עמוד הבית > מדעים > פיסיקה ומבנה החומר [כימיה]
גליליאו צעיר בע"מ


תקציר
מה גורם לסְּבִיבוֹן להסתובב? כיצד הוא לא נופל, למרות שהוא מונח על חוד דק? וכיצד הסיבוב תורם ליציבות הסְּבִיבוֹן?



ניפגש בסיבוב
מחברת: ענת גבריאלי


הם יכולים להיות עגולים או קובִּיָּתִיִּים, שטוחים או עמוקים, כבדים או קלים, אך לכולם יש סוד משותף. מהו סוד הַסְּבִיבוֹנִים וכיצד הוא קשור לְכוֹכְבֵי הַלֶּכֶת? אתם מוזמנים להצטרף לסיבוב קצר, לבקר בתרבויות עתיקות ואפילו בחלל – עד שיסתובב לכם הראש

בחג החנוכה ריח מתוק ונפלא ממלא את האוויר. מכל מַאֲפִיָּה צצות סופגניות עסיסיות ממולאות בריבה. הַחֲנוכִּיָּה ניצבת כאורחת של כבוד על אֶדֶן החלון, ובכל ערב אנו מוסיפים נר צבעוני לחגיגה. ובאחת הפינות תופס לו תנומה קלה סְּבִיבוֹן אפור, פשוט וקטן. הוא עשוי מֵעוֹפֶרֶת יְצוּקָה. אתם יודעים, כמו שהיה פעם, הרבה לפני שהמציאו את הַבֵּייבּלֵיידים ואת כל הסְּבִיבוֹנִים המתוחכמים. למען האמת, ניתן להבחין כי הסְּבִיבוֹן הסתובב לא מעט במהלך חייו, אך עדיין - כשמנסים לסובבו הוא מִתְיַשֵּׁר, עומד זקוף ועם תנועת היד מתחיל להסתובב במרץ רב ובמהירות ואפילו עוקף (בסיבוב) כמה מהסְּבִיבוֹנִים החדשים.

בכל הצורות והצבעים

סְּבִיבוֹן מֵעוֹפֶרֶת יְצוּקָה היה פעם מאוד מקובל, ואפשר להבין למה. הוא היה חזק ועמיד ולא היה כמעט סיכוי שמשהו ישבור אותו. אבל, סְּבִיבוֹנִים עשויים גם מחומרים שונים כמו עץ, פלסטיק, זכוכית, מתכת, אבן ואפילו נייר. היום, אפשר גם לסובב סְּבִיבוֹנִים משוכללים כמו סְּבִיבוֹן מֵאִיר, סְּבִיבוֹן מְזַמֵּר, סְּבִיבוֹן מצייר, וכמובן, עד לא מזמן, כולם התלהבו מסביבוני הַבֵּייבּלֵייד שהפכו ללהיט וסובבו את הראש לא רק לְיַלְדֵי יִשְׂרָאֵל אלא לכל ילדי העולם.

לסְּבִיבוֹנִים ישנן גם צורות שונות ומשונות: הם עגולים או קובִּיָּתִיִּים, שטוחים או עמוקים, כבדים או קלים, אך לכולם יש סוד משותף.

סוד סיבוב הסְּבִיבוֹן

הַסְּבִיבוֹן בו אנו משחקים הוא גוף תְּלַת מְמַדִּי בעל חוד. כדי להבין כיצד מסתובב הסְּבִיבוֹן, נערוך ניסוי קטן: נסו להעמיד את הסְּבִיבוֹן שלכם על חודו בלי לסובב אותו. זה לא מצליח, נכון? הסְּבִיבוֹן נופל על צידו. כעת העמידו את הסְּבִיבוֹן על חודו וסובבו אותו במהירות. הַפְלֵא ופֶלֶא, הפעם זה מצליח. כל עוד מסתובב הסְּבִיבוֹן סביב עצמו, הוא נשאר זקוף. כעת שימו לב לדבר נוסף: ככל שתנועת הסיבוב של הסְּבִיבוֹן שלכם מהירה יותר, כך הוא גם מסתובב זמן רב יותר לפני שהוא נופל. לאחר שמהירות סיבובו פּוֹחֶתֶת, הסְּבִיבוֹן נופל על צידו ובסופו של דבר נעצר.

