אצבע על הסדק - מגזין TheMarker - TheMarker
תיק מניות

רשימת קריאה

רשימת הקריאה מאפשרת לך לשמור כתבות ולקרוא אותן במועד מאוחר יותר באתר,במובייל או באפליקציה.

לחיצה על כפתור "שמור", בתחילת הכתבה תוסיף את הכתבה לרשימת הקריאה שלך.
לחיצה על "הסר" תסיר את הכתבה מרשימת הקריאה.

לרשימת הקריאה המלאה לחצו כאן
מדע וחדשנות

אצבע על הסדק

האם חוק פיזיקלי בסיסי שניסח לאונרדו דה וינצ'י שגוי מיסודו? מחקר של צוות חוקרים מהאוניברסיטה העברית מוכיח שהתשובה לכך חיובית

תגובות

מדע הפיזיקה התקדם ב־100 השנים האחרונות במידה ובמהירות כה גדולות, שקשה להאמין שנותרו עוד תופעות לא מפוענחות באבני היסוד שלו. אבל בדיוק כמו שרופאים יודעים איך לנתח מוח אנושי אבל לא איך לרפא צינון, מתברר לפעמים שאלה דווקא תופעות הטבע הבסיסיות ביותר שעדיין לא נמצא להן הסבר טוב מספיק, או שאפשר לתאר אותן בדרך אחרת לגמרי מזו שאליה התרגלנו. אחת מאבני היסוד הלא מובנות האלה היא החיכוך - תופעה יומיומית שהמדע עדיין לא מצא דרך מדויקת לתאר אותה. עכשיו מציע צוות חוקרים ממכון רקח לפיזיקה של האוניברסיטה העברית בירושלים הבנה חדשה של חיכוך, ששופכת אור על תופעות טבע כמו רעידות אדמה. המחקר שערך הצוות, בהובלתם של פרופ' ג'יי פיינברג ותלמיד המחקר איליה סווטליצקי, פורסם באחרונה בכתב העת Nature.

המכניזם הבסיסי של החיכוך, שתיאר לאונרדו דה וינצ'י במאה ה־15, פשוט להפליא: לכל חומר יש מקדם חיכוך קבוע, ומידת הכוח הדרושה כדי להניע עצם מחומר מסוים על פני עצם אחר היא פונקציה של מקדמי החיכוך של שני החומרים והלחץ המופעל על שטח המגע בין העצמים. העיקרון הזה שימש כבסיס לכל המצאה וטכנולוגיה שהתבססה על חיכוך ב־500 השנים הבאות, וזאת למרות שהוא "בלתי הגיוני בעליל", כפי שמגדיר זאת פרופ' פיינברג: "דה וינצ'י גילה שלא משנה איך הוא היה מניח את הלוח על המשטח – על הצד הרחב או הצר או על פינה – נדרשה אותה מידה של כוח כדי להזיז אותו בלי קשר לגיאומטריה של החפץ או לגודל של שטח המגע. זה לא הגיוני, אבל עובד".

רעידת אדמה בפיליפינם
רויטרס

איך פיזיקאים מודרנים מסבירים את זה?

"אחרי הרבה שנים הפיזיקאים הבינו שגם במשטח החלק ביותר, מספר הנקודות שבהן יש מגע ממשי בין שני עצמים הוא בעצם קטן מאוד, כי כל משטח הוא מחוספס במידה מסוימת. יש נקודות מגע בודדות שמחזיקות את כל העומס. כשמתחילים להפעיל לחץ, הלחץ על כל נקודה כזאת הוא ענק, ומתישהו הוא גובר על החוזק של החומר ומתחילה תנועה. העניין הוא שגם בהסבר הזה יש דבר אחד לא הגיוני: הוא מניח שכל נקודות המגע נשברות יחד. מה שהמאמר שלנו מוכיח הוא שזה לא כך, ושתהליך החיכוך בעצם זהה, מתמטית, לתהליך של שבירה של חומר. כלומר לא כל נקודות המגע נשברות בו בזמן, אלא שבירה מתחילה בנקודה אחת ויוצרת גל של שבירות שמתקדם במהירות ושובר את כל נקודות המגע בזו אחר זו".

כלומר השאלה אינה איך דברים מחליקים זה על גבי זה כמו שהיא איך דברים נשברים?

