האם מפל תמיד נופל?
מה הכוח היחידי שיכול למנוע מהמים במפל מליפול?


כדי שהמים במפל לא יפלו למטה, צריך להיות שם כוח חזק יותר מכוח המשיכה, נכון? - נכון.

במפל ההפוך שבמילפורד סאונד בניו-זילנד תראו שאם יש כוח חזק יותר מכוח המשיכה, המים במפל אכן לא יפלו.

והכוח הזה יכול להיות הרוח.

הפיורד מילפורד סאונד נמצא בדרום מערב האי הדרומי של ניו זילנד אבל הוא לא היחיד שהרוח עושה למפל שלו "הפוך על הפוך".

גם מפל המים בעיירה אולפסוויק שבדרום איסלנד זורם בכיוון ההפוך מפאת הרוח החזקה.


הנה תופעת טבע מרתקת - מי מפל שלא נופלים:

http://youtu.be/XaMtwNif9_E?t=6m20s


ומפל המים שמימיו עולים - בדרום איסלנד:

http://youtu.be/md2Nu89PcTo

מגדל מים נועד כדי ליצור לחץ מים, שיביא את המים לכל בתי הישוב. פעם, כשהותקנו מערכות צנרת, גילו שהמים יוצאים מהן בזרזיף חלש מהברז.

זה לא היה נוח. המים צריכים לצאת מהברז בכמות מספקת ובלחץ מים סביר.

עד העידן המודרני, בו יש מערכת מים וצינורות שמזרימים אותם, לא היו צריכים לחץ מים. מספיק היה דלי או מיכל ובאר שממנה שאבו והביאו מים הביתה. אבל כשלחץ המים מהברז הפך הכרחי, למקלחת טובה למשל, לא הייתה ברירה אלא להשתמש במשהו שייצר את הלחץ הזה.

אז כדי שהמים יפרצו מהברזים בלחץ מספיק, גייסו המהנדסים את כוח הכבידה של כדור הארץ. הם הציעו לבנות בכל ישוב מגדלי מים. באמצעות מגדל המים, הם הסבירו, יירדו המים בלחץ כוח הכבידה ויווצר לחץ מים טבעי בברזים.

אז החלו לבנות מגדלי מים, או מכלי מים גדולים שנבנו בראש גבעה סמוכה ליישוב, כדי שמשקל המים ייצר לחץ מים בברזים.

זו דוגמה יפה לניצול של כוחות הטבע לצורך אנושי מודרני.

כיום המצב כבר השתנה. בעידן המודרני, בו עומדות לרשותנו משאבות משוכללות, החליטו השלטונות שלא צריכים יותר את מגדלי המים. הותקנו משאבות מודרניות שיוצרות לחץ מים מעולה. אבל חייבים לציין שלחץ המים הזה יש לו מחיר. הוא יקר יותר כי משאבות צורכות חשמל ומכאן שהוא גם הרבה פחות סביבתי או שומר על כדור הארץ.


למה ערים צריכות מגדל מים? (עברית)

https://youtu.be/-XbZQ4LCclk


על מגדל המים של חדרה וכיצד סיפק מים לכל תושבי העיר (עברית):

http://youtu.be/cYupC_obUAA


ומצגת וידאו של מגדלי מים היסטוריים בישראל (עברית):

http://youtu.be/oeWJKhyjGsE

ישנן כמה סיבות טובות לבנות סכרים בעולם. מימי קדם בנו סכרים שמנעו זרימה של מים רבים, שמציפים אזורים מיושבים וגורמים לאסונות ולפגיעה בחקלאות.

לעיתים קרובות הסכר דווקא שומר את מי הנהרות ומפנה ומנתב אותם לשדות, כדי שישקו אותם. סכרים אחרים חשובים כדי לאגור את המים בעונה הגשומה ולשחרר אותם בעונות היובש, כדי להשתמש בהם בחקלאות.

סוג אחר של סכרים, הוא של הסכרים ההידרו-אלקטריים, סכרים המייצרים חשמל מכוח המים. אלו סכרים שמשתמשים בכוח הכבידה שגורם למים לזרום וטורבינות מים ענקיות מייצרות מהם חשמל.

