זאת אחת מאותן שאלות שאפשר לשמוע לפעמים מילדים עד גיל חמש, אבל כמעט לעולם לא ממבוגרים: סביבונים, מה הקטע שלהם בעצם?
כשמעמידים סביבון על חודו ועוזבים אותו, הוא נופל. אבל אם מסובבים אותו – פתאום הוא שוכח ליפול ועומד על החוד במשך שניות ארוכות. איך זה קורה? בתור ילדים, זה נראה כמו קסם. כשגדלנו, למדנו כולנו שההסבר הפשוט הוא שהסביבון לא נופל מכיוון ש, ובכן, אתם מבינים, יש שיווי משקל, ומהירות הסיבוב וכמובן לא נשכח את הכוח הצנטריפוגלי, וכל אלה גורמים לכך ש... אוקיי, רגע, למה בעצם הסביבון הארור לא נופל?! שום דבר בהבנה בסיסית של פיזיקה לא מסביר את זה, מה לעזאזל אכפת לכח המשיכה אם הסביבון מסתובב או לא? גם האדם שיסתובב טיפה סביב עצמו, יקבל פתאום פטור מגרביטציה?
זו הפיזיקה, טיפשים
זאת לא יכולה להיות שאלה קשה מדי – הרי זה תהליך פיזיקלי מוכר ונפוץ מאוד. כשמסתכלים על השאלה מזווית מסוימת, התשובה חייבת להיות מובנת מאליה. בטח אם רק נשאל מישהו שמבין בזה הוא יוכל לשרטט תרשים פשוט עם חצים למטה ולמעלה שיסביר בדיוק למה סביבונים מסתובבים. אבל בפועל, גיליתי שהשאלה כנראה קשה הרבה יותר משהיא נראית, כיוון שכמעט בשום מקום לא הצלחתי למצוא תשובה הגיונית. מתברר שרוב המומחים, כששואלים אותם, משיבים בגרסה ארוכה ומתחכמת של הביטוי "זה מסובך", או פולטים "תנע זוויתי!" ואז ממהרים לשנות נושא.
אז מה באמת הקטע עם הסביבון? קודם כל, זה באמת לא פשוט. הכוחות הפיזיקליים פה הם יותר מורכבים מהגרביטציה שמושכת למטה וכוח הרצון שמושך למעלה. אבל הנה הסבר אחד, לא מלא ולא מקיף, אבל כזה שהופך את העניין ליותר הגיוני מקסם. אין פה נוסחאות, אבל אנחנו ניאלץ בכל זאת להתייחס לחוקים של אייזק ניוטון.
אייזק ניוטון היה אדם מאוד חכם, שבין הרבה דברים חכמים אחרים, ניסח את שלושת חוקי התנועה: חוקים שמגדירים למה כל עצם פיזי בעולם מתנהג כפי שהוא מתנהג. החוקים האלה החזיקו מעמד מאתיים שנה עד שבא אלברט איינשטיין והראה שבעצם הכל הרבה יותר מסובך וששלושה חוקים זה לא מספיק, אנחנו לא ניכנס לענייני איינשטיין עכשיו.
הראשון מבין שלושת החוקים של ניוטון הוא הפשוט ביותר, והוא אומר כך: כל גוף יישאר במצב שבו הוא נמצא, עד שמישהו ישנה את זה. משהו שעומד במקום ימשיך לעמוד במקום, כל עוד לא בא מישהו וידחוף אותו; ומצד שני, אם אתם דוחפים משהו, הוא יזוז, ולא יפסיק לזוז עד שמשהו יגרום לו לעצור. במילים פשוטות, מה שהחוק של ניוטון אומר זה שכל דבר זז כשמזיזים אותו. גאוני.
אבל בעצם זה קצת יותר מורכב. בעולם שמסביבנו, שום דבר לא נע לנצח. אם נבעט בכדור, הוא יעוף, יתגלגל, אבל בסוף יעצור, גם אם הוא לא פגע באף אחד. אבל זה משום שהחיכוך עם הקרקע והאוויר עצר אותו לאט לאט. לחילופין, אם נבעט בכדור בחלל, הוא באמת ימשיך לנוע באותו כיוון לנצח.
הסביבון יסתובב סביב עצמו עד שהאוויר יעצור אותו
נחזור לסביבונים. לסובב סביבון זה כמו לבעוט בכדור – אתם נותנים לו תנועה בכיוון כלשהו, רק שבמקרה התנועה היא סביב עצמו. והוא ימשיך בתנועה הזאת, עד שהחיכוך עם האוויר יאט אותו עד לאפס, ואז הוא יעצור. זה בדרך כלל הרגע שבו מורים לפיזיקה ששואלים אותם את השאלה הזו אומרים "זה הכל". בניסיון להתחמק מהעובדה שזה בעצם לא ענה על השאלה: למה, כל עוד הוא מסתובב, הסביבון ממשיך לעמוד על חודו?
התשובה בכל זאת קשורה לחוק הראשון. קודם כל, בואו נסתכל, בהילוך מאוד מאוד איטי, על מה קורה לסביבון שאינו מסתובב, אם פשוט מניחים אותו, זקוף על חודו, על הרצפה – ועוזבים. תאורטית, אם הסביבון הוא בדיוק סימטרי ותעמידו אותו בניצב בדיוק לרצפה, אין שום סיבה שהוא לא ימשיך לעמוד. אבל בחיים האמיתיים אין דבר כזה "בדיוק". הסביבון תמיד יהיה במידה כלשהי לא מאוזן, ותמיד יהיה מונח טיפה על הצד. זה אומר שמרכז הכובד של הסביבון לא נמצא בדיוק לגמרי מעל החוד שלו, אלא בצד, ולכן כוח המשיכה מושך צד אחד שלו קצת יותר חזק מאשר את הצד השני. ולכן הסביבון נוטה, מעט ימינה. אבל, כמו שאמר ניוטון, כל מה שזז, ממשיך לזוז. אז הסביבון נוטה קצת הצידה, ואז עוד קצת, ועוד קצת, וכמובן, התנועה הזאת מסיטה את מרכז הכובד שלו עוד יותר ימינה, ולכן הוא נוטה עוד יותר, ומכאן זה מדרון חלקלק. ברגע שהסביבון נוטה אפילו מעט - והוא תמיד נוטה מעט - גורלו נחרץ וסופו להיעצר.
