לומדים פיזיקה: למה דגים לא טובעים? על כוח הציפה במים

חשבתם פעם למה דגים לא טובעים? רוב האנשים ישקעו אם לא ישמרו אוויר בריאות (וגם מי שלא ישקע לגמרי ממש לא ירחף כמו דג). אבל דג יכול להישאר במקום בלי שום מאמץ ופשוט לרחף במים.

איך זה עובד?

התשובה נמצאת בשני כוחות שפועלים על כל דבר בתוך המים : כוח הכבידה וכוח הציפה. בואו נצלול (🐟 קריצה-קריצה) לתוך הפיזיקה שמאחורי התופעה הזאת!

כוח הכבידה - הכוח שמושך הכל כלפי מטה

כוח הכבידה פועל על כל דבר ביקום. הוא תלוי במסת הגופים ובמרחק ביניהם - ככל שהמסה גדולה יותר והמרחק קטן יותר, הכוח חזק יותר.

אבל רגע! הגוף שלנו (וגם של הדג) לא סימטרי, ויש בו חלקים במסות שונות. אז איפה בדיוק פועל כוח הכבידה?

מרכז הכבידה - הנקודה הקסומה

כאן נכנס המושג מרכז הכבידה - זו נקודה דמיונית שמרכזת באופן שווה ערך את כל המשקל של הגוף. אפשר לחשוב עליה כעל "ממוצע משוקלל" של כל המסות בגוף.

הידעתם? מרכז הכבידה לא חייב להיות במרכז הגיאומטרי של הגוף! לדוגמה, בטבעת - מרכז הכבידה נמצא בכלל בחלל שבאמצעה, למרות שאין שם חומר.

כוח הציפה - הגיבור שלנו במים

כוח הציפה הוא הכוח שפועל כלפי מעלה על כל גוף שנמצא בנוזל. הוא שווה למשקל הנוזל שהגוף דוחה החוצה. זה הכוח שגורם לכדור חוף לקפוץ מעל המים ולעץ שנפל לנהר לצוף עליו.

החוק הזה התגלה לפני יותר מ-2,200 שנה על ידי המתמטיקאי והממציא היווני ארכימדס, ולכן הוא נקרא חוק ארכימדס.

כוח הציפה פועל דרך נקודה שנקראת מרכז הציפה - הנקודה שבה הנוזל ש"נדחה" היה שם לפני שהגוף תפס את מקומו.

החוק הזהב של הציפה

כדי שמשהו יצוף (כמו ספינה או... דג), כוח הציפה שפועל עליו חייב להיות גדול או שווה לכוח הכבידה (כן, ההוא ממקודם).

אם כוח הכבידה גדול יותר - הגוף טובע.

אם כוח הציפה גדול יותר - הגוף צף מעלה.

מה הסוד של הדגים? (רמז - האסטרטגיה)

לא כל הדגים "עובדים" באותו אופן! יש שני סוגים עיקריים של פעולה:

1. דגים גרמיים - בעלי שלפוחית הציפה 🎈

   רוב הדגים שאנחנו מכירים (כמו דג זהב, קרפיון, טונה) הם דגים גרמיים. כלומר, יש להם מבנה של עצמות ואת הכלי הקסום: שלפוחית הציפה.

   זו שלפוחית מלאה גז שהדג יכול לשלוט בגודל שלה! זה מעין בלון פנימי שאפשר לנפח ולרוקן.

   ככה בדיוק עובדת צוללת - שמכניסה ומוציאה מים ממיכלי הציפה שלה.

   - רוצה לשחות לעמקים? הדג מוציא גז מהשלפוחית 👈 הנפח קטן 👈 כוח הציפה פוחת 👈 הדג שוקע

   - רוצה לעלות לפני המים? הדג מכניס גז לשלפוחית 👈 הנפח גדל 👈 כוח הציפה עולה 👈 הדג צף למעלה

   - רוצה להישאר במקום? הדג מאזן את הגז בשלפוחית עד שכוח הציפה שווה בדיוק לכוח הכבידה

   
   

2. דגים סחוסיים - המאסטרים של השחייה הדינמית 🦈

   כרישים ודגים סחוסיים אחרים לא קיבלו שלפוחית ציפה מהטבע. אז איך הם עושים זאת?

   - כבד שומני גדול - נותן להם ציפה סטטית בסיסית

   - שליטה בזווית הסנפירים - כמו כנפי מטוס תת-מימי

   - שחייה מתמדת - רוב הכרישים צריכים לזוז כדי לשמור על הגובה הנכון.

   בלי תנועה, רוב הכרישים פשוט ישקעו לקרקע! (יש מינים בודדים בעולם שיכולים "לשכב" על הקרקעית ולנשום גם בלי תנועה, אבל אלה יוצאי דופן).

