מים בורחים מכוֹס

בניסוי הזה נלמד איך מים יכולים "לברוח" ממכל אחד לאחר – וכל זה בלי מגע בעזרת תופעה שנקראת נימיות.

ציוד

• 2 כוסות
• מים
• נייר סופג / מגבת נייר
• צבע מאכל (לא חובה, להמחשה בלבד)
• סבלנות :-) (ניסוי מלא לוקח כ-4 שעות, אם כי כבר כעבור 20 דקות מתחילים לראות תוצאות יפות)

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

למה מים נספגים?

אם נכניס, כמו בניסוי שבסרט, נייר סופג או סמרטוט כותנה לתוך כוס מים, ונוציא אותם החוצה – הם כמובן יספגו את המים בצורה מעולה, הם ממש יהיו רווים במים הדבוקים אליהם. מצד שני – אם נכניס שקית פלסטיק למים, או בד של מטריה או מעיל גשם לתוך כוס מים ונוציא – נראה שהמים בכלל לא נספגים בהם, וגם בקושי אפילו נדבקים אליהם: ניעור קל ואפילו מעט טיפות המים שהצליחו להיאחז בהם יפלו. והשאלה שנשאלת היא מה הסיבה לכך? מה ההבדל בין שקית פלסטיק לבין נייר?

התשובה טמונה ברמה החלקיקית – כלומר בחלקיקים הקטנים (אטומים ומולקולות) מהם בנויים החומרים. בקיצור – מים נדבקים ונספגים היטב לחומרים שיוצרים עם המולקולות שלהן כוחות משיכה חזקים, ולא נדבקים ונספגים לחומרים שלא יוצרים איתם כוחות משיכה חזקים. לכוחות משיכה / הידבקות / הִצמדות של חומרים שונים זה לזה קוראים אדהזיה. במילים אחרות – למים יש אדהזיה חזקה לנייר ולכותנה, אבל אדהזיה חלשה לשקית פלסטיק (פוליאתילן).

ולמה האדהזיה שונה? כי כוחות המשיכה העיקריים שמים יכולים לקיים נקראים 'קשרי מימן'. אלו סוג של קשרי משיכה חשמליים (בין מטענים חשמליים חלקיים, 'פלוסים' ו'מינוסים'). שקית פלסטיק לא מסוגלת ליצור קשרי מימן כלל – ולכן האדהזיה בינה לבין המים חלשה, ואילו נייר וכותנה, שמקורם בצמחים, בנויים מסיבים של חומר הנקרא תאית (צלולוז). התאית עשירה בקבוצות הידרוקסיל (OH, כלומר אטום מימן H המחובר ישירות לאטום חמצן O) המסוגלות ליצור קשרי מימן עם המים (שבעצמם בנויים מחמצן ומימן) – ולכן יוצרים אדהזיה חזקה למים.

קטע ממולקולות תאית/צלולוז המרכיבות נייר וכותנה: המולקולה היא למעשה פולימר – כלומר מורכבת מהרבה (פולי, מסומן ב-n) יחידות (מר) המחוברות זו לזו. היחידות הבונות עשירות מאוד בקבוצות הידרוקסיל OH שיוצרים קשרי מימן מצויינים עם מים

ולמה מטפסים?

כמו שראינו בניסוי, המים לא רק 'נספגים' בנייר שמוכנס למים, אלא ממש 'מטפסים' עליו מעלה, נגד כוח המשיכה, והצידה – עד שכולו הופך ספוג במים. התופעה הזאת נקראת 'עליה נימית' או 'נימיות' – משום שרואים אותה מתרחשת גם כאשר מכניסים צינורות דקיקים (נימים) לתוך מים – המים מטפסים מעלה במעלה הצינור.