הסכרים הגדולים בעולם מייצרים כמות אדירה של חשמל, המספק אנרגיה נקייה ומאיר אזורים עצומים מבלי להזדקק לאנרגיה יקרה ומזהמת, הפוגעת בסביבה.


הנה סכר הובר, מהגדולים בסכרי העולם. זהו סכר שמספק מים וחשמל לאזור כולו:

http://youtu.be/NyklSsIhXkk


מערכות החשמל של סכר הובר:

http://youtu.be/D7_rzojvKdE

לכל כוכב או גרם שמיימי יש כוח משיכה, או ליתר דיוק שדה כבידה. שדה הכבידה הוא כוח שמושך כל עצם אליו. משום כך, כשאנו קופצים לאוויר מיד ניפול בחזרה לקרקע.

לכן גם פירות נופלים מהעץ ולא מתעופפים באוויר.

כדי לעזוב את האטמוספרה של כדור הארץ צריך להתגבר על כוח הכבידה שלו. צריך לייצר כוח רב שיביא אותנו למהירות אדירה, שתתגבר על הכבידה.

הכוח הזה נמדד במהירות, או ליתר דיוק ב"מהירות המילוט" (Escape velocity), מושג שמתייחס למהירות שנדרשת לכל כלי טיס או תעופה, כדי שיוכל להשתחרר משדה הכבידה של כדור הארץ, או של כל גרם שמימי אחר שנהיה בו בעתיד.

אנו יודעים את מהירות המילוט הדרושה כדי להוציא את הלוויינים והחלליות אל מחוץ לאטמוספרה של כדור הארץ. מדובר על מהירות של 40,270 קילומטרים לשעה. כיום מצליחים טילים לעזוב את האטמוספרה במהירות של כ-11 קילומטרים בשנייה.

מהירות המילוט היא חשובה מאוד כדי להוציא חלליות ולוויינים לחלל. היא מחייבת שימוש ברקטות או טילים בעלי מהירויות גבוהות מאד ומאוד אמינים. כל תקלה שתגרום לכך שהמהירות הזו תרד בשלב שבו עוזבים את כדור הארץ, תביא לכישלון ולהשמדת כלי התעופה הזה.


הנה הקושי לחמוק מכוח המשיכה של כדור הארץ (מתורגם):

https://youtu.be/YlxKh4oCKhw


המאבק בכוח הכבידה של כדור הארץ הוא עצום (מתורגם):

https://youtu.be/RVMZxH1TIIQ


וסרטון שמציג בצורה פשוטה את המושגים של שדה כבידה ומהירות מילוט:

http://youtu.be/0ItjOF987QI?t=21s

בשנות ה-60 וגם קצת אחרי זה היה מופע בידור מפחיד מאוד בגני התערוכה בתל אביב. היו בו אופנוענים שנסעו על קיר במהירות אדירה וכולם נהנו מההתגברות המטורפת שלהם על כוח הכבידה.

כן, קיר המוות הוא אחד מסגנונות הבידור המסוכנים והמפחידים שיש, אבל במדינות העולם השלישי הוא גם היום הצלחה אדירה.

במדינות המערב כבר לא מאפשרים את הבידור המסוכן הזה אבל בתת-היבשת ההודית וחלק משכנותיה הוא עדיין מצליח ומותר.

בהודו מכנים את קיר המוות ההודי "Maut ka Kuaa" ונוהגים בו במעגלים לאורך הקיר האנכי של קונוס העץ המתרחב למעלה. הקהל נאסף סביבו ומביט במופע המוטורי כלפי מטה, כמו אל תוך באר, מה שהוביל גם לשם "Well of death", בעברית "באר המוות".

את הנסיעה הרוכבים מתחילים בתחתית הקונוס, צוברים תאוצה, כשהם נוסעים מסיבה לא ברורה דווקא נגד כיוון השעון, ומגיעים למהירות גבוהה, בה האופנוע לא נופל בזכות מהירותו וחוקי הפיזיקה. אז מתחילים הרוכבים לפצוח בתרגילים מרהיבים, שגורמים ללב לא פעם לפעימה חסרה, לעתים כמעט ונוגעים ביד בידיהם של הצופים.