הפוך אותי על הגב - ניסוי מעניין 🔄

והנה החלק המרתק: אם תהפכו דג גרמי על הגב, הוא יתהפך חזרה מהר מאוד. למה?

• מרכז הכבידה של הדג נמצא בחלק התחתון של גופו, ומרכז הציפה בחלקו העליון.

  כשהדג על הגב, נוצר "זוג כוחות" שמסובב אותו חזרה למצב הטבעי - כמו כדור שמגלגל חזרה לתחתית של קערה.

  אבל כריש? זה סיפור אחר לגמרי!

  כשהופכים כריש על הגב, הוא נכנס למצב קטטוני זמני - סוג של קיפאון ביולוגי (או סוג של היפנוזה). אורקות חכמות מנצלות את התכונה הזאת כדי לטרוף כרישים בצורה יעילה יותר.

  אל תנסו את זה בבית (או בים...)

הנוסחה הקסומה של כוח הציפה 🧮

אוהבים מספרים?

כוח הציפה שווה למשקל המים שהגוף דוחה.

לכן אם גוף 'דוחה' 1 ליטר מים, הוא יקבל כוח ציפה של 1 קילוגרם! זה ממש פשוט בדיוק כמו שזה נשמע.

ניסוי בבית - צוללן קרטזי 🧪

רוצים לראות איך זה עובד? קחו:

• בקבוק פלסטיק שקוף גדול

• מזלף כמו של תרופות (או רפיל ריק של עט) עם מעט מים בפנים ("פיפטה". זה השם ה'מעבדתי')

• מים למילוי הבקבוק

מלאו את הבקבוק במים, הכניסו את הפיפטה (שצריכה לצוף), סגרו היטב ולחצו על הבקבוק. הפיפטה תשקע! הסיבה: הלחץ דוחס את האוויר בפנים, מכניס עוד מים ומקטין את כוח הציפה.

והנה עוד ניסוי שכיף לעשות:

כמה עובדות מפתיעות על ציפה 💡

• למה עץ צף וברזל שוקע? זה עניין של צפיפות - המשקל של חומר ביחס לנפח שלו. עץ פחות צפוף ממים, אז הוא צף. ברזל צפוף יותר, אז הוא שוקע.

• איך ספינת ברזל ענקית צפה? בגלל הצורה שלה! היא מעוצבת כך שהיא דוחה כמות עצומה של מים, מה שיוצר כוח ציפה גדול מספיק לשאת את כל המשקל הכבד שלה.

• דגי מים עמוקים לא יכולים לשלוט בציפה כמו דג הזהב המצוי, כך שאם תעלו אותם מהר למעלה, הם יתנפחו ולא יוכלו לחזור למטה!

• יש דגים ללא שלפוחית ציפה בכלל. הם חיים רוב הזמן קרוב לקרקעית ומסתמכים על שרירים חזקים כדי לשחות.

לא רק דגים - חיות ימיות אחרות 🐙

• דיונונים משתמשים בשק מלא אמוניה (חומר קל יותר ממים) כדי לשנות את הציפה שלהם.

• לווייתנים ויונקים ימיים שוקעים יותר כשהם מוציאים אוויר מהריאות לפני צלילה עמוקה, ואז משתמשים בשומן גופם לציפה בסיסית.

• למה דגי זהב צפים כשהם מתים? כי כשדג מת, הגזים שנוצרים בגופו מנפחים אותו ומגדילים את כוח הציפה!

• כרישי לוויתן, למרות גודלם העצום, הם "ענקים עדינים" ללא יכולת הגנה יעילה מפני לוויתני האורקה (השחור/לבן)

• דגים בחלל משתגעים לגמרי - כי אין כוח כבידה לעזור להם להבין איפה "מעלה" ואיפה "מטה"

אז התשובה הפשוטה לשאלה היא...

אז למה דגים לא טובעים?

כי הטבע נתן להם כלים מדהימים לשלוט בכוח הציפה שפועל עליהם. דגים גרמיים עושים זאת עם שלפוחית הציפה הגאונית שלהם, ודגים סחוסיים משתמשים בשחייה חכמה ובכבד שומני.

הפיזיקה שמאחורי זה היא אותה פיזיקה שמאפשרת לספינות ענק לצוף, לצוללות לשקוע ולעלות, ולכדור חוף לקפוץ מעל הגלים.

וכל זה בזכות המאבק הנצחי בין כוח הכבידה שמושך כלפי מטה לכוח הציפה שדוחף כלפי מעלה.

בפעם הבאה כשתצללו או תשנרקלו ותצפו בדג שרק מרחף במים בלי מאמץ או תנועה, תזכרו - זה לא קסם, זו פיזיקה במיטבה! 🐠⚖️