סיקור מקיף

מחלצים את עשן הסיגריות

מדיניות האתר היא כמובן נגד עישון, אבל עדיין יש עניין בפיסיקה של העשן – למה עשן סיגריות בתוך הרכב רוצה לצאת החוצה?

חוק ברנולי קובע שעבור זורם בעל פונקציית זרם האנרגיה לאורך הקו קבועה. במילים פשוטות, אם ניתן להצביע על חלקיק זרם מים לכל אורך מסלולו (אין סירקולציה או עירבוב ) אזי לאורך מסלול זה האנרגיה של החלקיק קבועה, והיא רק משנה צורתה. זאת בהנחה שלא הוספנו או גרענו חיצונית מהאנרגיה שלו ע"י משאבה ,טורבינה או חיכוך. האנרגיה יכולה לשנות צורה מאנרגיית לחץ סטטי על הדפנות לאנרגיית מהירות או אנרגיית גובה (פוטנציאל גובה). אם אחד מהגורמים הללו עולה, סכום האחרים חייב לקטון. במקרה של עשן סיגריות, הלחץ בתוך הרכב לעולם יהיה גבוה מזה שבחוץ, מכיוון שמהירות הזרימה בתוכו נמוכה.

אוויר (ועימו העשן) זורם מלחץ גבוה לנמוך. ככל שהרכב ייסע מהר יותר העשן יצא מהר יותר מהחלון, כי הפרש הלחצים יהיה גדול יותר. זו גם הסיבה שלפעמים פותחים חלון בבית והאוויר לא נכנס. האוויר לא רוצה להיכנס למקום עם לחץ אוויר גדול ממקום של לחץ אוויר נמוך. ניאלץ במקרה כזה לפתוח עוד חלון, עדיף בצד השני של הבית. נשים לב שבמזגנים ברכב אם שמים סירקולציה פנימית מופעל מאוורר. אבל אם שמים סירקולציה חיצונית האוויר מגיע מבחוץ. כלומר אם נפתח חלון האוויר במצב זה יכנס בספיקה גדולה פי כמה מאשר עם חלונות סגורים – האוויר מסרב להיכנס לרכב עם הלחץ הגבוה. ניסוי נחמד שהרבה מכירים ומדגים טוב את הרעיון הוא לקחת פאן (מייבש שיער) ולהפעיל אותו כשהוא פונה למעלה. אז נשים כדור פינג פונג מעל האוויר החם, והכדור יקפץ באוויר אבל לא יפול לצדדים, בגלל הפרשי לחצים.

 

למה משאבות תמיד יהיו בעומק הבאר ולא למעלה?

בקצרה, קל לדחוף מים וקשה למשוך אותם. כשאנחנו שותים מים עם קש אנו לא מושכים מים אלא יוצרים תת לחץ במעלה הקש והוא זה שמושך את המים. ככל שהקש ארוך יותר ניאלץ להוריד את הלחץ במעלה הקש, וכשנגיע לעמודת מים של 10 מטר (שוות ערך ללחץ של אטמוספירה אחת של מים) לא נוכל להאריך יותר את הקש. למעשה, גם אם ניצור וואקום מוחלט בקצה הקש לא נוכל להעלות יותר מים בעמודה שגבוהה מעשרה מטר. המים נעים במעלה הקש בגלל הלחץ האטמוספירי במפלס המים, כך שריק מוחלט בקש יתן הפרש לחצים מקסימאלי של אטמוספירה אחת. לכן מתכנני צנרת יעדיפו לשים את המשאבה בתחתית המאגר, ולהעניק למים את תוספת הלחץ לפני העליה לפני הקרקע.

6 תגובות

  1. שאלה מעולה שלא הבאתי לה התייחסות. אם המכונית היתה אטומה לחלוטין אז היה מאד קשה לאוויר לצאת החוצה. למה קשה ולא בלתי אפשרי? כי החלון מספק נתיב דו כיווני של אוויר: פנימה והחוצה.

  2. שלום יונתן.
    התהליך המתואר (יציאת אויר מהמכונית) לא אמור להסתיים בעקבות יציאת אויר מספקת שתביא להשוואת הלחצים?

  3. תיקון טעות: לא מכפילים את הדיפוסיביות של החומר בארבע אלא בשתיים.בחרתי להשתמש במשוואה ממעלה ראשונה שהיא לינארית. מכפילים בארבע כאשר בונים במחשב רשת של נקודות מדידה ומתייחסים לדיפוזיה כשטף שטחי.