הרוכבים הם מיחידים, בדרך כלל גברים אך לא תמיד, ועד משפחות שלמות - דמיינו אבא, אימא ונערים ונערות שכולם גדלו למיומנויות המדהימות והמסוכנות הללו.


הנה קיר המוות והתרגילים המטורפים שעושים הלהטוטנים בהודו:

https://youtu.be/_Ky8RyQ7GJU


סוגי התרגילים בקיר או באר המוות:

https://youtu.be/P5ZtnIi7W0g


והרבה כבר נהרגו שם:

https://youtu.be/ttY3AiC7mVQ

בסרטים רבים התרגלנו לצפות בדמויות מעופפות, כאילו אין כוח כבידה בעולם... אם עניין אתכם לדעת איך הדמויות מתעופפות בסרטים הרי שמדובר בעוד אפקט קולנועי שנעשה עם המסך הירוק, גרין סקרין.

השיטה היא פשוטה: כבלים חזקים שמחוברים לתקרת הסטודיו מחזיקים את השחקנים באוויר. הם מבצעים את התנועות שהבמאי מדריך אותם לבצע ומצלמים את הסצנות כשמאחריהם מסך ירוק ענקי.

בשלב הבא מקבלת מחלקת המחשבים, שאחראית על האפקטים המיוחדים, את החומרים המצולמים, בשפה המקצועית קוראים להם פוטג'. אנשי האפקטים מחברים את הפוטג' לרקעים המתאימים באמצעות גרפיקת מחשב מושקעת. כך הופכים השחקנים לפתע לדמויות בעלות יכולת תעופה בלתי נתפסת... הם מעופפות על רקע הרים, ברום השמיים, או מעל הים, גורדי שחקים או נופים דימיוניים. הכל טריקים - אל תאמינו לכלום...


כך מצלמים אנשים מעופפים באולפן:

http://youtu.be/T1m0ORVdsQc


כך יצרו מסדרון ללא כבידה, באמצעות סט המתגלגל על צירו בשביל הסרט "Inception":

https://youtu.be/8PhiSSnaUKk


שחקני אפולו 13 התאמנו בתנאי אפס גרביטציה במטוס בואינג שיצר באמצעות טיסה פרבולית כ-20 שניות של חוסר משקל:

https://youtu.be/5IAAjk3QdU8


בני נוער באפריקה עושים סרט מדע בדיוני עם סמארטפונים וגרין סקרין:

https://youtu.be/D25NrAQZLng


אוסף של דמויות מעופפות מהסרטים:

http://youtu.be/OHHNkz5QIaI


מכוניות יכולות לעוף כך?

http://youtu.be/24bRtzwK4rY


וסרט עלילתי קצר על האיש המעופף:

http://youtu.be/Gj1MqHgFnmE?long=yes

למים שזורמים בנהרות ובנחלים יש בדרך כלל כוח רב. אם מניחים טורבינות על זרימת המים, הן מסתובבות בכוח המים ומייצרות חשמל.

כך יוצרים תחנות כוח המייצרות אנרגיה מנפילת המים והזרימה החזקה שלהם. הן נקראות תחנות הידרו-אלקטריות.

כשצריך להגדיל את כוחם של המים לייצר חשמל מייצרים סכרים ומוסיפים את כוח הכבידה. המים נופלים מגובה רב וכך מתעצם כוחם לייצר חשמל.


הנה הדרך שבה המים הופכים לאנרגיה (מתורגם):

http://youtu.be/FUCkaXsqRP8

הרבה לפני תחנת החלל הבינלאומית ושנים לפני הטיסות לחלל, עשרות שנים לפני שברית המועצות שגרה לחלל את התחנה החללית המאוישת הראשונה "סאליוט 1" בשנת 1971, היו מחשבות על הקונספט של תחנת החלל המסתובבת.

דורות של מדענים ומהנדסים בעולם חלמו ושקדו על תכנון של תחנת חלל בצורת גלגל מסתובב (Rotating Wheel Space Station). זה התחיל בשנת 1903, כשמדען רוסי בשם קונסטנטין ציולקובסקי מעלה לראשונה את הרעיון. רבע מאה אחר כך, בשנת 1929, פותח והורחב הרעיון על ידי מדען בשם הרמן פוטוצ'ניק.

אם שאלתם למה תחנת חלל צריכה להסתובב אז יש סיבה, לפחות באותם ימים, לחשוב שזה הכרחי. כי סיבוב של תחנה כזו יאפשר ליצור בה כוח משיכה מסוים. הרי זה מה שמקנה לגופי חלל, כמו הירח למשל, את כוח הכבידה שלהם. סיבוב הגלגל הוא שאחראי לכך שגם אם כוח הכבידה הוא קטן מזה של כדור הארץ, השוהים בתחנה עדיין לא ירחפו לחלוטין, מה שיקשה על השהייה להם בחלל.

אבל "הגלגל" היה צריך להמתין עוד רבע מאה. כי בשלהי שנות ה-50 זכה הקונספט של תחנת החלל המסתובבת לשם "גלגל פון בראון". היה זה על שמו של ורנר פון בראון, גאון הרקטות הנאצי שהפך לאחד המהנדסים החשובים בתכנית החלל האמריקאית של נאס"א. בשנת 1955, עת קיבל את האזרחות האמריקאית שלו, הוא החל לפרסם בעיתונות ובתקשורת את רעיונותיו לגבי חקר החלל ופיתוחים שארצות הברית צריכה לחתור אליהם.

אחד מהם היה, כמה מפתיע, תחנת חלל מאוישת בצורת גלגל. פון בראון הציע אותה אז בתקשורת הרצינית, אבל עיקר ההצלחה של הרעיון היה דווקא במגזיני המדע הבדיוני של שנות ה-60. "הגלגל" שב ועלה בהם שוב שוב. מי שהעלה את הדברים לשם היה דווקא פון בראון עצמו.

כן, יפתיע אולי לגלות, כשמדברים על גאון החלל הזה, שהיה לו גם צד מסחרי עסקי ואפילו שואו ביזנסי. לאותם עיתוני מדע בדיוני הוא כתב לא מעט סיפורים ועלילות של מדע בדיוני. הוא אפילו "חטא" בכתיבת תסריטים לסרטי מדע בדיוני מהז'אנר הזה.

הדהוד של הרעיון נכנס גם לסרט המדע הבדיוני המפורסם מכולם אז - 2001 אודיסיאה בחלל. הצופים המיומנים זוכרים ממנו את הסצנות שהתרחשו בתחנת חלל מסתובבת.

אמנם כרגע אנו מכירים את תחנת החלל הבינלאומית, שהיא הדבר הרחוק ביותר מגלגל ועוד מסתובב, אבל הרעיון של תחנה מסתובבת לא נזנח סופית. הוא ממשיך וחוזר מדי פעם בפעם. בשנים האחרונות אף עלה הרעיון לבנות מלון מסתובב בחלל, גם הוא בצורת גלגל. הסיבוב המתמיד שלו, הבטיחו המתכננים, יקנה בו כוח כבידה של בערך שישית מזה של כדור הארץ, מה שיבטיח לאורחים תחושה יותר נעימה.


הנה סיפורו של גלגל פון בראון המסתובב:

https://youtu.be/atg7pt-eTXQ


פון בראון מציג את התכנית שלו ב-1956:

https://youtu.be/5JJL8CUfF-o


מודל מדומה של תחנת החלל המסתובבת:

https://youtu.be/DH0EE3_PdLk


מודל מתקדם הרבה יותר:

https://youtu.be/IW9A-uWM0JU


והנה תחנת החלל הבינלאומית של ימינו:

https://youtu.be/oLrOnEmy_GA?long=yes

אחת התופעות המרתקות בהנדסה היא של מטוסים במשקל אדיר, שטסים באוויר, במטוסים חזקים זה בזכות הכוח שיוצר זרם הסילון שנפלט מהמנועים הסילוניים החדישים והחזקים כל כך.

