Skip to main content

איזה לחץ

רקע כללי


הרעיון בדבר קיומו של המושג "לחץ אטמוספירי" אינו מובן מאליו איננו חשים בו, מכיוון שבדרך-כלל האויר סביבנו אינו דוחף או מועך אותנו. הסיבה לכך היא שהלחץ הזה מופעל באופן שווה מכל הכיוונים וגם בתוך גופנו שורר לחץ זהה. גופנו אינו דחיס, כלומר גם אילו עברנו למקום חסר אטמוספירה (כמו הירח) או בעל אטמוספירה צפופה מאוד (כמו צדק), נפח גופנו לא היה משתנה כמעט. הדבר נובע מכך שאנו עשויים בעיקר משלד של עצמות וממים ולא, נניח, מגומי. לעומת זאת, בלון מטאורולוגי שמופרח לצורך מדידות באטמוספירה עשוי גומי, ולכן תוך כדי עלייתו מעלה הוא מתנפח בהדרגה לממדים מדהימים. התנפחות זאת נובעת כתוצאה מפחיתת לחץ האויר עם הגובה בהשוואה ללחץ הגז שבתוך הבלון, עד שלבסוף הבלון מתפוצץ וצונח ארצה. כאשר מעכלים את הרעיון שלאויר - כמו לכל חומר - יש משקל, ניתן להסיק מכך שהאטמוספירה חייבת להפעיל לחץ. כל דבר בעל משקל מפעיל כוח כלפי מטה, וכל נוזל או גז מפעיל כוח שווה בכל הכיוונים על כל מה ששרוי בו.

היסטוריה


כבר היוונים הקדמונים ידעו שכאשר מזרימים אויר בין שני גופים - אפילו בין שתי הידיים, או בין שני בלונים התלויים במרחק כמה סנטימטרים זה מזה - הם נמשכים זה לזה במקום להידחות. כיום אנו יודעים שהתופעה הזאת נובעת מכך שהלחץ קטן יותר במקום בו אויר מצוי בתנועה.

הפילוסוף היווני אריסטו ניסח זאת אחרת: הטבע שונא ריק (ואקום). תפישתו היתה מקובלת במשך מאות שנים, עד תקופתו של גלילאו, בתחילת המאה ה-17 גלילאו ביצע שני ניסויים חשובים ביחס לאויר: ראשית, הוא הזרים אויר לתוך בקבוק ומצא שמשקל הבקבוק עם האויר הדחוס גדל. בכך הראה שלאויר יש משקל, שנית הוא הצליח ליצור ריק, דבר שאריסטו טען כי אינו אפשרי, על-ידי משיכת בוכנה בכלי זכוכית (מעין מזרק) כך שהנפח גדל וצפיפות האויר בו קטנה.

אך אפילו גלילאו לא היה מסוגל להסיק את המסקנה הנכונה, שהלחץ האטמוספירי הוא שמתנגד למשיכת הבוכנה. הוא המשיך להשתמש במינוח האריסטוטלי של "כוח המשיכה של הריק". גם כאשר נוכח לדעת שהריק אינו מסוגל "למשוך" מים כלפי מעלה יותר מאשר לגובה 10 מטרים הוא התעקש לנסח זאת במשפט: "נראה שהטבע מתעב ריק בגובה רב מעשרה מטרים". למעשה, ההסבר לכך הוא שהלחץ האטמוספירי שקול למשקלו של עמוד מים בגובה 10 מטרים, ולכן אין הוא יכול לגרום לעמוד מים גובה יותר.

זמן קצר לפני מותו ב- 1641, העביר גלילאו את הבעיה לעוזרו (וממשיך דרכו כמתמטיקאי-החצר וכפילוסוף) אוונגליסטה טוריצ'לי. טוריצ'לי הראה שהריק "מושך" אליו כספית, אשר שוקלת פי 13.6 ממים, עד לגובה של 76 ס"מ, ופירש את התופעה כלחץ של האטמוספירה, מכיון שריק, בהיותו לא-כלום, אינו יכול להפעיל כח. הוא הגיע למסקנה המרשימה שאנו מצויים בתחתיתו של "אוקינוס של אויר". ב- 1648 נעץ בלייז פסקאל את המסמר האחרון בארון הקבורה של התפישה האריסטוטלית בכך שהראה כי הכספית בברומטר עולה לגובה 70 ס"מ בלבד בפסגת הר בדרום צרפת - כלומר, הלחץ האטמוספירי נמוך יותר באזורים גבוהים יותר.

