלקטרו-שליליות, החמצן הרבה יותר אלקטרו-שלילי, ולכן הוא מקטב את הקשר C-O.
שרה: למה?
אבא: למה החמצן יותר אלקטרו-שלילי מפחמן וממימן?
שרה: כן.
אבא: זה מסובך. יש תשובות שונות לשאלה הזו בהתאם לסולם האלקטרו-שליליות שאליו מתייחסים: זה של פאולינג, או זה של מיליקן. הסולם של פאולינג מתבסס על עצמת קשר בין אטומים דומים או שונים, בעוד שהסולם של מיליקן מבוסס על אנרגיות יינון ואפיניות של אלקטרונים באטום. בסופו של דבר, זה מסתכם במטען גרעיני אפקטיבי. לאלקטרוני הקשר באטום החמצן יש פחות אנרגיה מאלו שבאטום הפחמן, ואלקטרונים משותפים נמצאים קרוב יותר לחמצן, וזה בגלל שהאלקטרונים של אטום החמצן חווים מטען גרעיני גדול יותר, ולכן משיכה חזקה יותר לגרעין האטום! מגניב, הא?
פחיות שתיה של אלכוהול וקפאין הינן מוצר צריכה פופולארי בארה"ב. מסתבר, שצעירים מחבבים את השילוב המנצח בין שני העולמות: מצד אחד, אלכוהול המביא לתחושה נעימה ושחרור מעכבות, ומאידך קפאין, המגביר את העירנות ונוגד חלק מהתסמינים הפחות נעימים הכרוכים בצריכת אלכוהול. גם בארץ נפוץ השילוב הזה (רד-בול + וודקה, למשל) אך עדיין לא באותה פחית.
הגליון האחרון של סיינטיפיק אמריקן מדווח שבשנה האחרונה, מדינות כמו מישיגן ואוקלהומה עושות צעדים מעשיים על מנת להגביל הפצת משקאות קפאין עם אלכוהול, וזאת בשל מקרים בהם צעירים הגיעו לבתי חולים עם רמות אלכוהול מסוכנות בדם בעקבות צריכת משקאות אלו. מובן, שגם אם יצליחו למנוע את שיווק הפחיות, עדיין ניתן יהיה לערבב אלכוהול עם קפאין, ולכן חשוב להבין את הסכנות הטמונות בכך, כפי שמוסבר במאמר.
אלכוהול במהותו הינו סם הרגעה, משכך ומרדים. הוא עושה זאת על ידי שחרור נוירוטרנסמיטר בשם GABA שמתפקד כמרסן ומאט (ואף מגביל) של פעילות עצבית במוח. השפעתו יכולה להביא להשקטה של חרדות, תחושת רוגע, וגם שחרור מעכבות ('נכנס יין, יצא סוד'). ברמות גבוהות יותר של אלכוהול בדם, ההשפעה יכולה להביא להאטה של פעילות מוטורית וקוגניטיבית, תסמינים גרוטסקיים שונים, חוסר הכרה ואפילו מוות (ראה טבלה). אם למשל, שתיתי שתי כוסות מרטיני ושליש כוס בירה ואני גבר השוקל 70 ק"ג, כמות האלכוהול בדמי תהיה 0.13, מה שאומר שאסור לי בשום פנים ואופן לנהוג! תוכלו לנסות עוד אפשרויות בעזרת מחשבון לחישוב ריכוז אלכוהול בדם.
קפאין, מנגד, הינו סם פסיכואקטיבי מעורר. מולקולת הקפאין מעכבת קישור של הנוירוטרנסמיטר אדנוזין, שהינו בעצמו מגביל ומרסן של פעילות עצבית. יוצא מכאן שהקפאין פועל במנגנון של 'הפוך על הפוך', בכך שהוא מגביל פעילותו של חומר מגביל. הערנות שמביא הקפאין היא אכן מבורכת, אך ברמות גבוהות יופיעו גם עצבנות, חרדות, ודופק מואץ. על ההשפעות ארוכות הטווח של קפאין כבר נכתב רבות.
לכאורה אלכוהול וקפאין הינם חומרים בעלי השפעה מנוגדת ("גז וברקס ביחד"), אך יש להם גם אפקט משותף – העלאת רמת הדופמין במוח. רמות גבוהות של דופמין מלוות (בין השאר) בתחושה של נועם ואופוריה. שילוב קפאין ואלכוהול מעצים את אפקט הדופמין (מה שעושים גם סוגים אחרים של סמים) ומכאן האטרקטיביות הרבה. הנקודה היא, שהקפאין מצמצם חלק מתסמיני השכרות ובכך מאפשר שתייה רבה יותר. כך, רמת העירנות המוגברת יוצרת אשלייה מסוכנת של פיכחון בעוד ריכוז האלכוהול בדם הולך וגדל. המחשבה, שהקפאין איכשהו 'מבטל' את השפעת האלכוהול, קשורה מן הסתם למיתוס שכוס קפה חזק עוזרת לשיכור 'לחזור לעצמו'.
שתה קפה – תוכל לעשות דברים מטופשים במהירות ועם יותר אנרגיה!