במטוסים קטנים או ישנים יותר, בעיקר אלו שלפני מלחמת העולם השנייה, הייתה זו תנועת האוויר שמייצרים המַדְחֵפים שלהם, שהחזיקה אותם באוויר.

אבל מהו המַדְחֵף? איך הוא מצליח לייצר כוח כה גדול עד שמטוסים במשקל חצי טון נשארים בזכותו באוויר ולא נופלים?

המדחף, באנגלית פרופלור (Propeller) או הרוטור במסוקים, הוא מנגנון המחובר למנוע וכולל להבים או מעין כנפיים שצורתם מיוחדת. בסיבוביהם המהירים יכולים הלהבים לייצר זרם אוויר כה חזק עד כדי כך שהם דוחפים את המטוס קדימה.

אפשר לראות במדחף סוג של כנף שמסתובבת ומייצרת את מה שהציפורים מייצרות בנפנוף כנפיהן והוא "עילוי קדימה". כוח העילוי הזה הוא שדוחף את המטוס קדימה.

למעשה, תפקיד המדחף הוא להפוך את התנועה הסיבובית של המנוע לתנועת דחף של המטוס. את המדחף מרכיבים כמה להבים, שניים או יותר, כשכל להב היא כנף מסתובבת שיוצרת זרימה של אוויר בכיוון הטיסה - לפי מהירות סיבוב המדחף.

זרימת האוויר הזו יוצרת שני כוחות: כוח עילוי אופקי, שמחזיק את המטוס באוויר וכוח דחף הדוחף אותו קדימה. שני הכוחות הללו מתגברים על שני כוחות שלכאורה מונעים מהמטוס לטוס. הראשון הוא כוח הכבידה שדווקא מושך אותו לאדמה והשני - כוח הגרר, שמתנגד לתנועה שלו קדימה.

אגב, לכל להב יש פיתול בקצהו. זאת כדי למנוע את שבירתו בקצה הלהב, בשל האופן בו משתנה כוח העילוי בחלקים השונים של הלהב.


מטוסי הפרופלור כיום הם נדירים מאוד, בעיקר כי הם איטיים:

https://youtu.be/gkGEeLr7yEo


הכוחות הפועלים על המטוס, כשהמדחף אחראי לכוח שדוחף אותו קדימה:

https://youtu.be/wFTHh-6jIT8


את המדחף החליף עם השנים מנוע הסילון (עברית):

https://youtu.be/fP8892AsAiM


וכך פועל המדחף גם בצוללות:

https://youtu.be/ON_irzFAU9c

רבים אומרים שהוא גדול המדענים בהיסטוריה. כל כך הרבה מהמדע המודרני והטכנולוגיה שמשרתת אותנו התבססו ושאבו מתגליותיו. הבנת העולם והיקום בלעדיו פשוט אינם אפשריים ולכן נחשב הפיזיקאי והמתמטיקאי האנגלי אייזק ניוטון, בן המאה ה-17, לאחד המדענים הגדולים בכל הזמנים.

סיפורו מתחיל לא טוב. ניוטון היה נער מבית פשוט שאימו הייתה מאוד מתוסכלת כי היא לא קיבלה ממנו עזרה בבית. כשפנתה לקרוב משפחה שידבר עם בנה הסורר, שוחח עימו האיש והודיע לאם שהילד שלה גאון.

זה היה איבחון חשוב כי ניוטון הצעיר נשלח ללימודים בבית ספר בקיימברידג' ושם הפך לתלמיד מצטיין ולסטודנט מבריק.

האגדה מספרת שבגיל 23 הוא צפה בתפוח נופל מעץ בעיירה קיימברידג' והבין שכוח מסוים הוא שמושך אותו אל האדמה. מכאן הדרך קצרה לתיאוריה מסעירה ששינתה את כל מה שחשבו עד אז על הפיזיקה של כדור הארץ ועל חוקי התנועה של הגופים.