"מה שקובע את חוזקם של חומרים כמעט לא תלוי בתכונות של החומר עצמו, אלא בפגמים שקיימים בחומר. החוזק הזה הוא לא תכונה שקשורה לחוזק התאורטי של החומר – כלומר לכוח שבו המולקולות והאטומים קשורים זה לזה. קח למשל חתיכת נייר וקרע אותה. אם תחזיק משני צדי הנייר ותמשוך בכוח אחיד, לא תצליח כנראה לקרוע אותו. אבל בוא נניח שיש לך 'דפקט' קל בנייר – קרע זעיר. עכשיו מה שקובע את החוזק של החומר זה אותו דפקט שמהווה סדק התחלתי.

"הסדק מרכז את המאמצים שאני מפעיל בקצה שלו, ובעצם הופך אותם לאינסופיים באותה נקודה. הוא פועל כמו משפך של אנרגיה: במקום לפורר ולמתוח כל אטום ואטום בחומר, הוא מרכז את האנרגיה במקום שבו נמצא הקצה שלו. הנה סיפור שממחיש את העיקרון הזה יפה: כשהייתי סטודנט היה לי אופנוע טריומף אנגלי, שהיה גרוטאה. הייתי מתקן אותו כל שני וחמישי. באחת הפעמים שהוא שוב לא סחב באתי למוסך, והתברר שיש סדק בראש המנוע. לא היה לי כסף לראש מנוע חדש, אבל המוסכניק אמר 'אין בעיה', לקח מקדחה וקדח חור בקצה של הסדק, ואז מילא אותו בחומר חדש והאופנוע היה בסדר לעוד כמה חודשים. מה בעצם הוא עשה? קטם את הקצה של הסדק, וכך בעצם ביטל את הנקודה שבה המאמצים שואפים לאינסוף. הוא הוציא את העוקץ מהסדק.

תמר פיינברג

"כשחקרנו את תופעת החיכוך במעבדה, גילינו שגם כאן יש סדק שמתחיל בנקודה חלשה ומתקדם במהירות. בשביל למדוד את הסדק הזה ואת מהירות ההתקדמות שלו בנינו מתקן שמאפשר לנו לראות את נקודות המגע באמצעות אור שמוקרן מלמטה על חומר שקוף. שמנו בצד השני מצלמה מהירה וצילמנו מיליון תמונות בשנייה של שטח המגע בין שני לוחות שמתחככים זה בזה. בעצם שחזרנו את הניסוי של לאונרדו: משכנו את אחד הלוחות, ובשלב מסוים הוא התחיל להחליק. המדידות שלנו הראו שבאמת יש סדק שמתחיל איפשהו בתוך שטח המגע, מאיץ, ומתקדם לאורך משטח המגע. זו היתה הפעם הראשונה שמישהו מדד דבר כזה".

מפני שחיכוך נחשב לתופעה פשוטה מכדי לחקור?

"יש כתבי עת שלמים שמוקדשים לחיכוך, אבל סקאלות המהירות היו אחרות לגמרי. חשבו שאם מניעים משהו במילימטר 
לשנייה, אלה סדרי הגודל שבהם צריך להתייחס לתופעה. אף אחד לא חשב שמה ששובר את נקודות המגע נע באלפי מטרים בשנייה. מי שכן חשב על זה היו גיאופיזיקאים, כי מה שתיארתי לך כאן זו בעצם הפיזיקה של רעידת אדמה. כשיש שני לוחות טקטוניים שלחוצים זה לזה, פועלים עליהם כל מיני כוחות ומדי פעם הם מחליקים טיפה. כשזה קורה, אנחנו מרגישים את זה כרעידת אדמה.

"כשחקרנו חיכוך במעבדה גילינו שלוש 'משפחות' של סדקים, שמקבילים לשלושה סוגים של רעידות אדמה: הסוג הראשון, שהיה מוכר, מאיץ עד למהירות גבולית שזהה בערך למהירות הקול. זה סוג רעידת האדמה השכיח, שגורם לנזקים גדולים; סוג שני הוא אטי בערך פי 100 מרעידת אדמה סטנדרטית. בסוג כזה של רעידת אדמה הלחץ שמשתחרר גורם להרבה פחות רעש. הרעש נוצר מהתנועה של הלוחות וזה מה שמנער לך את הבית וגורם לנזק. אם זה קורה פי 100 יותר לאט, משתחררת אותה מידה של לחצים אבל לא נשמע רעש – זו מין רעידת אדמה 'ידידותית לסביבה', שכלל לא ידעו שהיא קיימת; רעידות אדמה מסוג שלישי הן רעידות 
על־קוליות. גם פה משתחררת אותה אנרגיה, אבל ההרס שנגרם הוא אדיר. חושבים שהרעידה הגדולה שהיתה בטורקיה לפני כ־15 שנים, שהרגה 20 אלף איש, היא אחת הדוגמאות לרעידה מהסוג הזה".