עליה נימית של מים (שמאל) ואלכוהול (ימין) בתוך צינורות זכוכית דקיקים | מקור: ויקיפדיה, צילום: גיא בלס

העלייה הנימית נוצרות בגלל האדהזיה שהוזכרה קודם – כוחות המשיכה 'מושכים' את המים להרטיב את סיבי הנייר / דפנות הצינור. אבל אם זה היה רק האדהזיה, אז הנייר פשוט היה נהיה 'לח' – ומצופה בשכבה דקיקה ביותר של מים, או שדפנות הצינור היו נרטבות. אבל אם נוגעים בנייר הסופג, רואים שהוא ממש רווי במים, שהמים 'ממלאים' את כולו, כולל כל המרווחים בין הסיבים שמהם הוא בנוי. אם מכניסים צינור דקיק למים – רואים שהמים שעולים בו לא ספוגים רק על דפנות הצינור אלא ממלאים את כל הצינור. וזה בגלל עוד סוג של כוח, שנקרא קוהזיה, שזה כוח המשיכה שקיים בין חלקיקי המים (או כל חומר) לבין עצמם. נסביר איך: נניח שיש שני סיבים דקיקים של נייר הקרובים זה לזה – האדהזיה אחראית לעליה וההיצמדות של המים על הסיבים עצמם, והקוהזיה, שמושכת מולקולות מים לעבר מולקולות מים אחרות, אחראית למילוי המרווח שבין הסיבים - או החלל שבין דפנות צינור דקיק - במים. הכוחות הללו חזקים מספיק אפילו להתגבר על כוח המשיכה – שמתנגד אליהם ומושך את המים כלפי מטה. עם זאת, גם להם יש גבול, ואי אפשר להשתמש בנימיות לשאיבת מים עד אינסוף.

התשובה לחידה בסוף הסרטון - למה גובה המים משתווה?

כעבור כארבע שעות, רואים כי תנועת המים "נעצרת" – בדיוק כאשר המים מגיעים לאותו הגובה בשתי הכוסות. אז מה הסיבה לכך? תשובה אינטואיטיבית למי שלמד מעט פיזיקה היא שזה 'בגלל חוק כלים שלובים' – הבעיה היא שחוק כלים שלובים לא תקף כאן כלל: החוק מדבר על כלי מים רחבים, המחוברים בתחתיתם, ועל לחץ הידרוסטטי ששואף למינימום – בפועל אין צינורות רחבים, הכלים לא מחוברים בתחתיתם, ובכלל זרימת המים מעלה שמתרחשת בתחילת הניסוי מנוגדת לכל עקרון של שמירת לחץ הידרוסטטי נמוך (ככל שעמוד מים יותר גבוה הלחץ ההידרוסטטי שלו עולה) – כך שזאת לא יכולה להיות הסיבה. למרות שהתוצאה הסופית אכן נראית דומה למתקבל ב'כלים שלובים'.

התשובה נעוצה (שוב) ברמה החלקיקית – שימו לב שכתבתי שתנועת המים "נעצרת" במרכאות כפולות. היא רק נראית לנו כנעצרת, בפועל תנועת המים שאנו רואים על גבי הנייר הסופג נוצרת עקב תנועה אקראית של מולקולות המים על גבי הנייר – לכל הכיוונים האפשריים. כל עוד גובה המים לא שווה בכוסות – הדרך שעל המים לעשות מעלה (שזאת התנועה שקשה למים, כנגד כוח המשיכה) מהכוס היותר מלאה אל הכוס היותר ריקה היא פשוט קצרה יותר, ולכן בנטו אנו רואים זרימה אל עבר הכוס היותר ריקה. עם התמלאות הכוסות הדרך הולכת ומשתווה – ושימו לב בסרטון שקצב המילוי של הכוס הולך ומואט. בסוף כאשר הדרכים שעל חלקיקי המים לעשות זהה – כבר לא רואים תנועה נטו של מים, למרות שתמיד מתרחשת תנועה של חלקיקי מים בין הכוסות. נקודות למחשבה – איך אפשר להוכיח את זה, ומה יקרה אם הכוסות לא יהיו באותו הגובה... (כדאי לנסות). הסבר נוסף להשתוות הגובה הוא שכוחות הקוהזיה בין המים המושכים זה את זה יוצרים לנו מעין סיפון – שגם הוא מוביל לתוצאה דומה לכלים שלובים.