הידעת? כדורי טניס נשמרים בתוך מיכלים בלחץ גבוה
10/10/2019
נסו להיזכר בפעם האחרונה שקיבלתם בלוני הליום ליום ההולדת. אולי קניתם כאלה לילדים. לא משנה איזה בלון בדיוק קניתם, בסופו של דבר הבלון מאבד את ההליום שבתוכו וצונח אל הרצפה. מדוע זה קורה?
נתחיל בלציין שחלקיק של הליום מורכב מאטום הליום אחד והוא מאוד (מאוד!) קטן. מכיוון שכך, קשה מאוד ליצור חללים שיהיו אטומים לגמרי להליום (זוכרים את האלרגיה של האייפונים? [1]). החלל שמוגדר על ידי פנים הבלון סגור בגומי או רדיד אלומיניום דק שקשורים בקצה שלהם - לא בדיוק הבור בקריה. אז חלקיקי ההליום יכולים לעבור דרך הבלון. אבל למה?
אפשר להסביר את בריחת ההליום דרך כל מיני מושגים. אחד מהם הוא "השוואת לחצים". לחץ ההליום מחוץ לבלון הוא קטן מאוד ביחס ללחץ בתוך הבלון. בגלל זה הבלון מנופח. ההליום זורם מהאזור בו הלחץ גדול לאזור בו הלחץ קטן - החוצה מהבלון. המושג השני הוא "שימור חומר". בתוך הבלון יש הרבה יותר חלקיקי גז מאשר מחוץ לו; באטמוספירה רק חמישה חלקיקים ממיליון הם אטומי הליום [2]. בנוסף, החלקיקים האלו נעים כל הזמן. מדי פעם, חלקיק הליום שהיה בתוך הבלון מוצא את עצמו בחוץ. באותו האופן, חלקיק הליום שהיה מחוץ לבלון יכול למצוא את עצמו בפנים. מעצם העובדה שיש יותר חלקיקי הליום בתוך הבלון, יותר חלקיקים ימצאו את עצמן יוצאים החוצה מאשר נכנסים פנימה. דמיינו מעלית קטנה עם הרבה אנשים שנפתחת לחדר גדול וריק. בסוף, רוב ההליום שהיה בבלון יוצא החוצה.
בהתאם לתחום בפיזיקה שאתם אוהבים, אפשר להסביר את בריחת ההליום על ידי עוד מושגים, כולל מושג ה"אנטרופיה" החמקמק עליו כתבנו בהרחבה בעבר [3].
כדורי טניס בתוך מיכלי לחץ
לא משנה איזה הסבר מצא חן בעיניכם יותר, כולם מבוססים על כך שיש יותר חלקיקי הליום מצדו הפנימי של הבלון מאשר מצדו החיצוני. אפשר להסיק אם כן, שאם נכלא את בלון ההליום בתוך בלון הליום אחר, נצליח לשמור על ההליום בתוך הבלון הפנימי ליותר זמן. זאת מכיוון שמבחינת הבלון הפנימי - בתוכו ומחוצה לו לחץ ההליום זהה.
איך כל זה קשור לכדורי טניס? ובכן, כמו כדורגל וכדורסל, כדורי טניס גם הם ממולאים בגז כדי לתת להם את הקפיציות שלהם [4]. כאן לא מדובר בהליום, אלא באוויר. מכיוון שהנפח של כדורי טניס הוא קטן ומכיוון שלא ניתן לנפח מחדש כדורי טניס, היצרניות אוטמות את הכדורים בפחיות שבהן יש לחץ גבוה של אותו הגז. כדי שעד שתגיעו לשעת המשחק עם הכדורים - או לפיזיותרפיה, אנחנו לא שופטים! - הם יישארו קופצניים וגמישים.
מקורות וקישורים:
[1] - אלרגיה של אייפונים להליום באתר מדע גדול, בקטנה
[2] - כמה הליום יש באטמוספירה?
[3] - סדרת תרמודינמיקה באתר מדע גדול, בקטנה
[4] - על כדורי טניס באתר פדרצית הטניס הבינלאומית
אלה נמצאת בעיצומו של פוסט-דוקטורט במעבדה לחומרים קוונטיים אשר במחלקה לפיסיקה באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. במהלך הדוקטורט במכון וייצמן חקרה תכונות של חומרים מגנטיים בטמפרטורות נמוכות באמצעות מיקרוסקופ מגנטי שתוכנן ונבנה על ידה.
