הסוד של חרקי המים, שאותו תוכלו לגלות בבית בפעילויות חמודות וכיפיות – ועוד סודות פיזיקליים מרתקים נוספים!

תקציר: הסוד של חרקי המים הפוסט "הסוד של חרקי המים" חושף את הפלא הפיזיקלי של רצי המים. יכולתם לנוע על המים נובעת ממתח פנים – מולקולות מים נמשכות פנימה, יוצרות קרום מתוח. רגליהם הארוכות וההידרופוביות מנצלות זאת. הם משתמשים בגומות ליצירת צלליות ייחודיות ומתקשרים באדוות. פעילויות ביתיות והסבר כמותי ממחישים את כוח מתח הפנים.

ראיתם פעם רצי מים ("ישו-יים") ההולכים במהירות על המים?

בכל פעם שאנחנו מתבוננים בבריכה קטנה, שלולית או נחל רדוד, סביר להניח שנראה "רקדנים" קטנים וזריזים: רצי המים. הם נעים בקלילות מדהימה על פני המים, כאילו חוקי הפיזיקה אינם חלים עליהם. הם לא שוקעים, לא נרטבים, ונדמה שהם מטילים כישוף על המים סביבם. איך הם עושים את זה? האם זה קסם? ובכן, זה כמעט קסם – אבל זה קסם מדעי, והוא טמון בתופעה מופלאה שנקראת מתח פנים. בואו נבין את הסוד.

הנה תמונה של רץ מים. התבוננו בגומות שהוא יוצר במים ובצלליות המיוחדות שלו:

תמונה מקרוב של פסען מים שט. ניתן לראות את הגומות שהוא יוצר במים ואת הצללית שלו — תמונה מקרוב של רץ מים שט. ניתן לראות את הגומות שהוא יוצר במים ואת הצללית שלו. צולם ע"י שפרה קיטרוסקי

והנה בסרטון:

איך רצי המים הולכים על המים?

כדי להבין את סודם של רצי המים, עלינו לצלול אל העולם המיקרוסקופי של מולקולות המים.

מתח פנים

מים זה חומר מאוד מיוחד, שאפשר התפתחות חיים על כדור הארץ. אחד התכונות המיוחדות של המים, הוא שהם חומר דביק! מולקולות מים נדבקות זו לזו בכוח שנקרא "קוהזיה" ונדבקות לסביבה בכוח שנקרא "אדהזיה".

מולקולת המים (H₂O) מורכבת מאטום חמצן אחד ושני אטומי מימן. לאטום החמצן יש 6 אלקטרונים בקליפה החיצונית שלו, ולכל אטום מימן יש אלקטרון אחד.

החמצן והמימנים חולקים את האלקטרונים שלהם בקשרים שנקראים קשרים קוולנטיים. אטום החמצן שואף להגיע למבנה יציב של 8 אלקטרונים בקליפתו החיצונית על ידי שיתוף, ואילו כל אחד מאטומי המימן שואף להגיע למבנה יציב של 2 אלקטרונים. שיתוף זה של אלקטרונים יוצר את הקשרים החזקים שבונים את מולקולת המים.למרות שהאלקטרונים משותפים בקשרים אלה, השיתוף אינו שווה. אטום החמצן הוא "חמדן" יותר מבחינה חשמלית מאטומי המימן – הוא מושך את האלקטרונים המשותפים אליו חזק יותר. תכונה זו נקראת אלקטרושליליות.

בגלל משיכה זו, האלקטרונים המשותפים מבלים יותר זמן ליד אטום החמצן. כתוצאה מכך, אזור החמצן במולקולה מקבל מטען חלקי שלילי (מסומן כ-δ⁻), ואילו אטומי המימן מקבלים מטען חלקי חיובי (מסומן כ-δ⁺).

בזכות שני הקצוות הטעונים האלה – קוטב חיובי וקוטב שלילי – מולקולת המים נקראת מולקולה קוטבית. תכונה זו היא שמאפשרת למים להיות מולקולת חיים חיונית כל כך, והיא המפתח להבנת תופעות רבות כמו מתח פנים, המסיסות של חומרים רבים במים, ועוד.