וכך, לפני 350 שנה בלבד, ניסח ניוטון את "חוק הכבידה העולמי", חוק מדעי שקבע שבין כל שני גופים חומריים, בעלי מסה, פועל כוח משיכה. התאוריה שלו אף קבעה שככל שהגופים הם קרובים זה לזה ומכפלת המסות שלהם גדולה יותר, כוח המשיכה ביניהם יהיה חזק יותר. קצת מזכיר עניינים שבינו לבינה, לא?

ניוטון היה המדען הראשון שתיאר את כוח הכבידה ואת שלושת חוקי התנועה ובכך יצר את הבסיס להנדסה המודרנית ולהישגים עצומים במכניקה והתעשייה של העולם המודרני. גם מי שלא מסכימים לכנותו המדען הגדול בכל הזמנים יסכימו שהוא לבטח מי שהניח את היסודות החשובים לחשיבה המדעית המודרנית.

אתם חושבים שזה הכל? - ממש לא. ניוטון תרם בשלל תגליות ובמחקר מעמיק בשלל תחומים כמו אופטיקה, אסטרונומיה ומתמטיקה. תרומתו עצומה להתפתחות הגישה המדעית ולהבנת היקום והחלל שמסביבנו.

אייזק ניוטון הוא אולי המדען שמבטא בצורה הטובה ביותר את הגאוניות של השיטה המדעית, המתבססת על תגליות וממצאי העבר, בדרך להתקדמות המדעית של ההווה והעתיד. ספרו הנודע, ה"פרינקיפיה", בו תיאר את הכוח הכבידה ומרכיביו, היה המעצב המרכזי של דרכי החשיבה המדעית והמחקר עד ימינו.

נדרשו אמנם שנים רבות עד שהספר והרעיונות שהציג בו ניוטון הפכו לאבני יסוד בעולם המדע, אבל השיטתיות והאופן בו חקר ניוטון וכתב את מחקריו הפכו למדע עצמו. שלושת הכרכים של הספר היו לתנ"ך של הכתיבה המדעית והשיטה המדעית, בה הטבע מתואר באופן מובנה, על בסיס מחקר מבוסס השערות שנבדקו בניסוי, בהתבסס על ממצאי ניסויים קודמים.

את צניעותו וגדלותו כאדם וכמדען ביטא מי שנחשב בעיני רבים כגדול המדענים בהיסטוריה בענווה גדולה, כשכתב לחבר במכתב את המשפט האלמותי: "אם הרחקתי לראות, הרי זה משום שעמדתי על כתפי נפילים".


ראו סרטון אנימציה קצר שמציג את התגליות של ניוטון בתחום הכבידה:

http://youtu.be/jwPc0kK9VHU


סיפורם של ניוטון וחוקי ניוטון (עברית):

https://youtu.be/G-YlfXtW7Yc


על שלושת חוקי התנועה של ניוטון (מתורגם):

https://youtu.be/JGO_zDWmkvk


הסבר 3 חוקי התנועה של ניוטון (מתורגם):

http://youtu.be/zCNSO002jfI


סרטון באנגלית לילדים על סיפורו של ניוטון:

https://youtu.be/h48BWDeBLno


ותכנית חינוכית על ניוטון ורעיונותיו (עברית):

https://youtu.be/uafbWJ26xNU?long=yes

כוחם של המים הזורמים בנהרות הוא עצום. המון אנרגיה משתחררת ממים זורמים אלו. בעולם נבנות על נהרות וסכרים הרבה תחנות כוח הידרואלקטריות.

בתחנת כוח הידרואלקטרית המים זורמים או נופלים מגובה וכך מניעים טורבינות ענקיות, המייצרות חשמל. כך כוח המים וכוח הכבידה המושך אותם למטה מסייעים לייצור של חשמל.

יש מדינות שהחשמל מיוצר בהן רק בטכנולוגיה הידרו-אלקטרית, כמו נורבגיה שכמעט כל החשמל מיוצר בה מכוח זרמי הנהרות.


כך מייצרים חשמל ממים (מתורגם):

http://youtu.be/FUCkaXsqRP8


וזו הדרך בה המים מסייעים לייצר חשמל (מתורגם):

http://youtu.be/zBXf4jogihw