אז, מה גורם לסְּבִיבוֹן להסתובב? כיצד הוא לא נופל, למרות שהוא מונח על חוד דק? וכיצד הסיבוב תורם ליציבות הסְּבִיבוֹן? כדי לענות על כל אותן שאלות אנו צריכים להבין כמה כללים פִיסִיקָלִיִּים. כללים שֶׁנִּיסֵּחַ הַמַּדְּעָן הַדָּגוּל אַיְזְיק נְיוּטוֹן. באופן כללי ניתן לומר שתנועת הסְּבִיבוֹן מְצַיֶּתֶת לְחוקֵּי הַמֶּכָנִיקָה (כללי התנועה) שגילה נְיוּטוֹן. אבל, מהם אותם חוקים?

נתחיל בכך שכדי לסובב את הסְּבִיבוֹן אנו מפעילים כוח באמצעות היד. אחד מִכְּלָלֵי נְיוּטוֹן קבע, שאם לא נפעיל על עֶצֶם מסוים כוח - הוא יישאר במנוחה, ואם הוא נע - הוא ימשיך לנוע. כְּשֶׁמַּקְנִים לגוף, כמו לסְּבִיבוֹן, תנועה סיבובית הוא רוכש לעצמו גודל פִיסִיקָלִי (הַמְּכונֶּה תֶּנַע זָוִיתִי) ורק הפעלת כוח בצורה מאוד מסוימת יכולה לגרום לו להשתנות. לתֶּנַע הזָוִיתִי יש כיוון – בכיוון ציר הסיבוב, שנוטה תמיד לְהִשָּׁמֵר.

מֶשֶׁךְ זמן סיבוב הסְּבִיבוֹן תלוי גם בגודלו וגם בכוח שאנו מפעילים עליו. ככל שֶׁהַמָּסָה (כמות החומר) של הגוף גדולה יותר, וככל שמהירות סיבובו על צירו (סביב עצמו) גבוהה יותר, כך יהיה לנו קשה יותר לשנות את כיוונו המקורי של אותו ציר-סיבוב. תכונה זו, לשמור על כיוון ציר הסיבוב, מכונה הַתְמָדָה זָוִיתִית והיא משותפת לגופים מכל הסוגים המסתובבים במהירות, ולכן, מַטְבֵּעַ או סְּבִיבוֹן לא יפלו כל עוד הם מסתובבים במהירות. כשהסְּבִיבוֹן מֵאֵט בעקבות חִיכּוּךְ, הוא מתחיל לְאַבֵּד את יצִּיבוּתוֹ או במונחים פִיסִיקָלִיִּים: התֶּנַע הזָוִיתִי שלו הולך וְקָטֵן, והוא פחות יציב - עד שהוא נופל.

הַתְמָדָה זָוִיתִית זו היא גם העיקרון הַמְּיַצֵּב של הָאוֹפַנַּיִם. כאשר הָאוֹפַנַּיִם שלנו לא נמצאים בתנועה - קשה לְיַצֵּב אותם. הרבה יותר קל לשמור על שיווי המשקל שלהם כשהגלגלים מסתובבים.

מסתובבים בשמיים

התנועה הסיבובית של הסְּבִיבוֹן ממלאת, למעשה, את הַיְּקוּם כולו. עד לפני כ-500 שנה, בני האדם האמינו שֶׁכַּדּוּר הָאָרֶץ הוא מרכז העולם וכי השמש, יחד עם כיפת השמיים כולה, מקיפה אותו. אולם, הַמַּדְּעָן הֶחָכָם נִיקוֹלַאס קוּפֶּרְנִיקוּס היה הראשון שהכריז כי כדור הארץ אינו מרכז העולם. היום כולנו יודעים שהשמש נמצאת במרכז "מערכת השמש" וכי כדור הארץ, כמו כל שאר כּוֹכְבֵי הַלֶּכֶת, סובב סביב צירו, כמו סְּבִיבוֹן, וגם הוא מקיף את השמש. כדור הארץ מסתובב סביב ציר (קו דמיוני העובר דרך שני קְטָבִים) המכוון כלפי כוכב הצפון. את ההסבר לכך אפשר למצוא בחוק התנועה (שהזכרנו קודם לכן) של נְיוּטוֹן, הקובע שכל גוף נוטה לְהַתְמִיד בתנועתו, כל עוד לא הופעל עליו כוח חיצוני, שאילץ אותו לשנות את מצבו.

