תנסו את זה בבית: ביצה שוקעת, מרחפת וצפה

בניסוי הנוכחי נגרום לביצה, שבדרך כלל שוקעת במים, לצוף וגם לרחף באמצע הכוס – והכול בעזרת קצת מלח.

ציוד וחומרים

רשימת ציוד:

1. 3 ביצים

2. 3 כוסות

3. כפית

4. מלח

ציפה ושקיעה

הניסוי, שבו הביצה פעם שוקעת, פעם צפה ופעם מרחפת במים, עוסק בציפה ושקיעה של גופים וחומרים. המדען היווני ארכימדס גילה כבר לפני כ-2,250 שנה את החוקים שקובעים מתי חומר יצוף על חומר אחר ומתי הוא ישקע בו, והם תקפים גם כיום.

כדי לדעת אם חומר יצוף על חומר אחר או ישקע בו, כל מה שאנחנו צריכים לדעת הוא גודל אחד שנקרא צפיפות או משקל סגולי. הצפיפות היא גודל שמתאר כמה החומר צפוף, כלומר כמה מסה יש בו יחסית לנפח שלו. לכן היא נמדדת ביחידות של מסה לנפח, כמו גרם לסמ"ק. הצפיפות של מים, למשל, היא 1 גרם לסמ"ק, כלומר קובייה של מים ברוחב של סנטימטר אחד שוקלת גרם אחד.

חוק הציפה של ארכימדס קובע בפשטות שחומרים עם צפיפות נמוכה (שימו לב! צפיפות, לא משקל נמוך) יצופו על פני חומרים שצפיפותם גבוהה, וגם להפך – חומר צפוף ישקע בתוך חומר פחות צפוף. בלשון דיבור נאמר אולי שחומר קל יצוף על פני חומר כבד, אבל זה לא מדויק. הרי אם תקחו אבן קטנה וקלה ותזרקו אותה לדלי כבד מלא במים, היא תשקע בו מייד למרות משקלה הקטן. זה יקרה מפני שהצפיפות של האבן גדולה מצפיפות המים – וזה הגודל הקובע.

אם נזרוק ביצה לתוך מים, היא תשקע בהם, מפני שהצפיפות שלה גדולה יותר מהצפיפות שלהם. אבל למזלנו אפשר לשנות את הצפיפות של המים על ידי המסת חומרים בתוכם – למשל המסה של מלח.

המסה

כשממיסים חומר בתוך חומר אחר – למשל מלח במים – החומרים מתערבבים זה בזה ברמה החלקיקית, כלומר החלקיקים הקטנטנים ביותר הבונים את החומר, כמו אטומים ומולקולות, מתערבבים ביחד. כשממיסים מלח במים רואים תופעה מעניינת, שגם הדגמנו בסרטון – הנפח של תמיסת מי המלח קטן יותר מסכום הנפחים של המלח והמים כשהם לא מעורבבים. בסרטון ראו כי אחרי הערבוב של שני החומרים, הנפח הכללי ירד. זה מקרה שבו אפשר ממש לראות בעיניים את התוצאה של תהליך שמתרחש ברמה החלקיקית: חלקיקי המלח מתפזרים בין חלקיקי המים (מולקולות המים) ונכנסים לרווחים שביניהם, כך שהנפח המשותף קָטֵן. 

התוצאה הסופית של תהליך ההתערבבות הזה היא תמיסה שהצפיפות שלה גדולה מזאת של מים טהורים, כלומר גבוהה מ-1 גרם לסמ"ק. אם התמיסה תהיה מספיק מרוכזת, כלומר אם המסנו מספיק מלח במים, הצפיפות שלה תעבור את הצפיפות של הביצה. לכן הביצה תצוף על פני תמיסת מי המלח – או במילים אחרות, המים ישקעו יחסית לביצה הפחות צפופה. זה בדיוק מה שקורה בים המלח: האגם מכיל כמות גדולה מאוד של מלחים מומסים, ולכן צפיפות המים גבוהה מאוד, וכשאנחנו שוחים בהם גופנו יצוף על פני המים הצפופים.

שכבות בצפיפות שונה

בחלק האחרון של הניסוי גרמנו לביצה לרחף באמצע כוס על ידי כך שיצרנו במים שכבות שצפיפותן שונה: תחילה מילאנו את הכוס במי מלח צפופים, אחר כך הנחנו ביצה שצפה על פניהם, ולבסוף מזגנו בעדינות מי ברז. במי ברז נקיים, כזכור, הביצה שוקעת, כך שכאן היא נשארת מרחפת בין שתי השכבות. 

חשוב מאוד שהמזיגה תהיה עדינה: מזיגה נמרצת יותר הייתה גורמת למים הנקיים להתערבב במי המלח בלי ליצור שתי שכבות שצפיפותן שונה. בסופו של דבר, עם הזמן זה יקרה בגלל התנועה המתמדת של חלקיקי המים. לכן, אם תשאירו את הכוס עומדת יום-יומיים על השיש במטבח, השכבות שהביצה צפה ביניהן יתערבבו, והביצה תשקע במים או תצוף עליהם בהתאם לצפיפות של תמיסת המים והמלח המשולבת שתיווצר.

הניסוי באדיבות מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע. לעוד ניסויים בנושא ראו: גשם של מיץ פטל, גשם בקופסת זרעים וענן בתוך בקבוק.