אבל אז אנחנו מבלבלים את חוקי הפיזיקה: אנחנו מסובבים את הסביבון. כל מה שדובר עליו קודם עדיין נכון. הסביבון עדיין יהיה נטוי על צידו במידה מיקרוסקופית כלשהי, כלומר, חלק אחד שלו (לצורך העניין, האות ג') ייטה מטה לצד כלשהו (לצורך העניין, ימינה), בעוד הצד ההפוך שלו – האות פ' – יהיה נטוי מעלה. עדיין, מהרגע שבו ג' נעה מעט מטה, היא "תרצה" להמשיך לנוע באותו כיוון. אבל היא כבר לא תהיה בצד ימין. הסביבון מסתובב, ולכן חלקיק שנייה אחרי שעזבנו אותו, האות ג' כבר תהיה בצד שמאל – אבל עדיין תמשוך לכיוון מטה, מה שיטה את הצד הימני מעט מעלה. רגע נוסף אחר כך – המצב שוב יתהפך. כל צד של הסביבון "נופל", בתורו, למשך שבריר שניה – אבל מיד עולה בחזרה, כשמגיע תורו של הצד השני ליפול. אם הסביבון מסתובב מספיק מהר, הסביבון לא מספיק ליפול לשום צד, ולכן במקום זה הוא נשאר לעמוד.
אז, כן, כל העסק הזה של הסיבוב הוא פרצה בחוק המשיכה. לרוע המזל, יש חוקים אחרים שלא הולכים שולל כל כך בקלות, ואחד מהם הוא החיכוך. החיכוך עם האוויר ועם הרצפה מאט את הסביבון, עד שבסופו של דבר, באופן בלתי נמנע, הוא מגיע למצב שבו צידו של הסביבון שנוטה מטה נמצא מספיק זמן באותו הכיוון כדי שעניין המדרון החלקלק יספיק לקרות, והסביבון נופל. או שהוא לא נופל לעולם, ואז זה אומר שאתם בחלום של ליאונרדו דיקפריו בסרט "התחלה".
הרצפה (לא) עקומה
אחד הדברים החביבים בסביבונים הוא שהתירוץ הנדוש "הרצפה עקומה" לא תקף לגביהם. הם ממשיכים להסתובב "ישר" – במקביל לרצפה – גם אם מטים את המשטח שעליהם הם מסתובבים. הסיבה, שוב, היא החוק הראשון של ניוטון: מהרגע שבו התחיל להסתובב בזווית מסוימת, הסביבון מעוניין להמשיך להסתובב באותה זווית, ועניינים שוליים כמו הרצפה שעליה הוא מונח לא מעניינים אותו. מכשיר שמנצל את התכונה הזאת של הסביבון הוא גירוסקופ: סביבון שמסתובב במהירות רבה, ונשאר תמיד "עומד" זקוף, גם כשכל השאר לא. כשרוצים למדוד באיזו מידה הרצפה נוטה, צריך רק למדוד את ההבדל בינה לבין הסביבון – וזה שימושי כשאתם נמצאים בספינה או במטוס.
בשביל משחק קטן וטיפשי אחד, שנועד בעיקר להסיח את דעתם של ילדים במסיבות חנוכה למשך מספיק זמן כדי שלא יציתו זה את זה, כל הג'ודו הזה של חוקי הפיזיקה, והפנייתם זה כנגד זה, נשמע מסובך. אבל זה עוד כלום לעומת הפרדוקס הפיזיקלי שהוא הסביבון המתהפך: צעצוע שאפשר לקנות בחנויות "כל דבר בשקל", ויכול לעשות לפרופסורים לפיזיקה כאב ראש. זה סביבון כדורי ופשוט למראה, שכאשר מסובבים אותו - מתהפך, עד שהוא קופץ ונעמד על הידית של עצמו, ועדיין לא מפסיק להסתובב. זאת תנועה שנראית בלתי אפשרית לחלוטין, לא רק מבחינת האינטואיציה הפשוטה, אלא גם מבחינת פיזיקה של תיכון: מרכז הכובד של הסביבון עולה למעלה לאורך התהליך – מה שפשוט לא אמור לקרות, כי משמעות הדבר במילים פשוטות היא שהסביבון הזה נופל כלפי מעלה.
איך זה קורה? ובכן, התשובה הפשוטה היא שאני לא נוגע בנושא הזה עם מקל. סלט הכוחות הפיזיקליים שעובדים על הצעצוע הזעיר הזה הוא כל כך מסובך שאפשר למצוא מאמרים באורך עשרות עמודים בכתבי עת מדעיים שמנסים להסביר איך זה עובד – והם נוטים שלא להסכים זה עם זה. אלך על ההסבר הפשוט יותר, שהוא שחוקי הפיזיקה מעיפים מבט אחד על סמטוכת הכוחות, המומנטים, התנע והשד יודע מה עוד שדחוסים בכדור הזעיר הזה ואז אומרים "יודעים מה? שיהיה. שיעשה מה שבא לו". לסיכום: נס גדול היה פה.