אתר מורי פיזיקה - עמוד הבית

מבוסס על כתבות: 

• מתקן המאפשר לבני-אדם להתהלך על קירות, דר. משה נחמני, אתר הידען, 15.2.2010
• Surface tension, Wikipedia

ממצאי מחקר חדש,שפורסמו בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences, מתארים מתקן בגודל כף-יד, שפותח באוניברסיטת קורנל, והמסתייע במתח-פנים של מים על משטח כקשר מדביק, ובכך יאפשר (אולי) לבני-אדם ללכת על קירות.

פיתוח המתקן נולד בהשראת סוג חיפושית הנפוצה בפלורידה, המסוגלת להיאחז בעלה בכוח שהינו פי מאה ממשקלה העצמי, יחד עם האפשרות לניתוק מיידי מהעלה.

לדבריו של פול סטרין, פרופסור להנדסה כימית וביומולקולארית באוניברסיטת קורנל, מנגנון ההדבקה המהירה יוכל להוביל לפיתוחן של נעליים או כפפות הנדבקות וניתקות מקירות, או של פתקים דביקים שיוכלו לשאת על עצמם משקל גדול יותר.

המתקן מורכב מלוח שטוח המכיל חרירים, שכל אחד מהם בגודל מיקרוני. לוח תחתון מכיל מאגר של נוזל, ובאמצע מצויה שכבה נקבובית נוספת. שדה חשמלי, הנוצר ע"י סוללה של תשעה וולטים, גורם לשאיבת טיפות מים מהשכבה התחתונה ולדחיסתן לתוך השכבה העליונה. מתח הפנים של הטיפות החשופות גורם למתקן להיאחז במשטח הנוסף – בדומה למצב שבו שתי פיסות זכוכית לחות נצמדות האחת לשנייה.

"בחיי היום-יום שלנו, כוחות אלו הינם חלשים יחסית," מסביר החוקר. "אולם, אם אתה מפעיל כמות רבה שלהם תוך כדי בקרה מדויקת עליהם, כמו שעושה החיפושית, עתה יכול לקבל כוחות אחיזה חזקים."

אחד ממתקני האב-טיפוס של החוקרים הורכב מאלף חרירים, בגודל של 300 מיקרונים כל אחד, והצליח לשאת עליו משקל של שלושים גרמים – יותר משבעים אטבים משרדיים. הם גילו כי עם הקטנת קוטר החרירים ומילוי מספר רב יותר שלהם באותו השטח, מידת ההדבקה מתגברת. החוקרים מעריכים כי מתקן ששטחו 2.5 ס"מ מרובעים, המכיל מיליוני חרירים בגודל של מיקרון אחד, יוכל לשאת משקל הקרוב לשמונה קילוגרמים.

בכדי לשחרר את האחיזה, מחליפים את כיוון השדה החשמלי המופעל, ואז המים חוזרים למקומם המקורי, תוך שבירת "הגשרים" הזעירים שנוצרו בין המתקן לבין המשטח האחר. המחקר הנוכחי מבוסס על מחקר קודם שפורסם והדגים את היעילות של מה שמכונה "שאיבה אלקטרו-אוסמוטית בין ממשקי משטחים שונים האחוזים יחדיו ע"י מתח-פנים".

מתח פנים נגרם על ידי משיכה בין מולקולות הנוזל. בתוך הנוזל, מופעלים כוחות זהים על כל מולקולה מכל הכיוונים, ולכן הכוח השקול על כל מולקולה הוא אפס. לעומת זאת, על פני המשטח של הנוזל, המולקולות נמשכות לתוך הנוזל על ידי המולקולות שמתחתן, אך התווך בו נמצא הנוזל (כמו אוויר, ריק או נוזל אחר) מושך את המולקולות שעל פני המשטח בצורה חלשה יותר. למעשה, האיזון של המולקולות שעל פני השטח נגרם רק על ידי התנגדות הנוזל לדחיסה. לכן, גם כאן הכוח השקול הפועל על מולקולה שעל פני המשטח הוא אפס, אך ישנו כוח המנסה להקטין את שטח הפנים. לכן, שטח הפנים של הנוזל מתכווץ עד למינימום האפשרי, וזוהי הצורה הכדורית המוכרת לנו. כל שינוי בצורה הכדורית של שטח הפנים יגרום להגדלת שטח הפנים. לכן, כל שינוי כזה יגרור התנגדות מצד המשטח. זהו מתח הפנים.