תרשים המדגים את מבנה מולקולת המים עם סימוני המטען החלקי על אטומי החמצן והמימן. — **איור של מולקולת מים המדגיש את המבנה הקוטבי שלה ואת סידור אטומי החמצן והמימן.**

כוחות הקוהזיה גורמים למתיחות בקרום המים

בתוך גוף המים, כל מולקולת מים מוקפת ונמשכת על ידי מולקולות מים מכל הכיוונים, מה שגורם לכך שהכוח השקול על מולקולת מים בתוך גוף המים, הוא 0. על פני השטח של המים, הסיפור שונה: מולקולות המים נמשכות בעיקר על ידי המולקולות השכנות להן בצדדים ולמטה (אל תוך המים). אין להן מולקולות מים מעליהן למשוך אותן. כתוצאה מכך, נוצר כוח משיכה נטו כלפי מטה ופנימה. כתוצאה מהכוח הזה, קרום המים נמתח ומאפשר הנחת חפצים קלים על הקרום. דמיינו שמיכה דקה ואלסטית, אם מותחים אותה, ניתן להניח עליה חפצים. אפשר גם לדמיין חבל, שאם הוא מתוח מספיק, אנשים יכולים ללכת עליו ואם הוא רפוי זה לא יצליח.

בתוך גוף המים, מולקולות המים נמשכות לכל הכיוונים במידה שווה ואילו בקרום המים יש כוח משיכה נטו לצדדים וכלפי מטה אשר יוצר את המתיחות בקרום המים.

אדם עומד על טרמפולינה ויוצר גומה בדומה לחרקי המים שיוצרים גומה על קרום המים.

התאמות רצי המים לתווך שבין המים לאוויר

רצי המים הם דוגמה מרהיבה להתאמה ביולוגית מושלמת לעקרונות פיזיקליים. יכולתם לנוע על פני המים נובעת משילוב מנצח של שתי תכונות מפתח ברגליהם: הן ארוכות ודקות, ומכוסות בשערות מיקרוסקופיות דוחות מים (הידרופוביות). הרגליים הארוכות מאפשרות לרץ לפזר את משקלו הזעיר על פני שטח מגע גדול, ובכך להפחית את הלחץ על מתח הפנים של המים. במקביל, השערות ההידרופוביות מונעות מהמים להרטיב את הרגליים וליצור קשר שישבור את קרום מתח הפנים. לפסען יש כמה אלפי שערות כאלה.

אם מתח הפנים של המים משתנה, בעקבות הכנסת סבון,שמן או חומרים נוספים שהורסים את מתח הפנים של המים, רצי המים לא יוכלו יותר לצוף או לנוע על המים.

צלליות רצי המים

כשמסתכלים על רצי המים במים רדודים שטופי שמש, מבחינים במחזה נוסף ומרתק: הצלליות הייחודיות שהם מטילים על הקרקעית. צלליות אלה אינן דומות לצל הרגיל שאנו מכירים. צורת הצללית אינה תואמת את צורת גוף הרץ. איך ייתכן שהצללית שונה כל כך מהגוף שמטיל אותה?

תמונה של פסען מים על פני מים, עם הצלליות שיצר על הקרקעית, ותבניות מעניינות סביבו. — רץ מים מטיל צללית על קרקעית המים. צולם ע"י שפרה קיטרוסקי

הסוד שמאחורי צלליות אלו טמון בגומות העדינות שיוצרות רגלי הרץ על פני המים. גומות אלו, למעשה, מתפקדות כעדשות מפזרות טבעיות. כאשר קרני אור השמש עוברות דרך המים ופוגעות בגומות, הן נשברות (משנות את כיוונן) ומתפזרות החוצה. האור מתפזר לטבעת אור עגולה סביב עיגול של צל. אופן הפעולה הוא בדיוק הפוך מעדשה מרכזת.

דיאגרמת הסבר על מתח הפנים עם אלמנטים של מים, מקור אור וצל. — איור המראה אתמהלך הקרניים של האור דרך עדשת מתח הפנים. העדשה מסיטה את כל קרני האור לטבעת אור סביב עיגול של צל. האיור נלקח מ- Wayne H. Knox, Institute of Optics, University of Rochester ותורגם ע"י שפרה קיטרוסקי.

פסען מים צועד על פני מים, יוצר גומות ואפקטים של אור במים. — רץ מים על פני המים, הדוגמה המושלמת להמחשת תופעת מתח הפנים. צולם ע"י שפרה קיטרוסקי

חוקרים מסין פיתחו שיטה שמאפשרת מדידה של כוחות מתח הפנים ע"י גודל הצל שמטיל רץ המים על הקרקע ועקרון ארכימדס. הם ראו שהכוח מתכונתי לינארית לשטח הצללית. בשיטה זו יכלו למדוד ברגישות מאוד גבוהה את הכוחות העדינים הללו. הנה קישור למאמר.

מדוע רצי המים בחרו לחיות בבית גידול זה?

היכולת המדהימה של רצי המים לנוע על פני המים אינה רק פלא פיזיקלי, אלא גם התאמה אבולוציונית חכמה. נישת הגידול שבין האוויר למים היא מקום רגיש ביותר עבור חרקים רבים. חרקים שנלכדים על פני המים, בין אם נפלו בטעות ובין אם נגמרו להם הכוחות, הופכים לטרף קל עבור רצי המים. היכולת שלהם לנוע במהירות ובקלות על "מלכודת" זו, מאפשרת להם גישה קבועה ושופעת למקור מזון, תוך הימנעות מתחרות עם טורפים יבשתיים או מימיים.

תמונה של פסען מים הולך על פני המים, עם גומות עגולות הנראות סביבו, במים צלולים שבתוכם נראית צמחייה ואחרים. — זוג רצי מים טורפים גמל שלמה. צולם ע"י שפרה קיטרוסקי

תקשורת רצי המים: עוד פיזיקה מרתקת!

רצי המים מתקשרים באמצעות אדוות שהם מייצרים על פני המים. תדירות יצירת האדוות מקודדת למסרים. למשל יצירת אדוות בתדירות של 25 הרץ (25 אדוות בשניה) היא אות דחייה שזכר יוכל לשדר לזכר אחר כהגנה על טריטרוה. 10 הרץ זה אות איום ואילו 3 הרץ זה אות חיזור.

פעילויות שאפשר לעשות בבית להדגמת מתח פנים

אציג פה שתי פעילויות שכולם יכולים לעשות בבית.

בלי שיישפך

זו פעילות ממש כיפית ומצחיקה. אפשר לעשות אותה עם מטבע ופיפטה ואם אין לכם פיפטה אז עם כוס ובקבוק ספורט.

על אחד בתורו מוסיף מים למטבע/ לכוס ומי שנשפך לו הוא המפסיד.

ככה נראית גרסת המשחק עם מטבע ופיפטה:

משחק שמלמד על מתח פנים באמצעות פיפטה ומטבע

ניתן לראות כי המים על המטבע מלוכדים בצורה של כיפה, בגלל הנטייה של המים לצמצם כמה שיותר את שטח הפנים.

אם אין לכם פיפטה, השתמשו בבקבוק ספורט וכוס מים:

להניח מחט על מתח הפנים

זו חידה. איך ניתן להציף מחט מברזל על המים? הרי הברזל הוא כבד יותר ממים ולא אמור לצוף.

זה נראה ככה:

תמונה של צלחת שטוחה עם מים, מחזיקה לא בצלחת חפץ מתכתי קטן, כמו קליפס, צף על פני המים. — אטב משרדי מברזל נח על מתח הפנים של המים. ניתן לראות את הגומה שיותר האטב על המים. ניתן לחילופין גם עם מחט.

בניסיון ראשון כאשר המחט מאוד יבשה, קל יותר להצליח. ברגע שהמחט קצת רטובה זה קשה הרבה יותר. אם לא מצליחים ניתן להניח על נייר טואלט ואז להוריד את הנייר כלפי מטה ולהסיט אותו הצידה. ניתן גם למלא רק מעט מים להטות את הצלחת, להניח את האטב על הצלחת איפה שאין מים ולא לאט להסיט את המים אל האטב.

מצפן שטח

ניתן גם למגנט את האטב/ הסיכה לפני שמניחים אותה על המים. ממגנטים ע"י החזקה ליד מגנט או שפשוף במגנט. כאשר הסיכה ממוגנטת ומונחת על המים היא משמשת כמצפן. המים גורמים לכך שהיא תהיה תמיד אופקית ותושפע בקלות מהשדה המגנטי הארצי.