ההשלכה המיידית, כמובן, היא על נהיגה. אותו 'שיכור עירני' משוכנע שהוא מסוגל לנהוג כהלכה, בעוד שלמעשה מוחו ספוג האלכוהול רחוק מאוד מתפקוד תקין. במחקר שנערך ב-2001 התברר שקפאין אינו תורם לשיפור בזמן התגובה תחת השפעת אלכוהול, ומחקר נוסף מ-2008, בקרב תלמידי קולג', מצביע על מספר כפול של אירועי ניצול מיני ופציעה תחת צריכה משולבת של אלכוהול וקפאין, בהשוואה לצריכה של אלכוהול בלבד.
לאור האמור, יש רק לקוות (ולדרוש) שפחיות משולבות אלכוהול וקפאין לא יגיעו לישראל, ושהמערבבים את השניים באופן עצמי יהיו מודעים להשלכות. מישהו אמר תשדירי שירות?
מה כבר אפשר ללמוד מנר? אילו תובנות יכול מדען לקבל מלהבה מרצדת על פתיל תקוע בגוש שעווה? כמה מפתיע, שהפיזיקאי האנגלי הדגול מייקל פאראדי קבע שכמעט את כל העקרונות החשובים בפיזיקה וכימיה אפשר ללמד בהקשר של נר. פאראדי לא השאיר את הקביעה הגורפת הזו באוויר, אלא התיישב (לאור נרות?) וכתב ספר בשם "טבעו של הנר" (The chemical history of a candle) שהפך לקלאסיקה בהוראת מדעים. אמנם המדע במאה ה-19 היה הרבה פחות מורכב ומסועף מהמדע של היום, אבל אין הדבר מבטל את מה שפארדיי טען, שכן הדרך אל המדע המודרני עוברת דרך יסודות המדע הקלאסי. אגב, פאראדיי נודע ביכולתו הנפלאה להסביר מדע לקהל הרחב – הרצאותיו במכון המלכותי היו המופע הטוב בעיר. ננסה ללכת קמעה בעקבותיו.
מייקל פארדיי
ברמה הבסיסית, מתקיימים בנר בו זמנית שלושה מצבי צבירה: הנר עצמו (שעווה מוצקה), ה'בריכה' שממנה בוקע הפתיל (שעווה נוזלית) והלהבה (שעווה גזית בוערת). 'ליבו' של הנר הוא הפתיל שדרכו זורמת השעווה הנוזלית במנגנון של נימיות עד לאזור הלהבה שם היא מתאדה לגז שמתרכב עם החמצן. את השעווה אפשר להחליף בכל סוג של שמן או שומן, למשל, חמאת בוטנים, מרגרינה, שמן זית (ואז קיבלנו מנורת שמן) ועוד. הפתיל יכול להיות כל חומר בעל יכולת של נימיות: החל מחבלים שונים וכלה בנייר טואלט מגולגל! כאן מודגם איך להכין נר מבוטן המשמש גם כפתיל וגם כחומר בערה.
כאשר השריפה של גז השעוה היא מלאה – וזה קורה באזור הלהבה הבא במגע עם שפע של חמצן – מתקבלים פחמן דו-חמצני ואדי מים חמים (קיטור) – זהו גם האיזור שבו הטמפרטורה היא הגבוהה ביותר. בחלקים הפנימיים של הלהבה, השריפה אינה מלאה ולכן משתחרר משם פיח שחור שהוא למעשה פחמן שלא זכה להתרכב עם חמצן. ניתן לאשר זאת בניסוי פשוט: נכניס כפית לתוך פנים הלהבה ועד מהרה היא תתכסה בציפוי שחור משחור – זהו הפחמן שלא נשרף. מהאמור, ניתן להבין שהלהבה אינה הומוגנית, יש בה אזורים שונים שצבעם מעיד טמפרטורה אופיינית ועל התהליכים הכימיים המתרחשים בהם.
העשן הלבן שמתקבל כאשר נושפים על נר הוא פשוט אדי השעווה שהתמצקו (עשן מכל סוג הוא בעצם מוצק). מנגנון זה מזכיר את אופן היווצרותו של פופקורן: תחת טמפרטורה ולחץ גבוהים,העמילן שבגרגר התירס הופך לנוזלי, ולאחר התפקעות המעטפת, בשבריר שניה, אותו רסס-נוזל מתקרר ומתמצק באוויר לקבלת מבנה תלת ממדי אופייני – פופקורן. מה יקרה אם נדליק את העשן הלבן? הוא פשוט יתכלה במהירות וב-'רוורס' עד לפתיל. לא ייאמן:
מדוע ללהבת הנר יש צורה מחודדת? משום שהחום הנפלט מהלהבה מחמם את הגזים שסביבה ובכך מקטין את צפיפותם. חומר בעל צפיפות נמוכה נוטה לעלות למעלה ולכן מתקיימת זרימה מתמדת של גז חם בהיקף הלהבה במנגנון של קונווקציה (הסעת חום). באופן זה, חמצן 'טרי' נכנס מהחלק התחתון של הלהבה (אזור 2 באיור) ומעלה שם את טמפרטורת הבעירה.
