הידען: כיצד נוצרים שברים בחומר ומה הקשר בין שטיפת כפות תחת הברז למערכת ההצתה של מנוע המכונית

תחום הפיזיקה הקלאסית הניסויית נשמע כל כך המאה ה-19 או כל כך ניסויים בבתי ספר, עד כי למעשה מרבית הפיזיקאים נטשו אותה. ואולם מסתבר שיש עדיין הרבה מה לחקור בתופעות מוחשיות, ולא רק בחלקיקים תת אטומיים, פיזיקה קוונטית או אסטרופיזיקה שכבודם כמובן במקומו מונח, גם באתר זה.

ד"ר ג'ון קולינסקי שסיים בשנה שעברה את הדוקטורט באוניברסיטת הארווארד חוקר כעת במסגרת הבתר-דוקטורט (פוסט דוקטורט) במעבדותיהם של פרופ' ג'יי פיינברג וד"ר ערן שרון באוניברסיטה העברית את בתר הדוקטורט עושה קולינסקי במסגרת תכנית פולברייט היוקרתית המקדמת שת"פ אקדמי- מדעי בין ארה"ב וישראל ותומכת בחוקרים ותלמידי מחקר מצטיינים. תכנית פולברייט מנוהלת ע"י קרן חינוך ארה"ב-ישראל והינה התוכנית הבין-ממשלתית הראשונה שהופעלה לקידום הקשרים המדעיים בין ישראל לבין ארה"ב.

שברים הם תופעה שמוכרת לכולנו, חומרים רבים – כדוגמת הזכוכית, נשברים כשמפעילים עליהם לחץ. אחת הבעיות היא שהמהירות שבה סדק מתפשט ברחבי החומר וגורם לשבירתו כל כך גבוהה שקשה ללוכדה ולחקרה.

שברים הם מקור לנזק ולסכנות. כאשר רוצים לבנות גשר או בניין, שישארו שלמים ולא יתפרקו, חייבים להבין את הדינמיקה של התפשטות השברים. כדי לבחון כיצד השבר מתפשט הכינו קולינסקי ועמיתיו למעבדתו של פיינברג יריעות דקות העשויות מסוג מסויים של ג'ל שכאשר מותחים או מפילים אותו הוא מתרסק כמו זכוכית. ואולם הג'ל המסויים הזה נבחר בגלל שמהירות הקול דרכו איטית פי אלף מאשר בחומרים כמו זכוכית. קיים קשר בין מהירות הקול בחומר לבין מהירות התפשטות הסדקים.

"בדרך זו אנו מצליחים להאט את התהליך. עדיין מדובר בתהליך מהיר מאוד לעין האנושית, אך ניתן לחקור את הדינמיקה של השברים באמצעות מערכות צילום מהיר."

"הפיזיקה של התהליך ניתנת להסבר די פשוט: שבר מתחיל מנקודת כשל בודדת בחומר. במקרה שלנו לקחנו סכין ועשינו שריטה ביריעת הג'ל. הלחצים גורמים לכוחות להתרכז בנקודה אחת. החומר יתפרק מהנקודה הזו והשבר יתפשט על פני כל שטחו.

בתשובה לשאלה מדוע לחקור את המערכת דווקא ביריעות דקות, כשרוב החומרים שנשברים עבים הרבה יותר, הסביר קולינסקי כי יריעות דקות מהוות מערכת המאפשרת ליצור שבר אידאלי ולהשוות את התוצאות אם אלו שחוזות התיאוריות של מכניקת השבר. בחומר עבה יותר ישנם הרבה גורמים שמשפיעים, ולכן קשה יותר לחקור אותם, הגם שהפיזיקה השלטת היא אותה פיזיקה.

"יש לנו דרך לשלוט בפגמים או אי ההומוגניות בג'ל. כעת אנו בודקים כיצד משתנה התהליך כאשר ישנם יותר או פחות פגמים בחומר. זה ייתן לנו דרך להעריך כיצד מתפשטים שברים דרך חומר לא אידאלי."

"אינני הראשון שעובד על מכניקת השברים במעבדה של פיינברג. החוקרים לפני ובהם ערן שרון, שעשה דוקטורט אצל פיינברג ופתח לאחר מכן מעבדה משלו, גילו מספר אי המתרחשות כאשר השבר נע בתוך החומר. "

סובי סובי ממטרה

בפרויקט נפרד חוקר קולינסקי ביחד עם פיינברג ושרון יריעות מסוג אחר – יריעות של נוזל. כדי להמחיש במה מדובר צריך פשוט לשטוף כלים, בפרט כף. הניחו כף מתחת לברז פתוח ותראו שמסביב לכף נוצר משטח של מים שככל שמתרחקים מהכף הוא פונה כלפי הכיור והופך לטיפות מים נפרדות.
"אנחנו מתעניינים בשאלה מה קורה כאשר המטרה (לדוגמה הכף) נעה, מתי נוצרות הטיפות במקרה זה לעומת מצב שבו המטרה נשארת יציבה."
זה נראה אולי כמו סקרנות אינטלקטואלית, אבל כמו במקרה של השברים, גם כאן יש השלכות. יריעות נוזל הופכות לטיפות בתא הבעירה במנוע המכונית, ליד פתח יציאת המים מהממטרה.

"יש לנו סילון של נוזל וכשהוא פוגע במטרה נוצרת יריעת מים. אחד הדברים שמעניינים בתהליך הזה הוא שהיריעה מתפרקת בסופו של דבר לטיפות. תהליך זה נקרא ATOMZATION (אין קשר לאטומים של חומר, אלא כאן נעשה השימוש במילה להסביר את הפיכת יריעת המים לטיפות בדידות).

"הזזת המטרה גורמת ליצירת טיפות בגדלים שונים ואולי גם לקיצור משך הזמן זה גורם ליריעה להתפרק מוקדם יותר. כאמור יש יישומים רבם שבהם מעבירים נוזלים בתווך מסויים ורוצים לראות מה קורה בגדלים שונים של טיפות. טיפות הדלק בתא הבעירה במכונית עושות את תפקידם ביעילות כאשר הטיפות הן בגודל מסויים. כך גם כאשר רוצים להעביר מים בדרך אחידה ויעילה בגינה. לכן חשוב ללמוד את הפיזיקה השלטת בתהליכים הללו."

"תמיד התעניינתי בפיזיקה קלאסית יישומית. במהלך הדוקטורט בהארווארד הגעתי לישראל לחקור ביחד עם עמית לשעבר – פרופ' שמואל רובינשטיין שעבד אז במכון ויצמן. כאשר סיימתי את הדוקטורט החלטתי לעשות בתר דוקטורט בישראל. כל הרעיון של בתר דוקטורט הוא לספק לך הזדמנות להרחיב את החשיפה שלך לבעיות מחקר אחרות וללמוד דברים חדשים.

"בהכירי את הסביבה האקדמית כאן היא תוססת וחזקה, וגם בגלל שנהניתי מאוד בשהותי בישראל עד אותו המועד התחלתי לחפש הזדמנויות לבתר דוקטורט בישראל. "

"סיימתי את הדוקטורט בהרווארד, וידעתי שאני רוצה להמשיך עם פיסיקה ניסויית קלאסית ויצא כך שג'יי פיינברג וערן שרון הם מומחים ברמה העולמית בפיסיקה ניסויית קלאסית. לכן נראה לי הגיוני לחפש הזדמנות לעבוד איתם וללמוד לעומק את הפיזיקה הקלאסית הניסויית."

"לתכנית פולברייט ישראל יש תוכנית מצויינת שבה הם מציעים סיוע פיננסי למשך שנתיים למבקשים לעשות בתר דוקטורט בישראל. בשלב זה הגשתי בקשה למלגה בתכנית פולברייט לתמיכה בפרוייקטים שלי בישראל. בנוסף לתמיכה הפיננסית, תוכנית פולברייט מספקת הזדמנות לטייל בישראל וללמוד יותר על המדינה וכן לפגוש אנשים מרקעים אקדמיים שונים שקשורים אף הם לתוכנית פולברייט וללמוד מה הם חוקרים".

 

ד"ר ג'ון קולינסקי יתארח ביום חמישי 12.3 בכנס לתארים מתקדמים במדעים בארה"ב של מרכז הייעוץEducationUSA- קרן חינוך ארה"ב-ישראל, שיתקיים בתל אביב, בהשתתפות בוגרים ישראלים וחוקרים אמריקאים מסטנפורד, ייל, MIT, NYU ועוד. הכנס לא כרוך בתשלום, אבל נדרשת הרשמה מראש: 03-5172131 שלוחה 200

אתר הידען