מחט נחה על מתח הפנים של המים. המחט ממוגנטת ולכן היא מביעה לכיוון צפון-דרום בזהה למצפן.

ניתוח כמותי

מתח הפנים אינו רק תופעה ויזואלית מרתקת, אלא כוח פיזיקלי שניתן למדוד ולכמת. עוצמתו נמדדת ביחידות של כוח לאורך יחידת אורך (לרוב בניוטון למטר, N/m, או במיליניוטון למטר, mN/m). בטמפרטורת החדר, מתח הפנים של המים הוא כ-72.8 מיליניוטון למטר.

חישוב הכוח הפועל על רץ מים כתוצאה ממתח פנים

כדי לחשב את הכוח שמים מפעילים על רץ מים כלפי מעלה באמצעות מתח הפנים, נצטרך את הנתונים הבאים:

מתח הפנים של המים (γ): נשתמש במתח הפנים של מים מזוקקים בטמפרטורת החדר (20°C), שהוא בקירוב 72.8 מילי-ניוטון למטר (mN/m). כלומר, 72.8×10−3N/m.
האורך הכולל של קו המגע בין רץ המים למים (L): הקף קו מגע של החרק עם המים הוא כ-24.5 ס"מ כאשר הוא עומד על המים.

החישוב:

F=γ⋅L

F=(72.8×10−3N/m)⋅(0.245m) F≈0.002N

תוצאה:

הכוח שמים מפעילים על רץ מים כלפי מעלה באמצעות מתח הפנים הוא בקירוב 0.002 ניוטון.

כדי להשוות זאת למסה של רץ המים:

מסה של רץ מים היא קטנה מאוד, בדרך כלל כמה עשרות מיליגרמים בודדים. לדוגמה, סביב 10-20 מיליגרם (10−20×10−6 ק"ג).
ניקח לדוגמה מסה של 15 מיליגרם (0.000015 ק"ג).
כוח הכבידה הפועל על רץ המים (משקלו) הוא: W=m⋅g, כאשר g≈9.8m/s2.
W=(0.000015kg)⋅(9.8m/s2)=0.000147N.

בחישוב זה, הכוח כלפי מעלה ממתח הפנים (כ-0.002 ניוטון) גדול משמעותית ממשקל רץ המים (כ-0.000147 ניוטון), מה שמסביר את יכולתו של רץ המים לעמוד ואף לנוע על פני המים.

ככל שהמים יותר קרים, כך מתח הפנים גדול יותר, לכן במים קרים נוכל למצוא רצי מים מסיביים יותר.

כאשר רצי המים רוצים לנוע, הם מפעילים כוחות נוספים על המים ע"י דחיפה, והמים מפעילים עליהם כוח בחזרה, לכן דרוש כוח של מתח פנים רב יותר מאשר משקל החרק.

חישוב הכוח הפועל על אטב משרדי כתוצאה ממתח פנים

נשתמש באותם הנתונים של מתח הפנים והנוסחה מהחישוב הקודם וכעת:

הקף האטב הוא 20.5 ס"מ.

החישוב:

F=(72.8×10−3N/m)⋅(0.205m) F≈0.0149N

תוצאה:

הכוח שמים מפעילים על אטב נייר קטן כלפי מעלה באמצעות מתח הפנים הוא בקירוב 0.0149 ניוטון.

כדי להשוות זאת למסה של האטב:

מסה של אטב נייר קטן היא בדרך כלל כ-1 גרם, כלומר 0.001 ק"ג.
כוח הכבידה הפועל על האטב (משקלו) הוא: W=m⋅g, כאשר g≈9.8m/s2 (תאוצת הכבידה).
W=(0.001kg)⋅(9.8m/s2)=0.0098N.

הכוח כלפי מעלה (0.0149 ניוטון) גדול יותר ממשקל האטב (0.0098 ניוטון), ולכן האטב צף.

הסוד של חרקי המים, שאותו תוכלו לגלות בבית בפעילויות חמודות וכיפיות – ועוד סודות פיזיקליים מרתקים נוספים!

תוכן עניינים

ראיתם פעם רצי מים ("ישו-יים") ההולכים במהירות על המים?