ובאותו עניין: כיצד היתה נראית להבה בתנאים של חוסר כבידה (מיקרו-גרוויטציה)? ובכן, היות ותופעת הקונווקציה נגזרת מקיום כוח כבידה (כוח הציפה, על פי חוק ארכימדס, כולל את תאוצת הכובד g), הלהבה אמורה להיות סימטרית לחלוטין: הגזים החמים במצב זה לא יעלו כלל למעלה, והלהבה תקבל צורה כדורית. זאת ועוד, הדרך היחידה שבה חמצן יכול להגיע ללהבה במצב זה היא בדיפוזיה איטית, מה שייתן לנו להבה קטנטנה, קרה, אך יפהיפיה! אין לי ספק שהתצלום של NASA היה מסב לפאראדיי קורת רוח רבה.
כמו כל המשקאות המוגזים, בירה רוויה פחמן דו-חמצני (CO2) במצב מומס, כלומר, מולקולות ה-CO2 מוקפות במולקולות מים שאינן מאפשרות להן להתאחד. מעל הנוזל, לעומת זאת, ה- CO2 נמצא במצב גזי רגיל בלחץ של כ-2 אטמוספירות (בערך כמו הלחץ בגלגלי המכונית). בכל שבריר שנייה חלק ממולקולות ה-CO2 שבגז עוברות לנוזל, בזמן שחלק מהמולקולות שבנוזל משתחררות לגז. אם לא נטלטל את הבקבוק לזמן מה, קצבי המעבר ישתוו, ויתקבל מצב קסום: שיווי משקל דינאמי.
מה קורה כאשר פותחים את הפקק? הגז הדחוס שבאזור הפיה משתחרר החוצה באחת, ובכך מוציא את המערכת משיווי משקל. על מנת להגיע לשיווי משקל חדש, חלק ניכר ממולקולות CO2 בנוזל צריכות להשתחרר לאוויר, אבל היות שאין הן יכולות להשתחרר מיידית, הן עושות זאת לאט ובסבלנות בדרך הנקראת 'בועות'. נשים לב, שעל מנת ליצור הפרדה בין חבילת הגז (בועה) לנוזל יש להשקיע אנרגיה. מדוע? נוכל לחשוב על שתי קבוצות של אנשים (נאמר, כחולים ואדומים) המעורבבות זו בזו בצורה אחידה. אם תנועת האנשים אקראית, מועטים מאוד הסיכויים שייווצרו קבוצות הומוגניות של אנשים מסוג אחד, נאמר,אדומים. במונחים תרמודינאמיים, על מנת שזה יתרחש דרגת אי-הסדר (אנטרופיה) צריכה לרדת, ולכן זה אינו תהליך המתרחש ספונטאנית. דרושה השקעה של אנרגיה מבחוץ על מנת 'לעזור' לו להתהוות, בדומה לאספקת אנרגיה מתמדת הנחוצה על מנת לשמור על גוף חי כיחידה מתפקדת נבדלת מהסביבה (הומיאוסטאסיס). סיבה נוספת נעוצה בקשרים הכימיים – הבועה הגדלה צריכה להרחיק את מולקולות המים אלה מאלה, ולשם כך יש 'לשבור' את הקשרים החזקים באופן יחסי שבינן (קשרי מימן). השורה התחתונה היא, שהשתחררות גז מנוזל אינה תהליך פשוט.
בהתחשב בכך שדרושה השקעה יחסית גבוהה של אנרגיה, שאינה זמינה בדרך כלל, כיצד בכל זאת נוצרות בועות? נזכר בקבוצות האנשים המעורבבות זו בזו, ונניח שבמקומות מסוימים ישנם כרוזים שקוראים במגפונים "כל האדומים אלי!" מתקבל על הדעת, שבסביבת הכרוזים תיווצרנה קבוצות 'אדומות' שילכו ויגדלו. המקבילה הפיזית של הכרוזים נקראת 'אתרי נוקליאציה' (nucleation sites) ותהליך ההקבצה נקרא התגרענות: חלקיקים זעירים בנוזל מהווים גרעינים שסביבם מתקבצות מולקולות גז על מנת ליצור את המשטח הראשוני שמפריד אותן מהנוזל. מרגע שנוצרה בועה זעירה (מיקרוסקופית), נחוצה כבר הרבה פחות אנרגיה ולכן התהליך מתגלגל מעצמו עד להיווצרות של בועה גדולה (מקרוסקופית) שצפה מעלה. תופעה זו מזכירה ניפוח של בלון גומי: בשלב ההתחלתי דרוש מאמץ גדול יחסית, שהולך ופוחת עם גדילת הבלון.
אגב, ישנם תהליכים רבים בטבע, שעל מנת להתחיל אותם נחוצה אנרגיה התחלתית יחסית גבוהה – סף אנרגטי הנקרא אנרגיית שפעול. תהליכים אלו לא היו יוצאים אל הפועל אלמלא אותם 'מתווכים' שפעולתם מקבילה לפעולתם של אתרי הנוקליאציה. למשל, אינספור תהליכים ביולוגים משופעלים על ידי אנזימים שהינם מולקולות גדולות שעל גבם ריאקציות ביוכימיות יכולות להתרחש בקלות יחסית, כמו למשל הריבוזומים של עדה יונת שעלו לגדולה. אמנם, אותם תהליכים היו מתרחשים גם ללא תיוך האנזימים, אך זה היה לוקח הרבה יותר זמן. בכימיה אותו מתווך נקרא 'זרז' (קטליזטור), אך בכל מקרה, המתווך נחוץ רק בהתחלה, בדומה לניצוץ שמתחיל את הבעירה או כפי ששר ברוס ספרינגסטין: You can't start a fire without a spark
בחזרה לבירה. אתרי נוקליאציה יכולים להיות גם סדקים מקרוסקופיים בזכוכית. בפעם הבאה שתתבוננו בכוס עם משקה מוגז, שימו שב שהבועות אינן נוצרות אקראית בכל מקום בנוזל. למעשה, ישנן שרשראות של בועות שניתן לעקוב אחריהם אחורנית עד לנקודות ספציפיות בכוס: נקודות אלו הן מיקרו-סדקים המהווים אתרי נוקלאציה. כאשר מוזגים משקה מוגז לכוס, נוצר קצף רב מכיוון שכל הסדקים המיקרוסקופיים פועלים כבתי ייצור סדרתיים של בועות: בכל פעם שמשתחררת בועה, האתר שיצר אותה מתפנה ליצירת בועה נוספת וכך שוב ושוב עד שנגמר ה-CO2 או שמושג שיווי משקל דינאמי חדש. כדי להימנע מהקצף, ידוע לבארמנים שצריך להרטיב קודם את החלק הפנימי של הכוס, אבל למה? מולקולות המים 'סותמות' זמנית את הפגמים המקרוסקופיים שבזכוכית ובכך מורידות משמעותית את הסיכוי להיווצרותן של בועות. ההבדל מרשים – כמעט ולא נוצר קצף.
'מנטוס בקולה' הוא אחד הניסויים שהפך לאייקון תרבותי בזכות מאות סרטונים שהועלו ליוטיוב על ידי כל בן 11 עם מצלמת וידאו. בתחילה לא היה ברור לי מדוע מזנק גייזר אדיר מפיית הבקבוק – זו תופעה כמעט מיסטית. האם יש במנטוס חומר מסתורי שגורם לגזים להשתחרר בעוצמה? מסתבר שלא. למרות שסוכריית המנטוס נראית ומרגישה חלקה, למעשה, מהבחינה מקרוסקופית היא מחוספסת ביותר. כאשר היא צוללת לתוך המשקה, הנקבוביות הרבות שעליה מהוות אתרי נוקליאציה עבור ה-CO2 המומס בקולה ובבת אחת נוצרות אין-ספור בועות המשתחררות בעצמה סילונית וגורפות עימן גם חלק מהנוזל.
ההסבר המלא מורכב יותר (ויש גם בויקיפדיה), אבל זה הרעיון הבסיסי. צוות התוכנית המרתקת Time Warp, המתמחה בצילום מהיר (הרבה פריימים בשנייה) בדק את הנושא:
כראייה לכך שאין במנטוס משהו מיוחד, מתקבל אפקט דומה גם אם נפזר על המשקה המוגז שלנו חול, סוכר או מלח כפי שניתן לראות כאן.
הספר Clouds in a Glass of beer מתאר ניסויים פשוטים שממחישים עקרונות פיזיקאליים של תופעות מזג אוויר. בפרק הראשון מסביר המחבר מדוע במובנים רבים, עננים הם תמונת הראי של בועות במשקה מוגז. עננים נוצרים כאשר הלחות היחסית גבוהה מספיק על מנת שמולקולות מים במצב גזי (אדים) יתעבו לטיפות קטנות. על מנת לזרז את הגשם, מפזרים באוויר (או למעשה, 'זורעים') חלקיקים זעירים שיהוו גרעיני נוקליאציה עבור הטיפות, וזאת בהקבלה לפיזור מלח בבירה שמזרז הווצרות של בועות. אפשר, כמובן, להוסיף עוד פרטים לההקבלה המהופכת:
לפני שניפרד מהבירה בואו נבחן עוד תופעה מעניינת. כאשר פותחים את הפקק, מופיעה עננה קטנטנה בראש הבקבוק. מהי עננה זו וכיצד היא נוצרה? ראשית, נזכיר עקרון תרמודינאמי ידוע: שינוי מהיר בלחץ גזי גורר עמו שינוי בטמפרטורה. למשל, כאשר גז נדחס במהירות הטמפרטורה שלו עולה (משאבת אופניים מתחממת בזמן הניפוח) וכאשר גז מתרחב במהירות הטמפרטורה שלו יורדת (מיכל גז דחוס מתקרר לאחר כמה לחיצות). אגב, את העקרון הזה אנו פוגשים בכל פעם שאנו משתמשים במזגן או במקרר המבוססים על מחזורים של דחיסה והגדלת נפח של גז. לאור זאת, ניתן להבין מדוע ירידת הלחץ בפיית הבקבוק מורידה שם את הטמפרטורה. תאמינו או לא, אבל מדובר בירידה דראסטית לסביבות מינוס שלושים מעלות צלזיוס, שגורמת לאדי המים שנמצאים שם להתעבות מידית לטיפות מים זעירות, כלומר, להפוך לענן (או ערפל). אילו היו באזור הפייה גרעיני נוקליאציה, כמו חלקיקי אבק זעירים, אותה התעבות היתה מתקבלת גם בטמפרטורות רגילות, כפי שמוכיח ניסוי פשוט זה שתוכלו לעשות בבית, אם בינתיים הבירה לא עלתה לכם לראש כמו לגלעד כהנא.