כיצד מתרחשת רעידת אדמה כזאת?

"זה מחזיר אותנו ללאונרדו דה וינצ'י שתיאר מערכת פשוטה, וקבע שברגע שתפעיל מספיק לחץ משיכה ותעבור איזה סף, הלוח יתחיל לזוז. זה פשוט לא נכון. אין 'סף' כזה, כי אם היה, גם ההחלקה של הלוחות 
הטקטוניים היתה קבועה ואטית ולא היו רעשים שגורמים לרעידות אדמה. בפועל, אתה יכול 'לטעון' הרבה מאוד אנרגיה לתוך מערכת כזאת והיא לא תזוז - כמו קפיץ דרוך - ואז ברגע שיהיה לך ניצוץ, שבר קטן, אנרגיה עצומה תשתחרר במהירות גדולה. זה מה שקורה ברעידת אדמה על־קולית".

עם ההבנה החדשה של התהליך הזה, האם ניתן לדעת מתי מתרחש כל סוג של רעידה או לצמצם את ההרס שהיא תגרום?

"אולי כן, אבל על זה נדבר בעוד עשור, אחרי שנוכיח את זה. בינתיים, אנחנו יכולים לדעת הרבה על סוגי רעידות אדמה שצפויים במקומות מסוימים ולהיערך בהתאם. כך, אם אנחנו יודעים שעומד לקרות סוג על־קולי, נניח בים המלח, אז צריך לתקן את חוקי הבנייה בהתאם, ולחילופין אם אנחנו יודעים שבמקום מסוים יקרה רעש מהסוג האטי, נוכל לבנות שם גם בקתות בוץ ללא חשש. וחלק מהניצנים הראשונים של תשובות מהמחקר שלנו מציעים דרכים שבהן אפשר באמת למדוד את מה שמתרחש בעומק האדמה, וכך לאמוד את הנזק האפשרי".

עד כמה אנחנו יכולים לדעת מה קבור בעומק כזה?

"רעידת אדמה נוצרת במשטח החלקה שיושב, במקרה הטוב, כ־10 קילומטרים מתחת לפני השטח, ובמקרה הפחות טוב מאות קילומטרים מתחתיהם. לכן, כל מה שאנחנו יודעים אנחנו יודעים ממדידות סיסמיות, שזה כמו כמה אינדיאנים מתוחכמים שמצמידים את האוזן לקרקע. לפי תוצאות המחקר שלנו, אפשר לדעת הרבה לפי הרעידה הקודמת.

סוד קטן שלא רבים יודעים אותו הוא שכשמתרחשת רעידת אדמה משתחרר רק פרומיל מהאנרגיה. לא כל ה'קפיץ' משתחרר. רואים את זה בבירור במעבדה. אז אני לא יכול לדעת לפי זה מתי תבוא הרעידה הבאה, אבל, עקרונית, כשיש מידע על רעידות שהתרחשו באותו מקום בעבר, אני יכול לומר מאיזה סוג היא תהיה, או אפילו, אם יש קו שבר ארוך, באיזה חלקים שלו הרעידה תהיה חזקה ובאיזה לא, או אם במקום מסוים עלולה להיות רעידה על־קולית מסוכנת".

אילו השלכות נוספות יש לתגלית שלכם?

"יש לזה השלכות אדירות, כי למשל, 80% מהאנרגיה שאגורה בדלק שאתה שם במכונית שלך מתבזבז על חיכוך. אבל אם מה שאתה יודע על החיכוך הזה מגיע מפרדיגמה לא נכונה, עכשיו יש לך פרדיגמה אחרת לגמרי, ואפשר להתחיל לשחק עם זה. אם אתה מבין משהו טוב יותר, אתה יכול גם לשלוט בו". 

 

 

 

הכתבה מתפרסמת בגיליון אוקטובר של מגזיןTheMarker
למנוי למגזין, חייגו: 5200*

 

 

.



תגובות

דלג על התגובות

בשליחת תגובה זו הנני מצהיר שאני מסכים/מסכימה עם תנאי השימוש של אתר הארץ

סדר את התגובות

כתבות ראשיות באתר

כתבות שאולי פיספסתם