כוכבי החג: הנרות והאש
לכאורה אין הרבה מדע מאחורי דבר פשוט ועתיק כמו נר. אבל כמו במקרים רבים, המורכבות המדעית תלויה בשאלות. מהי שריפה? איך זה שנרות נשרפים באופן מבוקר לאורך זמן? התשובות יובילו לשאלות מורכבות יותר: למה קצה הלהבה צהוב ובסיסה כחול, איך אפשר לצבוע להבה כרצוננו (כמעט) ומה קובע את צורת הטיפה האופיינית של להבת הנר?
ד"ר אבי אסייג עורך ניסויים לחנוכה
(צילום: אורי דוידוביץ, שמוליק דודפור)
השליטה באש היא אחת התגליות החשובות בהיסטוריה האנושית. האש מספקת לנו חום ואור מאז ימי האדם הקדמון, ולמידת מלאכת הבישול השפיעה מאוד על ההתפתחות של אבות אבותינו. מחקרים מעידים שהתפתחות המוח הגדול של האדם התאפשרה בין השאר בזכות המזון המבושל. אומנם האדם הקדמון כנראה לא הבין מהי אש, אבל הוא בהחלט ידע להשתמש בה.
תהליכי בעירה מעסיקים פיזיקאים וכימאים מזה מאות שנים. כיום אנו יודעים שהבעירה שאנחנו רואים בקצה פתילו של הנר היא תגובה כימית בין חמצן (O2) למולקולות פחמימניות – שרשראות של אטומי פחמן (C) הקשורים זה לזה ואטומי מימן (H) הקשורים לאטומי הפחמן. במהלך התגובה הפחמן הופך לפחמן דו-חמצני (CO2), המימן הופך למים (H2O) ואנרגיה נפלטת. האור והחום הם ביטויים של האנרגיה הזאת.
למזלנו, תגובת הבעירה לא מתרחשת מעצמה. כדי להתחיל את התגובה הכימית צריך לספק לה אנרגיה התחלתית בעזרת מצית או גפרור, או בדרכים יצירתיות יותר, כגון זכוכית מגדלת ואור שמש. מרגע שהבעירה החלה, נפלטת במהלך התגובה האנרגיה הדרושה להמשך. כך הנר ימשיך לבעור כל עוד יש חמצן באוויר וכל עוד הדלק – המולקולות הפחמימניות – לא אזל.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
מחשב, צייר לי כבשה
המשי החזק ביותר
למה אנחנו מתמתחים בבוקר?
בנרות השעווה של ימינו הדלק הוא פרפין, ובשמו העממי שעווה, שמורכב מתערובת של מולקולות פחמימניות גדולות יחסית. בעבר השתמשו בעיקר בשומן של בעלי חיים, שמן צמחי או דונג דבורים כדלק. התגובה הכימית דומה תמיד, אבל רוב השריפות אינן מושלמות ולא כל מולקולות הדלק מומרות לפחמן דו-חמצני ומים. המולקולות שלא נשרפות לחלוטין, יוצרות עשן, פיח וריח לא נעים.
כשאנחנו מדליקים נרות חנוכה, תחילה הפתיל נשרף. גם הפתיל עשוי דלק, הפעם מדובר בתאית (צלולוז) שמכילה בעיקר אטומי פחמן ומימן, וגם חמצן. החום מהלהבה מתיך את השעווה בתחתית חלקו הגלוי של הפתיל ומתחיל לאדות אותה לגז המורכב מפחמן ומימן שמגיב עם החמצן שבאוויר. החום ממשיך להתיך את השעווה בבסיסו של הפתיל, והשעווה הנוזלית עושה דרכה במעלה הפתיל בעזרת נימיות – היכולת של נוזל לעלות למעלה בהשפעת כוחות הפועלים בין האטומים. היא ממשיכה לטפס עד שהיא מגיעה לבסיס הלהבה, שם החום מאדה אותה. קוטר הנר כמעט לא ישפיע על קצב הבעירה משום שהבעירה מתרחשת רק סביב הפתיל. רק קוטר הפתיל משנה את הקצב. אם אתם רוצים יותר אור וחום, בחרו פתילים רחבים יותר.
להבה בשלל צבעים
בלהבה יש צבעים רבים: הבסיס כחול, מעליו יש אזור כתום צר, אחריו הלהבה הצהובה ולעיתים אפשר להבחין בקצה הלהבה באזור כחלחל נוסף. הצבעים הללו הם תוצאה של הטמפרטורות והתהליכים המתרחשים בכל אזור ואזור.
אדי השעווה מתחילים להתפרק באזור הכחול בבסיס הפתיל. המימן משתחרר ראשון בתהליך הפירוק, בא במגע עם האוויר ומגיב עם החמצן כך שנוצרים אדי מים. באזור הכחלחל סביב הלהבה, שחומו עולה לכדי 1,400 מעלות צלזיוס, המימן והפחמן באים במגע ישיר עם החמצן ומגיבים איתו בצורה היעילה ביותר, ולכן זהו האזור החם ביותר בלהבה. הפחמן מגיב רק מעט עם החמצן בשלב הזה. קצת הלאה במעלה הלהבה, באזור הכתום, הטמפרטורה היא כ-1,000 מעלות, אך החמצן לא מגיע לתוך הלהבה ולכן הפחמן לא נשרף. במקום תגובת הבעירה נוצרים חלקיקי פחמן לוהטים, ובאזור הצהוב, שחומו כ-1,200 מעלות, מתחילים לראות את האור שהם פולטים. חלקיקים לוהטים פולטים אור במגוון צבעים התלוי במאפייני החומר. אנחנו מזהים את הלהבה כצהובה בגלל רגישות העין לספקטרום הצבעים הנפלטים.
בגלל הטמפרטורות הגבוהות שהבעירה יוצרת, אם נרצה לצבוע להבה בצבעים שונים, עלינו להוסיף חומרים מתאימים לחומר הבעירה. בטמפרטורות גבוהות, אטומים שונים יפלטו אור בצבעים שונים. הוספת מלחים המכילים ליתיום (Li) תצבע את הלהבה באדום. מלחי צזיום (Cs) יצבעו אותה בסגול, ונחושת (Cu) תצבע אותה בירוק. אל תנסו את זה בבית!
טיפה של אש
כל ילד יודע לצייר את צורת הטיפה המחודדת של להבה מרקדת, אבל למה היא נראית כך?
כשאוויר מתחמם הוא הופך פחות צפוף. לכן, בהתאם לכוח הכבידה, הוא מתרומם. איך? חום נותן אנרגיה למולקולות באוויר. בתגובה, הן נעות מהר יותר ומתרחקות זו מזו, כך שאותו מספר של מולקולות תופס יותר נפח וצפיפות החומר פוחתת. זה העיקרון שמאפשר לכדורים פורחים להמריא וזה המקור לצורת הדמעה של הלהבה: הלהבה מחממת את האוויר סביבה והוא עולה למעלה ומפנה מקום לאוויר קר יותר ולחמצן. האוויר הקר מתחמם ועולה גם הוא, ומפנה מקום לעוד אוויר קר. המחזור הזה יוצר זרימה מתמשכת של אוויר כלפי מעלה וכך קצה הלהבה נראה כאילו מישהו מושך אותו למעלה. כך נוצרת צורתה האופיינית של הלהבה.
זה קורה כל עוד יש כוח כבידה. מה קורה לאוויר חם בחללית בתנאי מיקרו-כבידה ואיך זה משפיע על הלהבה?
הכבידה הכרחית כדי ליצור הבדלי צפיפויות. בהיעדרה, אוויר חם לא עולה למעלה, אלא נע לכל הכיוונים. ללא כבידה, תוצרי השריפה מצטברים סביב הלהבה ומקשים על החמצן להגיע אל הלהבה ולהזין את תגובת השריפה, והלהבה כבה. ללא זרם ההסעה המתמשך של האוויר החם כלפי מעלה, להבת הנר העדינה תיראה ככיפה קטנה. הכיוון "למעלה", שעל פני כדור הארץ הפוך לכיוון כוח הכבידה, מאבד את רוב משמעותו בתנאי מיקרו-כבידה. אם נצית פיסת נייר בתנאי מיקרו-כבידה, האש תתקדם לאט מקצה הנייר לקצה השני ולא תאכל את הנייר במהירות בליווי להבה פראית.
שימו שמן
אחרי שהתמקדנו בלהבה, נבחן את הדלק שלה – השמן. לפי האגדה התלמודית, פך השמן האחרון שנמצא בבית המקדש לאחר שחרורו מידי היוונים הספיק באורח פלא להדלקת המנורה במשך שמונה ימים. הדלקת נרות החנוכה ואכילת סופגניות ולביבות מטוגנות הן חגיגה שנתית של נס פך השמן.
כיום אנחנו משתמשים בעיקר בנרות שעווה, אך בעבר השתמשו בנרות שמן. בדומה לשעווה, גם שמן מורכב ממולקולות גדולות שמכילות בעיקר אטומי פחמן ומימן. חומרים שומניים מורכבים מטריגליצרידים – מבנה של שלוש חומצות שומן הקשורות לשלד פחמימני. במצב צבירה מוצק הם נקראים שומנים וכשהם נוזליים הם נקראים שמנים. השמנים בדרך כלל מופקים ממקור צמחי – זרעים, אגוזים, קטניות או פירות, ולעיתים רחוקות משמן דגים או לווייתנים. שומנים מוצקים מופקים בדרך כלל מבעלי חיים.
יש שמנים שמכילים חומצות שומן רוויות וכאלה שמכילים חומצות שומן בלתי רוויות. בחומצת שומן רוויה, לכל אטומי הפחמן בשרשרת, חוץ מאלה שבקצוות, קשורים שני אטומי מימן. בחומצת שומן לא רוויה יש לפחות שני אטומי פחמן שאליהם קשור רק אטום מימן אחד, ואילו הפחמנים קשורים ביניהם בקשר כימי כפול.
ההבדלים בין השמנים נובעים מאורך חומצות השומן שמרכיבות אותם, היותן רוויות או לא רוויות וסידורן במרחב. התכונות הללו קובעות בין היתר את הטמפרטורה שבה השמן מתחיל להתפרק וכמה הוא בריא למאכל. הטמפרטורה שבה שמנים מתחילים להתפרק נקראת טמפרטורת עישון משום שכשמגיעים אליה רואים עשן או אדים ומריחים ריח לא נעים.
כשבוחרים שמן למאכל או לטיגון כדאי לבדוק עד כמה השמן בריא למאכל, האם אפשר לחמם אותו לטמפרטורה האידיאלית לטיגון בלי שיתפרק, וכמובן עד כמה הוא טעים. בתהליכים תעשייתיים או בטיגון בקנה מידה רחב, לצערנו השיקולים העיקריים הם כמה זמן השמן מחזיק מעמד וכמה הוא זול.
לדוגמה, שמן זית נחשב בריא וטעים מאוד. הוא מכיל חומצות שומן לא רוויות שעוזרות לשמור על רמות כולסטרול נמוכות ותרכובות שמיטיבות עם הגוף, כמו פוליפנולים, אבל הוא לא מתאים לטיגון בטמפרטורה גבוהה כי טמפרטורת העישון שלו היא רק 190 מעלות. שמן קנולה מכיל אומגה שלוש – שומן בלתי רווי שהגוף זקוק לו אך אינו מסוגל לייצר בעצמו – ובעיקר חומצות שומן לא רוויות. טמפרטורת העישון שלו, כ-205 מעלות, מאפשרת לטגן בטמפרטורה השכיחה ביותר, שהיא כ-180 מעלות. לשמן קנולה טעם נייטרלי כך שכשהוא נספג בסופגנייה או בלביבה הוא לא ישפיע על טעמה.
שמנים צמחיים הם מקור חשוב לוויטמין E ועוזרים לגוף לספוג ויטמינים נוספים. מומלץ לכלול שומנים בתזונה היומיומית, שכן גופנו זקוק להם. עם זאת, מומלץ לבחור שמנים בריאים ולאכול מהם במידה. מאכלי החנוכה המטוגנים מכילים הרבה מעבר לנחוץ. קחו זאת בחשבון.
משחקים באש!
הבשלנים שבינינו בוודאי נתקלו לא אחת בנתזי השמן החמים שניתזים לכל עבר כששמן חם בא במגע עם מים. לעיתים המים כבר נמצאים במזון שמטגנים ואז קשה למנוע מהשמן להתפזר לכל עבר, אך ככלל חשוב להקפיד להשתמש בכלי טיגון יבשים ולא לערבב מים ושמן חם.
כידוע, מים ושמן לא מתערבבים. כמו כן, בגלל הבדלי הצפיפות ביניהם, רוב השמנים יצופו על פני המים. טמפרטורת הרתיחה של המים היא סביב 100 מעלות, בעוד טיגון עמוק נעשה בדרך כלל ב-180 מעלות. כשטיפות מים נופלות לתוך שמן חם, הן שוקעות לעומק הסיר כי המים צפופים יותר מהשמן. בעומק הסיר המים מגיעים במהירות לנקודת הרתיחה שלהם, כך שהם רותחים בתוך השמן והופכים לקיטור, כלומר אדי מים בלחץ. אדי המים מתפשטים במהירות והודפים את השמן שנמצא בדרכם, כך שהוא ניתז החוצה.
נתזי השמן יכולים לגרום כוויות בעורנו. שמן ניתז הוא דליק מאוד ויכול לחולל שריפה. כשאתם נתקלים בשמן בוער, אל תנסו לכבות אותו במים! המים ישקעו לתחתית השמן הבוער, יהפכו לקיטור, השמן הבוער יינתז לכל עבר והאש תתפשט. יש לכבות את הכיריים ולכסות את הסיר במכסה כדי לחנוק את אספקת החמצן לאש, להשתמש במטף ייעודי או מגבת לחה – לא רטובה!
סוב, סוב, סוב
מקורו של הסביבון הוא כנראה בצעצוע ששימש להימורים באנגליה של המאה ה-16. על ארבע הפאות הוטבעו אותיות שמצוות "קח הכל" (G), "קח חצי" (H), "הכנס" (S) או "כלום" (N). יהודי גרמניה אימצו את הסביבון והחליפו את האותיות הלועזיות בעבריות. המשחק היה פופולרי במיוחד בחג המולד, כשעל היהודים נאסר לצאת מהבית, ולרגל סמיכות הזמנים בין חג המולד לחג החנוכה הם הפכו את אותיותיו לראשי תיבות המשמשים תזכורת לנס החנוכה: נ-נס, ג-גדול, ה-היה, ש-שם. כשעלה הסביבון לארץ ישראל הוחלפה האות שי"ן בפ"א, שכן הנס אירע פה.
מדוע סביבון מסתובב אינו נופל מייד? לפני כ-2,300 שנה הגה המתמטיקאי והמהנדס היווני ארכימדס את המושג מרכז המסה, או מרכז הכובד. זוהי נקודה אחת שסביבה מרוכזת המסה של גוף תלת ממדי, למשל סביבון. כשמניחים כאילו כל המסה של הגוף מרוכזת בנקודה האחת הזאת, קל יותר לחשב ולתאר את התנהגותו.
בסביבון רגיל, מרכז המסה נמצא פחות או יותר במרכז. להלכה, אילו מרכז המסה היה בדיוק במרכז, מעל חודו של הסביבון, ויכולנו להעמיד את הסביבון על חודו בצורה זקופה ומושלמת, ללא הטיות, הסביבון היה עומד על חודו ולא נופל כל עוד מרכז הכובד היה בדיוק מעל החוד. במציאות זה לא קל. מרכז הכובד לא נמצא בדיוק במרכז ואנחנו לא יכולים להעמיד את הסביבון בצורה ישרה ומושלמת. תמיד תהיה נטייה קטנה שתגרום לסביבון ליפול על צידו.
כשאנחנו מסובבים את הסביבון על חודו, התנועה הסיבובית מפצה על הנטיות הקלות וכך הסביבון לא נופל. אם סביבון נוטה לימין, אחרי חצי סיבוב הוא ייטה לשמאל. חצי הסיבוב מפצה על הטיה קטנה מטה בהטיה מעלה. אם הסביבון מסתובב מספיק מהר, ההטיות מבטלות זו את זו לפני שהסביבון מספיק ליפול, וכך הוא נשאר מאוזן.
העיקרון הזה עומד בבסיס של משחקים מסתובבים כמו ספינר, פורפרה או בייבלייד. גם גירוסקופ קלאסי – מכשיר מדעי שמשתמש בתנועה סיבובית כדי לשמור על יציבות – עובד על פי אותם עקרונות, ואכן לפי מילוני האקדמיה ללשון העברית, המילה העברית לגירוסקופ היא סביבון. גירוסקופים מתקדמים נמצאים ביישומים רבים. בטלפונים חכמים הם מאפשרים לקבוע את הנטייה של המכשיר במרחב כדי לעבור מתמונה אופקית לאנכית. הם יכולים למדוד נטיות במרחב ולפצות עליהן, וכך ממלאים תפקיד חיוני בכלי טיס כמו מטוסים, טילים ורחפנים.
חג שמח ומלא באור נרות, סופגניות, סביבונים ואהבה!
ד"ר איתן אוקסנברג, מכון דוידסון לחינוך מדעי