נפתח במשהו טריוויאלי. רבים סבורים שהקיץ מגיע כי כדור הארץ מתקרב לשמש במסלולו האליפטי. גם בלי לדעת מדע אפשר להיווכח שההסבר הזה מופרך, שכן באותו זמן שבחצי הצפוני של כדור הארץ קיץ, חצי הכדור הדרומי שרוי בחורף ושני החצאים הרי נמצאים באותו מרחק מהשמש. הסיבה לשינויי העונות קשורה כמובן לנטייה של ציר כדור הארץ יחסית למישור שבו הוא סובב את השמש, דבר שמסביר גם את התקצרות הימים ואת העובדה שבקיץ האיסלנדי יש פחות מארבע שעות של חושך ביממה (ובחורף פחות מארבע שעות אור). קצרה היריעה מלתת הסבר מלא, אבל אפשר להציץ כאן.
תהייה שלעיתים תוקפת מוחות מיוזעים בימי הקיץ היא זו: אם טמפרטורת הגוף היא 37 מעלות בקירוב, מדוע אנו חשים חום כאשר הטמפרטורה בחוץ היא 30 מעלות בלבד? יש בזה משהו. אם נצמיד שתי לבנים זו לזו, אחת בת 37 מעלות השנייה בת 30 מעלות, ברור שחום יעבור מהחמה לקרה. אבל בניגוד ללבנה ובדומה למנוע, גוף האדם מייצר חום ולא רק אוגר אותו. יכולתו של הגוף לשמור על טמפרטורה קבועה תלויה בכך שקצב פליטת החום ישתווה לקצב ייצור החום. בטמפרטורה של 25 מעלות בערך זה קורה בטבעיות ולכן נעים לנו, אבל ב-30 ומעלה קצב ייצור החום עולה על קצב פליטת החום ומתקבל עודף חום שממנו הגוף צריך להפטר. לשיטה העיקרית שבה הוא עושה זאת קוראים הזעה: מים המופרשים מנקבוביות בעור מתאדים לאוויר ובכך מקררים את הגוף. כאשר הלחות גבוהה (אוי, תל אביב בקיץ) קצב אידוי הזיעה לאוויר יורד, הבגדים נדבקים לגוף, ועומס החום מטפס מעלה מעלה. כאשר הגוף לא מצליח להיפטר מהחום העודף (בין השאר בגלל פעילות גופנית שמייצרת הרבה חום או לחות גבוהה המונעת אידוי זיעה) מתקבל מצב מסוכן שיכול גם להסתיים במוות – מכת חום.
חכה, חכה לאוגוסט
אוקי. הגיע הזמן לקפוץ למים. בניגוד למה שאולי נראה הגיוני, אנשים שמנים דווקא נוטים לצוף בקלות. מדוע? מכיוון שרקמת שומן צפופה פחות ממים ולכן צפה עליהם (כפי ששמן צף על מים). מסיבה זו נשים צפות בממוצע טוב יותר מגברים שכן אחוז רקמת השומן בגופן גדול יחסית לאחוז רקמת השריר הדחוסה. אצל גברים המצב הפוך ומכאן ברור שכל גבר צריך אישה לצדו על מנת לא לשקוע. חבורת ברייניאק מדגימה:
יצאנו מהמים. אם נכנסנו למים עם חולצה לבנה, כולנו יודעים שהיא תהפוך לשקופה. האם לפיזיקה יש משהו לומר על התופעה המוזרה? כמובן. ההסבר באדיבות בלדד השוחי מופיע כאן. עד שנתייבש אנו זוכים להפוגה קצרצרה מהחום בזכות העיקרון הפיזיקאלי הקובע שאידוי הוא תהליך של קירור. כפי שראינו, גופינו משתמש בעקרון זה בוירטואוזיות כאשר הוא מפריש זיעה. אגב, יש מזגנים פרימיטיביים הקרואים Desert coolers המבוססים על מאוורר שמפזר רסיסי מים זעירים לכל עבר שמתאדים במהירות (בשל שטח הפנים הגדול) ובכך מקררים את הסביבה. גם פיזור נדיב של מים על הריצפה יכול לעשות פלאים בבית לא ממוזג.
בדרך לכיסא אנו הולכים על החול הלוהט. מדוע הוא לוהט כל כך? זה קשור למושג שנקרא קיבול חום סגולי. ככל שקיבול החום של חומר גדול יותר, כך 'קשה' יותר לשנות לו את הטמפרטורה (גם מסתו של הגוף משפיעה, ויוצרת גודל פיזיקלי הנקרא מסה תרמית – מושג מפתח בבניה אקולוגית). לברזל, למשל, קיבול חום סגולי נמוך ביותר: גם חימום קצרצר גורם לטמפרטורה שלו לנסוק. לחול בדומה לברזל יש קיבול חום נמוך ולכן הוא מתלהט (וגם מתקרר) במהירות. מים לעומתם הם בעלי קיבול חום סגולי עצום: נדרש הרבה חום להעלות את הטמפרטורה שלהם, והם מתקררים לאט מאוד יחסית. זו הסיבה שעגבניות בפיצה שיצאה מהתנור שורפות את הלשון. בהיותה בעיקר מים, העגבניה מתקררת לאט יותר מהבצק (בעל קיבול החום הנמוך) ולכן משמרת את הטמפרטורה של התנור למשך זמן רב יותר.
ישבנו להשתזף. מה שמטגן אותנו (=מפעיל מנגנוני הגנה שמכהים את העור) הם הקרניים האולטרה סגולות (UV) שהן סוג של קרינה אלקטרומגנטית. בהתאם לתדירות ניתן לחלק את התחום האולטרה-סגול לתת מקטעים: UVA, UVB, UVC. האטמוספרה עושה לנו שירות נהדר בכך שהיא מסננת כמעט את כל המקטעים המסוכנים, בפרט שכבת האוזון שמסננת את קרינת ה-UVC הקטלנית וכמעט את כל ה-UVB. שבריר קרינת UVB שבכל זאת מגיע אלינו מספיק בכדי לגרום לכוויות שמש ובכדי לפגוע בחומר התורשתי (DNA) שבתאי העור. הבשורות הטובות הן שמריחת קרם הגנה תגן באופן אפקטיבי על העור מסוג זה של קרינה. הבשורות הרעות הן שמרבית הקרמים אינם בולמים את קרינת UVA שפעם סברו בטעות שאין היא מסוכנת. אמנם ה-UVA פחות אנרגטית אך היא חודרת עמוק לתוך העור, גורמת להזדקנות מואצת של העור (קמטים), מדללת אותו מוויטמין A ועלולה לחולל בעקיפין תהליכים סרטניים. בניגוד ל- UVB קרינת ה-UVA חודרת בקלות עננים ומגיעה אלינו גם שאנחנו יושבים בצל. חשוב להיות מודעים לאשליית ההגנה שיוצרים הקרמים כאשר מדובר בחשיפה ארוכה לשמש שכן הנזק של קרינת UVA כלל אינו מורגש.
אגב, זכוכית ופלסטיק הינם מסננים מעולים (אך לא מושלמים) של קרינת UVB מה שאומר שנסיעה עם חלונות סגורים מגינה מכוויות שמש. עבור העיניים נחוצה הגנה רצינית יותר: עדשות של משקפי שמש טובות שמסומנות ב-UV400 מסננות את כל תחום האולטרה-סגול ולכן הן כמובן עדיפות על משקפיים מגניבות מהדוכן של הכול בדולר. מיותר לציין שהשפעת השמש איננה שלילית בלבד. נהפוך הוא: ההגיון הבריא ומחקרים לא מעטים דווקא משבחים חשיפה מבוקרת לשמש ולצורך זה מותר לגייס גם את דני סנדרסון שכתב את השיר הנפלא הזה לכבוד הקיץ החורך שלנו.
השבוע התפרסמה ידיעה על ניסוי מדעי שהשתבש במרכז מחוננים בשלומי. אחת התלמידות, גל מכיתה ו, סיפרה ל-Ynet:
"עשינו ניסוי במהלכו המורה בדקה כמה סוגי אבקות מעל להבת אש. בשלב מסוים עף גיץ של מגנזיום וגרם לפיצוץ". לדברי גל, המורה פתחה את ברז המים בכיור ועשן התפזר בחלל החדר. מיד יצאנו מהכיתה והמזכירה הורתה לכל התלמידים במבנה לצאת החוצה. אחרי כמה דקות הרגשנו צריבות בעיניים וחלק מהילדים השתעלו והתקשו קצת בנשימה", אמרה והוסיפה כי "לשמחתנו זה נגמר רק בזה".
הסיפור נגמר בשלושה עשר (!) פצועים קל: עשרה תלמידים ושלושה אנשי צוות,כולל המורה. מה בדיוק קרה שם? מהתיאור של גל וקצת כימיה תיכונית ננסה לפענח מה התרחש, וכיצד היה אפשר למנוע זאת.
נא להכיר: מגנזיום
מגנזיום הוא מתכת פעילה, המצויה בטור השני של הטבלה המחזורית יחד עם עוד מתכות, כמו סידן, הקרויות אלקליות עפרוריות. מתכות אלו פעילות מאוד, ומגיבות עם חמצן בתגובת שרפה שמשחררת אנרגיה רבה בצורת חום ואור.
