הסבר התלמידים:

תמונה זו צולמה בספונטאניות, כשישבנו על שפת בריכה והבחנו במקרה בעכביש הרץ על פני המים. החלטנו לצלם את התמונה ולבחון את התופעות הפיסיקאליות הנגלות בה. בתמונה נראה עכביש הרץ על פני המים, תנועתו יוצרת גלים ודמותו יוצרת צל על הקרקעית. התופעה המאפשרת לעכביש לרוץ על פני המים מבלי לשקוע בהם היא מתח הפנים של המים. פני השטח של המים מתנהגים כיריעה אלסטית השואפת לפני שטח מינימליים: מולקולת מים פנימית נמשכת בכוחות שווים על ידי המולקולות שסביבה כך שמאזן הכוחות הפועלים עליה הוא אפס, לעומתה, על מולקולה הנמצאת על פני השטח מופעלים כוחות כלפי פנים ע"י המולקולות הפנימיות, הכוח הנורמאלי המאזן את הכוחות הללו הוא הכוח המונע מהעכביש לשקוע. כתוצאה ממתח הפנים של המים, רגליו של העכביש אינן שוקעות וכך גורמות לשקיעת פני המים מתחת לרגליו של העכביש . כך הופכים המים למעין עדשות קעורות . קרני השמש הפוגעות ב"עדשות" אלו מתפזרות ועל כן נוצרות טבעות של אור בהיר מסביב לצל שיוצרת רגל העכביש על קרקעית הבריכה. הגלים שיוצר העכביש במים הם תוצאה של תזוזה נמרצת של העכביש בתחילת התנועה ממקום עמידתו. (גל= התפשטות של הפרעה במרחב ) מרכז ההפרעה נראה במקום ממנו החל העכביש לרוץ כאשר העכביש עצמו נראה במקום אחר- דבר המצביע על כך שמהירותו גבוהה יחסית. ניתן גם לראות שהטבעות שנוצרות במים אינן מושלמות ואינן אחידות – כתוצאה מהתזוזה הנמרצת.

ההסבר של התלמידים טוב מאוד!

הרחבה:

בכל נוזל כוחות בין מולקולאריים יגרמו למולקולות הנוזל להמשך זו לזו. כוחות אלה ידועים בשם "כוחות מלכדים" (.(cohesive forces בתוך הנוזל מולקולה מוקפת מכל הכיוונים במולקולות אחרות ולכן כוחות המשיכה מבטלים זה את זה והכוח השקול על מולקולה כזו הוא אפס. לעומת זאת, על מולקולה הנמצאת על פני המשטח המפריד בין הנוזל לבין תווך אחר, כמו אוויר למשל, פועלים כוחות המשיכה רק כלפי מולקולות הנוזל ולכן שקול הכוחות הפועלים עליה יהיה כלפי פנים הנוזל (ראו איור). כתוצאה מכך מתנהגת השכבה החיצונית של הנוזל כמו קרום מתוח, בדומה להתנהגות של בלון מלא, הנוטה לצמצם את שטח הפנים שלו. שינוי במתח הפנים, בדומה לניפוח או התכווצות של בלון, משנה את האנרגיה האלסטית של פני הנוזל. אפשר אם כן להגדיר את מתח הפנים על ידי תוספת האנרגיה (בג'אולים) הדרושה כדי להגדיל את שטח פני הנוזל ביחידה אחת (מטר רבוע).  

והנה שאלה שאפשר לשאול על בסיס התמונה שצלמו התלמידים:
רגליים שעירות מסייעות לחרקים ללכת על המים – מעובד מתוך מאמר שפורסם בנובמבר 2004 ב - National Geographic News במחקר שנעשה בעזרת מיקרוסקופ רב עצמה, מצאו חוקרים בסין כי ברגליהם של פשפשי מים מצויות אלפי שערות מיקרוסקופיות באורך של כ – 50 מיקרומטר. השערות יוצרות מעין "חורשות" מיניאטוריות אשר לוכדות אוויר ומגדילות בכך את ההתנגדות למים ואת יכולת הציפה הכוללת של החרק.

"הידרופוביה [דחייה של מים] רגילה יכולה לתמוך בהם כאשר הם נחים על המים," אמר לי צ'יאנג, אחד החוקרים הסיניים, "אך נגיעות קלות [בפני המים] או הפרעות יכולות לשבור את האיזון. אולם, כריות האוויר בשטח הפנים שבין הרגל למים יכולות לאפשר להם לנוע במהירות וביציבות על פני המים – אפילו בשעת סופות גשמים או הפרעות אחרות." לפשפשי המים, שארכם כסנטימטר אחד, שני זוגות רגליים ארוכות ושעירות המשמשות אותם לציפה ולתנועה על פני המים. מתח הפנים של המים יכול להחזיק את הפשפש על פני המים מבלי שישקע: רגלי החרקים מסוגלות ליצור גומות אוויר בקוטר של 4 מילימטר מבלי לשבור את פני המים ולדחות מים בנפח הגדול פי 300 מגודלן. החוקרים מצאו שרגלי הפשפש יכולות לתמוך במשקל הגדול פי 15 ממשקל החרק מבלי שהוא ישקע. יכולת ציפה זו מאפשרת לחרקים לקפץ מעל פני המים בדומה לכדור גומי הקופץ על מדרכת בטון. יכולת זו עוזרת לחרקים להחליק על פני המים במהירות של מאות אורכי גוף לשניה. לשם השוואה, אדם בגובה של 1.80 מטר יצטרך לשחות במהירות של 644 קמ"ש כדי להתחרות בהם. פשפשי המים נעים לא רק במהירות רבה אלא גם למרחקים גדולים. חוקרים מצאו כי חרקים מסוימים נעו למרחקים של מאות קילומטרים על פני ימים טרופיים שקטים. ענו על השאלות הבאות:

1. במאמר מצוין כי פשפש המים עובר מרחק השווה לכמה מאות פעמים אורך גופו בשניה אחת. על פי ההשוואה המופיעה במאמר, כמה אורכי גוף בדיוק עובר שחיין בשניה אחת אם מהירותו היא 644 קמ"ש?
   תשובה: נתון שכדי שאדם ינוע, ביחס לאורך גופו, במהירות הדומה לזו של החרק עליו לנוע במהירות של 644 קמ"ש או כ – 179 m/s. אם נחלק באורך גופו של האדם, 1.80 מטר, נקבל שהאדם עובר כמאה פעמים את אורך גופו בשניה.
   
   
2. מהי המהירות, ביחידות של m/s, בה נעים פשפשי המים על פני המים?
   תשובה: אם הפשפש, כמו השחיין, עובר מאה פעמים את אורך גופו בשניה ואורך גופו הוא 1 ס"מ אזי מהירותו תהיה 1 m/s.
   כדי לנפח בועת סבון יש לבצע עבודה משום שפני הבועה מפעילים לחץ המתנגד ללחץ האוויר שבתוכה. תכונה זו משותפת לכל הנוזלים: נדרשת אנרגיה כדי להגדיל את שטח הפנים שלהם. אחת ההגדרות של מתח פנים היא האנרגיה הדרושה כדי להגדיל את שטח הפנים של נוזל מסוים ביחידת שטח אחת.
   
   
3. נתון כי מתח הפנים של מים בטמפרטורה של 20 ⁰ C הוא Joule/m ² 72.75•10 ^-3 .
   א. הסבירו את משמעות הנתון לאור ההגדרה של מתח הפנים.
   ב. הראו כי היחידות N/m אף הן יחידות של מתח פנים.
   
   
4. נניח שהבועה הנוצרת על ידי השערות שברגלי החרק נראית כבציור.
   
   
   א. מהו היקף הבועה על פי נתוני המאמר?
   ב. חשבו על פי מתח הפנים הנתון מהו הכוח שמפעילים פני המים לאורך היקף הבועה על השערות? (הניחו כי השערות צפופות מאוד
   תשובה: נתון כי קוטר הבועה כ – 4 מ"מ. מכפילים את היקף הבועה (במטרים) במתח הפנים ביחידות של N/m.
   ג. מהו כיוונו של הכוח?
   
   
5. בהנחה שצפיפות גופו של החרק זהה לצפיפות גופך, אמוד, על פי הנתונים במאמר, את משקלו של פשפש. הסבר את שיקולך.
   תשובה: ארכו של החרק כ – 1 ס"מ שווה בערך לאורכה של קצה הזרת. עוביו יהיה כמחצית העובי של קצה הזרת. כעת יש להעריך את משקלה של קצה הזרת. לשם כך יש להעריך את הצפיפות של גופנו. נדמה שגופי הוא מעין תיבה: גבהי כ – 1.7 מטר, רחבי הממוצע כ – 0.8 מטר, עוביי כ – 0.3 מטר. מכאן שנפחי כ – 0.4 מ"ק. משקלי כ – 70 ק"ג ולכן צפיפות גופי כ – 175 ק"ג למ"ק. צפיפות זו היא כחמישית מזו של מים. תוצאה סבירה בהתחשב בכך שבגוף קיימים חללים רבים המלאים באוויר. כעת למשקלה של הזרת: קטרה כ - 1 ס"מ וארכה כ – 1 ס"מ. נדמה שהיא מעין גליל. נפחה יהיה: ולכן מסתו של פשפש המים תהיה כ – 0.014 ק"ג כלומר כ – 14 גרם ומשקלו יהיה כ – 0.14 ניוטון:
   
   
6. כמה גומות דרושות כדי להחזיק את החרק מבלי שישקע?
   
   
7. במאמר כתוב: "החוקרים מצאו שרגלי הפשפש יכולות לתמוך במשקל הגדול פי 15 ממשקל החרק מבלי שהוא ישקע". הסבירו מדוע ניסוח זה אינו נכון.
   
   
8. מהי הבעיה העיקרית עליה מנסה המאמר להשיב?
   
   
9. מהם החוקים הפיזיקליים בהם השתמשתם כדי לענות על השאלות?