זמן קצר אח"כ התברר כי גובה עמודת הכספית בברומטר אינו יציב, אלא עולה ויורד בהתאם למזג-האויר. כך, למעשה, נולד המדע של חיזוי מזג-האויר, שעד אז חזו אותו בצורה אינטואיטיבית ובלתי כמותית על-סמך צפייה בשמיים והתבססות על נסיון קודם בלבד. התפישה האריסטוטלית נראית כה טבעית, בעוד הרעיון של לחץ אטמוספירי כל-כך מופשט, עד שגם היום, 350 שנה אחרי גלילאו וטוריצילי, רוב האנשים חושבים על שתייה בעזרת קשית במונחים של משיכת הנוזל ע"י הואקום, אולי פשוט מכיון שנוח יותר להתייחס ל"יניקת מיץ" מאשר ל"הנמכת לחץ האויר בתוך הפה, באופן שהלחץ האטמוספירי דוחף נוזל במעלה הקשית לתוכו".

לחץ סטטי ולחץ דינאמי


האוויר מורכב ממולקולות - חלקיקים קטנים עד כדי כך, שלא ניתן לראותם כלל, אף לא מבעד למיקרוסקופ רב עוצמה. חלקיקי האויר נעים במהירות רבה בתנועה אקראית בכל הכיוונים. גם כאשר אין רוח כלל, ואנו אומרים שהאוויר "עומד", ממשיכים חלקיקי האויר בתנועתם זו. בהיות התנועה אקראית, אין חלקיקי האויר מתקדמים ממקום למקום, בממוצע, ולכן איננו יכולים להבחין בה באופן ישיר, אלא רק בתוצאותיה - לחץ האויר וטמפרטורת האויר.

בעת שאויר זורם ממקום למקום, למשל כשנושבת רוח, מורכבת התנועה של האויר משתי תנועות שונות, האחת של כל החלקיקים בכיוון הזרימה, והשנייה היא התנועה האקראית שלהם בכל הכיוונים. כאשר חלקיקי האויר פוגעים במשטח מסויים, למשל דופן של מיכל אויר דחוס, אנו אומרים שפועל על המשטח לחץ. את הלחץ שמפעיל האויר אנו מחלקים לשני סוגים, בהתאם לשני סוגי התנועה. סוג אחד, הוא הלחץ הנובע מתנועתם האקראית של החלקיקים. לחץ זה פועל באופן שווה בכל הכיוונים והוא, למשל, הגורם לכך שבלון מנופח לא מתכווץ. הסוג השני הוא הלחץ הנובע מתנועת האויר בכיוון הזרימה, והוא פועל רק בכיוון הזרימה של האויר. לחץ זה אחראי לכך שבעת שנושבת רוח, עפים הדברים בכיוון הזרימה של הרוח. הסוג הראשון נקרא בשפה המקצועית לחץ סטטי כי הוא פועל גם כאשר האוויר "עומד", והסוג השני נקרא לחץ דינמי כי הוא פועל רק כאשר האוויר נע ממקום למקום.

מדידת לחץ


כדי לחוש בלחץ אטמוספירי, ובעצם גם כדי למדוד אותו, יש לסלק את הלחץ מצד אחד של "משהו" - מכשיר מדידה או הגוף שלנו, למשל - כדי שיווצר כוח שקול הפועל על ה"משהו" הזה. למעשה מדובר בסילוק אויר - יצירת ריק. ברומטר (מד-לחץ) עושה דבר זה בדיוק. ברומטר שבו מפרידה ממברנה (קרום) דקה בין אזור הלחץ הנמדד לאזור הואקום, מכונה ברומטר אנרואיד. רוב הברומטרים הביתיים הם מסוג זה.

ברומטר מוכר אחר הוא ברומטר הכספית, שבו יש עמודת כספית במקום הממברנה. הלחץ האטמוספירי בגובה פני-הים לוחץ על הכספית ומעלה אותה לגובה 76 13.6 ס"מ בערך (אילו השתמשנו במים, הקלים פי מכספית היתה עמודת המים מתנשאת לגובה 10 מטרים, השקול לגובה של בית בן 3 קומות, ולכן ברור מדוע עדיף השימוש בכספית על אף היותה חומר רעיל...).

התנועה היחסית בין הארץ לבין השמש והירח והשינויים היממתיים בחימום על-ידי השמש גורמים לתנועה עירבולית של האטמוספירה. כתוצאה מכך הלחץ האטמוספירי אינו קבוע, אלא משתנה באחוזים בודדים באזורנו אין שינויי הלחץ עולים על 1-2% מהלחץ הממוצע). שינויים אלה יוצרים מערכות מזג-אויר אופיניות. למשל, שקע באזורנו בעונת החורף מלווה על פי רוב בעננות מפותחת ובגשמים, ולפיכך "צניחה" תלולה של הלחץ הברומטרי תוך זמן קצר מרמזת על התקרבות של מרכז השקע לעבר ישראל ומהווה התרעה על ירידה בטמפרטורה, התחזקות הרוח, גשמים, ברד וכן הלאה. לא פלא, אם כן, שמדי לחץ הפכו מיד עם המצאתם לאמצעי העיקרי לחיזוי מזג אויר, למעשה עד עצם היום הזה.

חוק ברנולי


כיצד מתרוממים מטוסים לאוויר? מדוע מתהפכות מטריות ברוח? מדוע נעקרים גגות בתים בעת סופה חזקה?

התשובות לשאלות אלו ולעוד רבות אחרות קשורות בתכונותיו של האוויר כחומר הזורם ממקום למקום. העקרון, העומד ביסוד ההסברים, נקרא חוק ברנולי על-שם דניאל ברנולי שהוכיח אותו בשנת 1738. כזכור, לחץ האויר מורכב מסכום הלחץ הסטטי, שמקורו בתנועתם האקראית של מולקולות האויר, והלחץ הדינמי, הנובע מתנועה אחידה של אויר (רוח, זרימה). חוק ברנולי אומר, שסכומם של הלחץ הנובע מהתנועה האקראית ושל הלחץ הנובע מהתנועה בכיוון הזרימה, הוא תמיד קבוע. כלומר, אם מגדילים אחד מהם - קטן השני. חוק ברנולי הוא, למעשה, דוגמא לחוק שימור האנרגיה. אנרגיית התנועה של חלקיקי האוויר מורכבת מאנרגיית התנועה האקראית ומאנרגיית התנועה שבכיוון הזרימה. סכום אנרגיות אלו חייב להישמר ומכאן שגם סכום הלחצים.

כדי ליישם את החוק להבנת תופעות שונות, נשאר לציין רק עוד דבר אחד. הלחץ שמפעיל האוויר בכיוון הזרימה גדול יותר ככל שמהירות הזרימה גדולה יותר. נובע מכאן, לפי חוק ברנולי, שככל שהאוויר זורם מהר יותר ומפעיל יותר לחץ בכיוון הזרימה, הוא מפעיל פחות לחץ בשאר הכיוונים.

את עקרון ברנולי ניתן לפגוש גם בחיי היומיום. כאשר הולכים עם מטריה בזמן רוח חזקה, קורה לא אחת שהמטריה מתהפכת. כמו במקרה של הכנף, זורם האויר מעל המטריה מהר יותר והפרש הלחצים שנוצר משני צדדיה גורם למטריה להתהפך.

אותו עקרון אחראי גם לכך שבזמן סופות חזקות נעקרים גגות של בתים. זרימת האויר מעל לגג יוצרת לחץ נמוך מאוד, בייחוד בסופות טורנדו, והפרש הלחצים הוא אשר מרים את הגג שנגרף ברוח. דוגמא נוספת, מתונה יותר וגם קלה בהרבה לביצוע, היא בעת נסיעה במכונית, אוטובוס או מונית שחלונותיהם מצויידים בוילונות. כאשר מורידים את הוילון ומשאירים את החלון פתוח, אפשר לראות שהוילון נשאב החוצה בגלל הלחץ הנמוך שנוצר בחוץ. נסו גם אתם למצוא תופעות בחיי היומיום, שההסבר להן נעוץ בחוק ברנולי.
נוצר בתאריך: 03/12/12
עודכן בתאריך: 03/12/12