מדוע כאשר שמים פקק שעם במים, הוא נוטה להדבק לדפנות הקערה? יוסי

דבר ראשון, כל הכבוד על חדות העין לפרטים קטנים, אני לא שמתי לב לזה, ומבדיקה קצרה שעשיתי באתרי מדע, אף אחד לא מזכיר כזו תופעה. החלטתי לבדוק בעצמי "הַכְּצַעֲקָתָה" – ואכן כך. כפי שאפשר לראות בסדרת התמונות הבאות (הזמן מתקדם משמאל לימין שורה אחרי שורה)

ההסבר לתופעה הוא די פשוט, והוא מורכב משתי סיבות:
הראשונה – הסבר איך בכלל השעם מגיע לדפנות: עבור חפץ צף על מים ישנו מעט מאוד כוח חיכוך שמתנגד לתנועה, בשל כך (ולפי החוק הראשון של ניוטון) כל תנועה, אפילו קלה ביותר, שיש לשעם ברגע שהוכנס לקערת המים, פשוט תמשיך באותו כיוון. מכיוון שהקערה יחסית קטנה, תוך מספר שניות עד מספר דקות (תלוי במהירות ההתחלתית של השעם ובגודל הקערה) השעם יפגוש בדפנות הקערה. אם תכניס שעם בזהירות ואיטיות לקערת מים, תוך הקפדה על כך של תהייה לו כל מהירות הוא פשוט יישאר במקום בו הוכנס, ולא יגיע לשום דופן. בכל אופן, עבור שעם בעל תנועה שמתנגש בדופן הקערה ניתן לראות שבמקום לבצע התנגשות ולפנות חזרה כמו כדור ביליארד, השעם אכן נוטה להישאר דבוק לדפנות.
וכאן באה הסיבה השנייה לתופעה – הסיבה להידבקות: א. שעם הינו קליפה של עץ אלון השעם, שבנוייה, כמו כל קליפות העצים, בעיקר מהחומר תאית (צלולוזה), שהוא פולימר (כלומר חומר כימי שמורכב מהרבה יחידות זהות שמחוברות אחת לשנייה) של הסוכר גלוקוזה, שמאופיין בהרבה קבוצות הידרוקסיל (OH).

המבנה הכימי של היחידה החוזרת בצלולוזה/ תאית (ויקיפדיה)

ב. הנוסחה הכימית של המים היא H₂O, ומולקולות המים יכולות ליצור בינם לבין עצמן, ובינם לבין חומרים אחרים עם קבוצות הידרוקסיל קשרים בין-מולקולרים חזקים מסוג קשרי מימן. ג. הזכוכית (ממנה עשייה הקערה) עשוייה בעיקר מתחמוצת של סיליקון/צורן SiO₂, חומר פולרי מאוד שיכול ליצור קשרים בין-מולקולרים עם המים הקוטביים, בנוסף לרוב בקצה החיצוני ביותר של הזכוכית ישנם קבוצות הידרוקסיל הקשורות לסיליקון, Si-OH, שגם יכולות ליצור קשרי-מימן עם מים. (בשל-כך, טיפות מים נדבקות לזכוכית, ולא נוזלות ממנה באופן מיידי, באופן כללי התכונה נקראת 'הרטבה')
כל הסיבות הנ"ל גורמות לכך שישנם כוחות אדהזיה (כוחות בין שטח פנים של חומר אחד לשטח פנים של חומר אחר) חזקים, בין המים לפקק השעם ובין המים לזכוכית, ובסך הכל המים משמשים כמעין דבק אלקטרוסטטי שמחזיק את פקק השעם צמוד לזכוכית (בתנאי כמובן שמהירות ההתנגשות שלו לא גבוהה מאוד, ואז כן ינתז חזרה). אפשר לראות בתמונה מהצד, את כוחות האדהזיה בפעולה – הם גורמים לנימיות, כלומר למים לטפס מעלה ברווח הצר בין השעם לזכוכית.

פני המים באיזור שבין הפקק לקערה גבוהים יותר

בתמונה בקישור שכאן אפשר לראות תופעה דומה: עלים שמתרכזים סביב גזע עץ שצומח בתוך אגם מים, וכאן – קוביות קרח וסתם קוביית עץ בתוך מים (רואים שגם הם נדבקים לדפנות), ומצד שני – נרות הבנויים משעווה, אותה המים לא 'מרטיבה' לא נדבקים לדפנות, לחצו כאן לתמונה).

בנוסף לנ"ל ישנו אפקט הנקרא אפקט צ'יריוס (שנקרא על שם דגני הבוקר) בו – בשל מתח הפנים של נוזל – גופים הצפים על פניו נוטים להצטופף אחד ליד השני, וגם להידחף לקצוות (הסיבות לאפקט לא ידועות לחלוטין, וההסבר שהצעתי למעלה הוא גם אחד מפניו של ההסברים האפשריים).

מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה