צוללן קרטזי

צוללן קרטזי בו פיפטה עם פלסטלינה משמשת כצוללן.

צוללן קרטזי, הוא משחק מדעי המאפשר להדגים שני חוקים פיזיקליים: חוק ארכימדס וחוק בויל-מריוט.

יצירת צוללן קרטזי היא הפעלה נפוצה במסגרת פסטיבלי מדע. הצוללן מורכב מגוף הנמצא בתוך נוזל (לרוב מים) במצב של ציפה נייטרלית. הגוף בעל צפיפות גבוהה במעט מזו של הנוזל, ובתוכו בועת גז. כאשר מופעל לחץ חיצוני על המכל, הלחץ בתוכו עולה. הלחץ הגובר של הנוזל דוחס את הגז שבתוך הצוללן ולכן צפיפותו של הגז עולה. במצב זה, כוח הציפה קטן וירידת כוח הציפה גורמת לצוללן לשקוע.

מכיוון שלחץ הנוזל פוחת או גובר בהתאמה עם הקטנת או הגדלת העומק בו שרוי הצוללן הקרטזי, נפח הנוזל שהצוללן מתיק ממקומו יגדל או יקטן בהתאמה (ועמו גם כוח הציפה), ולכן מפלס הציפה הנייטרלית שלו מהווה נקודת שיווי משקל בלתי יציב, כלומר כל סטייה קטנה של הצוללן מהמפלס הנייטרלי תוציא אותו משיווי משקל.

משמו של הצוללן ניתן לשער כי הוא קשור לרנה דקארט אולם ככל הנראה המצאתו קדומה יותר.

תיאור פיזיקלי

חוק הגזים האידיאליים קושר בין גדלים פיזיקליים שונים בגז:

$\ PV=nRT$

חוק בויל-מריוט הוא מקרה פרטי של חוק הגזים האידיאליים ומתייחס למצב בו כמות חלקיקי הגז והטמפרטורה נותרים קבועים, כלומר:

$\ PV=K$

כאשר:

• P - לחץ הגז
• V - הנפח שהגז תופס
• n - כמות חלקיקי הגז במולים
• R - קבוע הגזים האוניברסלי (8.314472 J·K^-1·mol^-1)
• T - טמפרטורת הגז
• K - קבוע של כמות החלקיקים והטמפרטורה.

מקשר זה ניתן לראות שבתהליך איזותרמי וללא שינוי בכמות החומר עליה בלחץ תגרום לירידה בנפח.

את הצפיפות אפשר לחשב באמצעות הנוסחה:

$\!\,\rho ={\frac {m}{V}}$

כאשר:

• $\!\,\rho$ - צפיפות
• $\!\,m$ - מסה
• $\!\,V$ - נפח

מכשיר נוסף שעובד באופן דומה הוא מד חום גלילאו בו משתנה הטמפרטורה וגורמת לשינוי בצפיפות המים.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא צוללן קרטזי בוויקישיתוף

• דוגמה לצוללן קרטזי מפעילות "ליל המדענים" באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, סרטון באתר יוטיוב
• על ההיסטוריה והשם של הצוללן הקרטזי