כאשר מגנזיום בוער הוא פולט אור לבן ובוהק המזכיר מבזק של מצלמה. ואכן, הפלאש של המצלמות הראשונות, שלווה בפיצוץ חינני ועננת עשן לבנבנה, היה מבוסס על בעירה מהירה של אבקת מגנזיום. שפע דוגמאות להתלקחויות נפיצות של מגנזיום אפשר לראות כאן. על פי מה שמתואר, המורה בשלומי הדגימה שריפה של אבקת מגנזיום מעל להבה, הדגמה שמייצרת ניצוצות בוהקים ויפים. מה קורה למגנזיום במגע עם מים? מגנזיום מוצק מכוסה בשכבה מגנה של מגנזיום חמצני ולכן גם אם נרטיב אותו במים הוא לא יגיב בטמפרטורת החדר. אבל, בטמפרטורה גבוהה המצב משתנה והמגנזיום מתחיל להגיב בפראות במגע עם מים. בתגובה זו מתפרקות מולקולות המים ומשחררות מימן אשר ממהר להתפוצץ בהשפעת החום שנפלט. בשפת הכימיה:
את העובדות הנפיצות האילו הפכה חבורת ברייניאק לקטע קלאסי עבור כל כימאי, פירומן או סתם חובב מהומה. בקטע מופיעות מתכות אלקאליות (עמודה ראשונה) שמגיבות חזק עם מים גם בטמפרטורת החדר.
כאשר מגנזיום בוער, הלהבה שלו אמנם בוהקת ומסנוורת אך מרוכזת במקום אחד. אם כמות המגנזיום קטנה, הניסוי בטוח באופן יחסי, והוא מקובל בשיעורי כימיה. אבל אם שופכים מים התגובה עלולה לצאת משליטה: המימן המשתחרר בוער, מוליך את האש, מפזר אותה ועלול להתפוצץ.
נחזור לשלומי – אפשר לשער שניצוצות מגנזיום בוער באו במגע עם מים והדבר גרם ל-'בום' קטן שלווה בהתלקחות והבזק אור. המורה נבהלה, ועשתה את המעשה האינסטינקטיבי המתבקש: לזרוק את המגנזיום לכיור ולפתוח את הברז. כפי שהספקנו להבין, מדובר ברעיון לא מוצלח.
דם, אש ותמרות עשן
כפי שראינו, מגנזיום בוער לא הולך טוב עם מים. בקטע הזה, אפשר לראות שהמים, בניגוד לטבעם הנוח בדרך כלל, מלבים את הלהבה בדומה לדלק! למעשה, מגנזיום בוער לא הולך טוב עם כלום. גם התזה עם מטפה על הלהבה תביא לתוצאה הפוכה מהמצופה, מכיוון שהמגנזיום מגיב עם הפחמן הדו-חמצני שבקצף (מוסר לו אלקטרונים – היינו, מחזר אותו), והבעירה רק גוברת. איך בכל זאת מכבים אותו? מיד נסביר.
כזכור, המגנזיום שלנו משכשך בכיור הרטוב והעניינים מסתבכים. תוצר הבעירה הראשוני הוא המלח מגנזיום אוקסידי (MgO) הנקרא גם מגנזיה, ונראה כמו אפר לבנבן (מתעמלים מאבקים בו את כפות ידיהם במטרה להגביר החיכוך עם המכשירים). כאשר מלח זה בא במגע עם מים מתקבל אותו מגנזיום הידרוקסיד שהוזכר קודם. מדובר בבסיס תוקפני למדי. כעת, הבערה בכיור מייצרת עשן לבנבן (MgO) שחלקו הקטן הפך למגנזיום הידרוקסידי. בנוסף, נוצר גם חום רב שהופך את המים לקיטור, דבר שמגביר את פיזור תוצרי הבערה. ממש לא נעים.
עיניים שלי
תוצרי הבעירה שהוזכרו הינם בסיסים חזקים ולכן, מסיבות מובנות, אינם חביבים על גוף האדם . במיוחד רגישות העיניים, ומכאן ההמלצה הגורפת להשתמש במשקפי מגן בכל ניסוי שבו מעורבות תמיסות חריפות ו/או בעירה.במקרה שלפננו לא חולקו משקפי מגן, ומכאן הצריבה הכואבת בעיניים שאותה גרמו תוצרי הבעירה הבסיסיים. אותם חומרים גם צרבו את מערכת הנשימה, מה משסביר את השיעולים וקוצר נשימה שאותם תארה בנאמנות הילדה גל.
מה אפשר היה לעשות? ראשית, למנוע מגע בין המגנזיום למים. אבל מרגע שהמגנזיום מתחיל לבעור אין לכבותו בשום דרך ביתית! לא מים, לא מטפה לא חול – כלום. זאת ועוד, המלצה זו תופסת עבור התלקחות של כל מתכת באשר היא. פשוט: לא לעשות כלום עד שהלהבה תדעך מעצמה. כך נוהגים גם ציוותי כיבוי כאשר מפעל כימיקאלים עולה בלהבות. הסיבה היא שתהליכים אילו מלווים בשחרור של אנרגיה כה רבה, שפשוט אין לדעת אילו ראקציות יצאו לפועל ואילו חומרים מסוכנים יווצרו.
ניסוי ותהייה?