סיבוב כדור הארץ סביב צירו מדי 24 שעות הוא שיוצר את ההבדל בין יום ללילה. הירח מקיף את כדור הארץ ושניהם מקיפים את השמש.

תנועת ההקפה של כּוֹכְבֵי הַלֶּכֶת סביב השמש היא אֶלִיפְּטִית. כל כוכב שומר על מסלול קבוע, ואם אתם תוהים כיצד יודעים הכוכבים את מַסְלוּלָם, שהרי אין בחלל מסלולים מסומנים או צבועים, הרי שגם הפעם נְיוּטוֹן מְסַפֵּק לנו את התשובה: כוח המשיכה הוא שמשפיע על התנועה. הוא שומר את הגופים השונים בְּמַסְלוּלֵיהֶם הקבועים סביב השמש - ממש כמו חבלים בלתי נראים, המתוחים בינה לבין כל אחד מהגופים המקיפים אותה.

לא רק משחק

מִתְקָנִים רבים מנצלים את התנועה הסיבובית של גופים לשימושים שונים וחשובים בחיינו. כך, למשל, כדי להפחית את טִלְטוּלָן של ספינות השטות בים סוער מתקינים עליהן מְיַצְּבִים בתחתית האונייה. הַמְּיַצֵּב הוא למעשה "סְּבִיבוֹן" גדול הפועל באמצעות מָנוֹעַ חַשְׁמַלִּי. הוא מסתובב במהירות גדולה סביב עצמו. ציר הסְּבִיבוֹן המְּיַצֵּב מחובר לגוף הספינה, וכך הוא מעניק לה יציבות וּמוֹנֵעַ טִלְטוּלִים. בעזרתו יכולים הנוסעים להפליג בנוחות רבה יותר ובביטחון.

התנועה הסיבובית משמשת גם לניווט מטוסים וספינות. לצורך כך משתמשים במתקן הַמְּכונֶּה "ג'ירוֹסְקוֹפּ". הג'ירוֹסְקוֹפּ הוא מתקן מהיר ומדויק הדומה לסְּבִיבוֹן, ועשוי מגלגל כבד המסתובב סביב צירו. הג'ירוֹסְקוֹפּ נוטה לשמור על כיוון קבוע של ציר הסיבוב שלו (אם מכוונים אותו מלכתחילה לכיוון הצפון, הוא ימשיך ויראה את הכיוון לאורך כל הדרך), ולכן הוא משמש בין היתר לניווט מטוסים. למשל, כשמטוס טס בָּעֲרָפֶל או בתוך עננים, והטייס אינו יכול לראות את האופק, המטוס עלול לסטות מכיוון הטיסה המתוכנן. לשם כך מצויד המטוס ב"טייס אוטומטי" - מכשיר שפועל כמו מַצְפֵּן ג'ירוֹסְקוֹפּי ושומר על כיוון טיסה ישר וְאופְקִי. בג'ירוֹסְקוֹפּ משתמשים גם לייצוב טילים, חלליות וכלי רכב צְבָאִיִּים.

אבל, מי, בעצם, המציא את הסְּבִיבוֹן ומה הקשר שלו לחג החנוכה?

ביבליוגרפיה:
כותר: ניפגש בסיבוב
מחברת: גבריאלי, ענת
תאריך: דצמבר 2005 , גליון 23
שם כתב העת: גליליאו צעיר : ירחון לילדים סקרנים
עורכת הכתב עת: פרידמן, מירית
בעלי זכויות : גליליאו צעיר בע"מ
הוצאה לאור: גליליאו צעיר בע"מ
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית