מהי אבקה?
מוצק, נוזל או משהו ביניהם?
חידה לפתיחה
תכונות דמויות-נוזל מול תכונות דמויות-מוצק
מתנהג כמו נוזל
• זורם ונשפך מכלי לכלי
• מקבל את צורת הכלי התחתון
• ניתן למזוג אותו
• מתפזר כשנשפך
דוגמה: שפכו חול לתוך כוס - הוא ייקח את צורת הכוס!
מתנהג כמו מוצק
• כל גרגיר בודד קשיח ומוצק
• לא ממלא את כל הכלי (יוצר ערימה)
• ניתן ללחוץ עליו והנפח יקטן
• אפשר להרגיש את הגרגירים ביד
דוגמה: לחצו על גרגיר סוכר - הוא קשה ומוצק!
אבקה היא לא מוצק ולא נוזל - היא חומר גרגירי עם תכונות משלה.
מהי אבקה בעצם?
מבחינה מקרוסקופית מתפקדת האבקה כחומר גרגירי (Granular Material) - תערובת פאזות המאופיינת ומוגדרת על ידי ריבוי גרגירים בעלי מצב צבירה מוצק מובהק, שביניהם כלואות בועות אוויר אינטרסטיציאלי. הדינמיקה הזו מאפשרת תנועות החלקה ויישור, המדמות תכונות זרימה ריאולוגיות הדומות לנוזל, בעוד כל אינדיבידואל הינו מוצק קשיח עצמאי.
כל גרגיר הוא חתיכת מוצק קטנה עם צורה קבועה וקשיחות.
בין הגרגירים יש רווחי אוויר - ולכן אבקה ניתנת לדחיסה (בניגוד לנוזל!).
הגרגירים יכולים להחליק זה על זה - ולכן אבקה יכולה לזרום כמו נוזל.
אבקה זורמת בגלל שהגרגירים מחליקים זה על זה, לא בגלל שהם נוזליים.
תכונות ייחודיות של אבקה
זורמת
הגרגירים מחליקים זה על זה ומאפשרים זרימה
נשפכת לכלי
מקבלת את צורת הכלי שלתוכו שופכים
גרגירים קשיחים
כל גרגיר בנפרד הוא חתיכת מוצק קשה
יוצרת ערימות
בניגוד לנוזל, אבקה יוצרת ערימה עם שיפוע
אבקה דקה
גרגירים קטנטנים:
• קמח
• אבקת סוכר
• קקאו
• טלק
זורמת בקלות, מתפזרת באוויר, קשה לאחוז בין האצבעות.
גרגירים בינוניים
גרגירים בינוניים:
• חול
• סוכר
• מלח
• קפה טחון
מרגישים את הגרגירים, נשפכים בקלות, יוצרים ערימות יציבות.
גרגירים גסים
גרגירים גדולים:
• חצץ
• אורז
• עדשים
• גרגירי פלפל
קל לראות כל גרגיר בנפרד, זורמים לאט יותר, יוצרים ערימות תלולות.
אבקות בחיי היומיום
קמח
גרגירי קמח דקים מאוד. הם זורמים בקלות ומתפזרים באוויר כשמנפים אותם. משמש לאפייה ולבישול.
סוכר ומלח
גבישים קטנים שמתמוססים במים. אפשר לשפוך אותם מכלי לכלי כמו נוזל, אבל כל גביש הוא מוצק.
חול
גרגירי סלע קטנים. משמש בבנייה (בטון), בשעוני חול, ובמגרשי משחקים. יוצר ערימות בצורת חרוט.
מלט (צמנט)
אבקה אפורה שכשמוסיפים לה מים היא מתקשה והופכת למוצק חזק מאוד. בסיס הבטון.
השוואה: אבקה מול מוצק מול נוזל
| תכונה | מוצק | אבקה | נוזל |
|---|---|---|---|
| צורה | קבועה | מקבלת צורת הכלי (בחלקו) | מקבלת צורת הכלי |
| שפיכה | לא ניתן לשפוך | ניתן לשפוך | ניתן לשפוך |
| דחיסה | כמעט בלתי אפשרי | אפשרי (אוויר יוצא) | כמעט בלתי אפשרי |
| קשיחות גרגיר | כל הגוף קשיח | כל גרגיר קשיח | לא רלוונטי |
| ערימה | שומר על צורתו | יוצר ערימה בזווית | מתיישר (אופקי) |
| מילוי כלי | לא ממלא | ממלא חלקית + אוויר | ממלא לגמרי |
* שימו לב: אבקה נדחסת כי האוויר שבין הגרגירים יכול לצאת, אבל גרגיר בודד לא נדחס!
ניסוי: זווית המנוחה
כל אבקה יוצרת ערימה בזווית מסוימת - זו נקראת "זווית המנוחה":
- שפכו חול על שולחן - ייווצר חרוט עם שיפוע מסוים
- שפכו קמח על שולחן - ייווצר חרוט בזווית אחרת
- שפכו אורז - ייווצר חרוט בזווית שלישית
- הגרגירים הגסים יותר יוצרים בדרך כלל ערימות תלולות יותר
חומרים גרגיריים הם תחום מחקר מרתק במדע! הם מתנהגים בצורה שלא ניתן לחזות לפי חוקי המוצקים או הנוזלים.
- מפולות שלגים: שלג מתנהג כמו אבקה - גרגירי קרח שיכולים לזרום בפתאומיות במורד ההר
- שעון חול: החול זורם בקצב קבוע דרך הצוואר הצר - עיקרון שמשמש למדידת זמן מזה אלפי שנים
- תעשייה: מפעלים רבים עובדים עם אבקות (מזון, תרופות, מלט) וצריכים להבין איך לאחסן ולהעביר אותן
- כדור הירח: פני הירח מכוסים באבקה דקה שנקראת "רגוליט" - אבק שנוצר ממיליארדי שנות פגיעות מטאוריטים
שאלה לחשיבה
למה קשה לבנות ארמון חול מחול יבש לגמרי?
בניית ארמון מחול יבש גרידא הינה משימה כמעט בלתי אפשרית, משום שגרגירי החול נעדרים כוחות קוהרנטיים פנימיים והם פשוט זורמים זה מעל זה תחת כוח הכבידה. כאשר מוסיפים כמות מדודה של מים, הפיזיקה משתנה: מתח הפנים יוצר מעברים וגשרי מים סופר-קפילריים (Capillary Bridges) בין הגרגירים ומושך אותם זה לזה מתוך ואקום זעיר, מה שמקנה לחול יציבות מבנית אופטימלית לצורך פיסול.