האם האירוע המצער צריך לגרום לצמצום היקף הניסויים וההדגמות בכיתה? נדמה שמבחינת משרד החינוך התשובה היא חיובית, גורפת וכמעט אוטומאטית. רשימת המגבלות והאיסורים המוטלת על מורי המדע הולכת ותופחת חדשים לבקרים, והתלמידים נאלצים להסתפק בשיעורים פרונטאליים תחת שיעוריים חווייתיים. רבים מדי המורים שמוותרים על הדגמה או ניסוי חשובים רק על מנת שלא "להסתבך", שכן כל דבר פעוט הפך "מסוכן". משמעות הדבר היא שהמדע הופך פחות נגיש, פחות מלהיב ופחות מושך. ההשלכות ברורות: פחות תלמידי מדע, פחות מדענים, פחות טכנולוגיה מבוססת מדע. מובן שזהירות ובטיחות הם לפני הכל, אבל מה שצריך לקבוע אם ואיך לבצע ניסוי או ההדגמה הוא לא פחד ובורות אלא הבנה, ידע וחזון של לימודי מדע מרתקים ומעשירים. תודה לד"ר איתן קריין על הייעוץ והעריכה המדעית.
לאחרונה מסתובבים ברשת סרטונים שמראים את הדבר הבא: כמה מכשירים סלולאריים מכוונים בצורה מאיימת אל גרגרי תירס, ואז, כאשר מחייגים אל המכשירים, תוך שניות הגרגרים מתפקעים לפרחוני פופקורן קופצניים. משעשע ברגע הראשון, אך די מטריד לחשוב שאת מטגן המוח הזה אנחנו מצמידים לאוזן כמעט בלי חשבון. כמובן, שכמורה למדע אין לי אפשרות להתעלם מזה, כיוון שבמוקדם או מאוחר ישאלו אותי תלמידים בעיניים נוצצות האם זה אפשרי.
אז בדקתי.
לכאורה זה אפשרי. טלפונים סלולאריים משדרים וקולטים גלים אלקטרומגנטיים בתדר שמתאים לקרינת גלי מיקרו (שזה בערך 1 ג'יגה הרץ), ועם גלי מיקרו, כולנו יודעים, אפשר להכין פופקורן.
בפועל, גלי מיקרו מחממים מים, והם עושים זאת בכך שהם מעלים את אנרגיית התנועה של מולקולות המים (חומר יבש לא יתחמם במיקרוגל). חימום המים בתוך גרעין התירס הופך אותם לאדים, דבר שמעלה דרמטית את הלחץ הפנימי בגרגר - ממש כמו לחמם קופסת שימורים סגורה. הלחץ הולך וגדל עד שהוא גובר על חוזק המעטפת ואז מתרחש פיצוץ בזעיר אנפין – פצפוצון.
אז אם אפשר לעשות פופקורן עם גלי מיקרו, וכי למה שלא נוכל להשתמש בגלי מיקרו שנפלטים ממכשירים סלולאריים? אלא שכאן נכנס עניין כמותי פשוט: ההספק של קרינת מיקרו ממכשיר סלולארי הוא 1 וואט בעוד שההספק שמייצר המגנטרון (מחולל הגלים) שבמיקרוגל מגיע בערך ל-1000 וואט. חתיכת הפרש.
אם תשימו חופן גרגירי תירס במיקרו-גל על העצמה המירבית, הלבנבן הראשון לא ייווצר לפני שתחלוף דקה תמימה. כלומר, דרושות 1,000 דקות לפחות עד שטלפון סלולארי יצליח לספק אותה רמת אנרגיה הנחוצה להפוך גרגר תירס לפופקורן . למעשה, זה עוד הרבה יותר מכיוון שהאנרגיה הנפלטת מסלולארי מתפשטת לכל הכיוונים ורק חלק קטן יחסית מגיע לגרגר, שלא כמו במיקרו-גל שבו הקירות מחזירים את הקרינה פנימה כמו מראות. מכאן, שעלכם לכוון את הסלולארי שלכם משהו כמו 10 שעות רצופות לעבר גרגר תירס מבוהל כדי לגרום לו להפוך לתפרחת, וגם זה לא בטוח, כי בזמן זה הוא מאבד את החום שהשקענו בו לסביבה.
אז איך בכל זאת? הרי ראינו במו עינינו ב-YouTube? האם יש משהו מדעי יותר מתצפית ישירה? והתשובה: מעבר לטריקים זולים של עריכה (שזה כנראה רוב הקליפים), ניתן להשיג את האפקט על ידי הצמדת מגנטרון (שאותו מפרקים מתוך המיקרוגל) לחלק התחתון של השולחן, כפי שמודגם בקליפ הבא:
אזהרה חמורה: מה שרואים פה הוא בגדר סכנת נפשות אמיתית למי שאינו בעל מקצוע עם ידע בקרינת מיקרו, שאמנם אינה מייננת (כמו קרני רנטגן) אך יכולה בהחלט לגרום לעיוורון. אפילו פתיחה של גוף המיקרו-גל כשהוא מנותק עלולה להסתיים בהתחשמלות קטלנית עקב התפרקות של קבלים רבי עצמה. לא לנסות בבית!
תגובות אחרונות