    נקודה נוספת למחשבה ליהודה: אם העשן היה מונע בדפוזיה הגז היה מתפזר לכל הכיוונים ולא כך הוא.

  4. תשובה ליהודה
    הדיפוזיה היא תהליך מאד איטי שמתרחש מסיבות סטטיסטיות בלבד. חומר בריכוז גבוה ינוע לריכוז נמוך, וחומר מריכוז נמוך ינוע למקום עם ריכוז גבוה. הכמות שבאה מהריכוז הגבוה גדולה מזו שבאה מהמקום עם הריכוז הנמוך ונוצר חוסר שיווי משקל שנוטה לכיוון המקום הנמוך. הדיפוזיה מושפעת מהרבה גורמים, נציין שנים מהם: טמפ' המרחק בין החלקיקים. כשהראשון עולה הדיפוזיה טובה יותר כי החלקיקים נעים מהר יותר וכשהשני עולה הדיפוזיה יורדת. מי שרוצה הסבר מפורט שיפנה במייל, אבל נסתפק בכך שישנו גורם שנקרא אנרגיית אקטיבציה עבור החומר המסויים שעובר דיפוזיה, והיא מושפעת בטמפ' במעלה הראשונה. בנוסף, הדיפוסיביות של חומר (איכות היכולת שלו להעביר את המסר הלאה לנפח מסביבו) תלויה בטמפ' בצורה אקספוננציאלית הפוכה. אבל בגלל שהטמפ' במשוואה היא מוחלטת (קלווין) ההשפעה של הדיפוסיביות קטנה. העלאה של 2.718 (אקספוננט או לוג טיבעי) בחזקת ( אחד חלקי מינוס 298 קלווין ) דומה מאד להעלאה של 2.718 בחזקת ( אחד חלקי מינוס 238 קלווין ). המתמטיקה פשוטה: הביטוי בסוגריים כמעט שווה לאפס ולכן הביטוי הכללי הוא 1. נמשיך בתשובה: עשן שיוצא מאוטו נע במסלול לינארי, בהנחה שחלון אחד פתוח ואין מערבולות. במקרה פשוט זה נכפיל את זמן המדידה של הדיפוזיה ב 4 וכפול הדיפוסיביות ונוציא שורש. נקבל את המרחק הלינארי שהעשן עבר. אין שום טעם להעביר את הנוסחא לדו מימד כי רוב העשן נע לכיוון החלון. לא פתרתי את המשוואה בהצבת 40 ס"מ בין הסיגריה והחלון, אבל אין לי ספק שבמצב של אוטו נייח הזמן שיתקבל הוא ארוך מאד עבור סילון עשן עבה.
    ופה הפואנטה של התגובה: העשן נע בגלל הפרשי לחצים. כאשר רוצים לחבר שני זורמים ביחד מאיצים את הראשון ומחברים צינור של השני לתוך הראשון. המהירות של הראשון יוצרת לחץ נמוך (לחץ סטטי נמוך ולא דינמי) וזה משמש כמשאבה לנוזל השני להצטרף אליו.
    הערה לקוראים: אני מאד אשמח להקל על עצמי עם ההסברים המקוצרים בכתבות ולהעלות מעט את הרמה המדעית. אם אנשים מעוניינים בכך אשמח לשמוע ממכם.

  5. ליונתן שנהב שלום רב!
    ראשית מאמריך מעניינים ומעוררים מחשבות.
    בנוגע למאמר זה, העשן שואף לצאת מן הרכב לא רק בגלל פתיחת החלונות אלא גם בגלל תופעת הדיפוזיה של העשן עם סביבתו. האם תוכל להחכים אותנו לגביי קצב ההתפשטות הנובע מתופעה זו? התקשיתי להבין את הנוסחה המסבירה קצב התפשטות זה.
    בתודה מראש
    ובהערכה
    סבדרמיש יהודה

  6. אני שוב מפרסם את הדוא"ל שלי, ע"מ שקוראים יוכלו לשאול שאלות בכל תחום ובכל רמה. אם השואל לא מעוניין שהשאלה ושהתשובה תפורסמנה באתר יש לציין זאת במכתב.
    [email protected]

    יונתן שנהב

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן