מפתח תשובות · יחידה 12

חומרים ומים.

שאלות התרגול של כל שיעור, התשובות הנכונות שלהן והטעויות שהן מזהות. תשובות שנקראות מהסצנה משתמשות באותה הגדרה שהלומדים רואים.

קטלוג הטעויות הנפוצות

מפתח תשובות 3

שיעור 1 מתוך 3 · כ־25 דקות

חומרים טבעיים

איך עץ חזק יותר מפלדה לכל קילוגרם, אף שהוא עשוי מסוכר: חוזק לאורך הסיבים, רמות בתוך רמות, אם פנינה שעוצרת סדקים, וחוזק ביחס למשקל.

לפתוח את השיעור

5 השלבים והתשובות שלהם

שלב 1 מתוך 5
לפתוח את השלב
חזק לאורך הסיבים
תרגול · חשבו
השאלה
הגדילו את לחיצה עד שרצועת האשוחית נשברת. באיזה מאמץ, בפאה שנמתחת, היא נשברת?

התשובה הנכונה
75 MPa ± 3%
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
חומר
עץקבוע
כיוון הסיבים
לאורךקבוע
לחיצה
3 mm
התקרבות למולקולות
דגימה
מתקבלת בטווח
± 3%
מחושבת מהסצנה בהגדרה של השלב
Breaking stress for this material and grain/nodes/bench/outputs/strength
כל יחידה של אותו גודל מתקבלת; התשובה מומרת לפני הבדיקה.
משוב לתשובה נכונה
75 MPa, בלחיצה של כ־6.3 mm. זה כמו לתלות 7.5 טונות על כל סנטימטר רבוע, מחומר שעשוי בעיקר משרשראות סוכר.

רמז
התרשים שליד הסצנה מראה את המאמץ בכל לחיצה, ואת המאמץ שבו הרצועה נשברה.

פתרון מלא
1. הגדילו את הלחיצה בהדרגה: המאמץ בפאה התחתונה עולה.
2. בכ־6.3 mm הרצועה נשברת.
3. התרשים מראה שהיא נשברה ב־75 MPa, החוזק של אשוחית לאורך הסיבים.
שלב 2 מתוך 5
לפתוח את השלב
לרוחב הסיבים
תרגול · נבאו, ואז הסתכלו
השאלה
באותה לחיצה, 3 mm, נעביר את כיוון הסיבים ללרוחב. מה יקרה לכוח שצריך כדי לכופף את העץ?

התשובה הנכונה
- נכונה הוא יקטן מאוד, לבערך חמש־עשרה פחות
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
חומר
עץקבוע
כיוון הסיבים
לאורךקבוע
לחיצה
3 mmקבוע
התקרבות למולקולות
דגימה
האפשרויות
- נכונה הוא יקטן מאוד, לבערך חמש־עשרה פחות
- שגויה הוא יישאר אותו דבר: זה אותו עץ
  טעות נפוצה: Thinks a material’s strength is fixed by what it is made of, whatever way it is arranged or loaded.
  משוב מהקטלוג
  אותו חומר יכול להיות חזק בכיוון אחד וחלש בכיוון אחר. בעץ, לאורך הסיבים המשיכה נופלת על דפנות התאים העשויות תאית, ולרוחבם רק על הדבק שביניהן: הכוח שצריך קטן פי חמישה־עשר. חומרים טבעיים בונים חוזק מסידור נכון של רכיבים חלשים.
- שגויה הוא יגדל: לרוחב יש יותר דבק שמחזיק
  משוב
  הדבק, ליגנין, חלש בהרבה מדפנות התאים. לרוחב הסיבים המשיכה נופלת עליו, ולא על התאית.
אחרי נעילת הניבוי הסצנה משתנה
כיוון הסיבים
לרוחבקבוע
ואז הסצנה מראה: 1.23 N · Force on the nose; 0 once broken/nodes/bench/outputs/force
ניבוי אף פעם לא נחשב כישלון: בכל מקרה הלומדים רואים את התוצאה ואת ההסבר.
משוב לתשובה נכונה
הכוח יורד מכ־18 N לכ־1.2 N. לרוחב הסיבים העץ גם נשבר במאמץ של עשרים פחות, 4 MPa. עץ לא מבזבז חומר על חוזק בכיוון שאין בו עומס.

פתרון מלא
1. לאורך הסיבים המשיכה נושאת על דפנות התאים, העשויות תאית קשיחה.
2. לרוחב הסיבים היא רק מותחת את הליגנין שבין התאים, ואת הדפנות לרוחבן.
3. אותו חומר, בסידור אחר: הכוח קטן פי חמישה־עשר בערך.
שלב 3 מתוך 5
לפתוח את השלב
רמות בתוך רמות
תרגול · בחרו
השאלה
בעצם יש גבישים קטנטנים של מינרל וסיבים של חלבון, קולגן. מי עושה מה?

התשובה הנכונה
- נכונה הגבישים הקשיחים נושאים את העומס, והחלבון הרך מעביר אותו מגביש לגביש ועוצר סדקים
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
חומר
עצם
כיוון הסיבים
לאורך
לחיצה
3 mm
התקרבות למולקולות
ננו
האפשרויות
מוצגות בסדר אקראי.
- נכונה הגבישים הקשיחים נושאים את העומס, והחלבון הרך מעביר אותו מגביש לגביש ועוצר סדקים
- שגויה החלבון נושא את כל העומס, והמינרל רק ממלא מקום
  משוב
  חלבון לבדו רך מדי: עצם שהמינרל הוצא ממנה מתכופפת כמו גומי. הגבישים הם שנותנים לה את הקשיחות.
- שגויה המינרל עושה הכול, והחלבון רק מדביק
  משוב
  מינרל לבדו שביר, כמו גיר. בלי החלבון שמעביר עומס ופורש את הסדקים, סדק אחד היה עובר בכל העצם.
משוב לתשובה נכונה
כך בנוי כל חומר טבעי: החלק הקשיח נושא, החלק הרך מעביר ובולם. הגבישים בעצם דקים כל כך, כמה ננומטרים, שכמעט אין בהם פגמים, ולכן הם כמעט חזקים כמו גביש מושלם.

פתרון מלא
1. הגבישים קשיחים אבל שבירים.
2. החלבון רך, אבל נמתח בלי להישבר.
3. בהיררכיה, כל גביש קטן נושא חלק מהעומס, והחלבון מעביר אותו הלאה ועוצר סדקים בגבול שבין החלקים.
שלב 4 מתוך 5
לפתוח את השלב
לעצור סדקים
תרגול · בחרו
השאלה
אם הפנינה היא 95% מינרל, ובכל זאת צריך כאלף פעמים יותר אנרגיה כדי לשבור אותה מאשר גביש פשוט של אותו מינרל. למה?

התשובה הנכונה
- נכונה הסדק לא יכול לחצות את הלבנים: הוא מתפתל סביבן, שולף אותן מהמלט ומותח חוטי חלבון
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
חומר
אם הפנינהקבוע
כיוון הסיבים
לאורך
לחיצה
10 mm
התקרבות למולקולות
מיקרו
האפשרויות
מוצגות בסדר אקראי.
- נכונה הסדק לא יכול לחצות את הלבנים: הוא מתפתל סביבן, שולף אותן מהמלט ומותח חוטי חלבון
- שגויה הלבנים שלה חזקות יותר מכל גביש אחר
  טעות נפוצה: Thinks a strong material is bound to be tough, hard to break once it has a crack.
  משוב מהקטלוג
  חוזק הוא המאמץ שחומר שלם עומד בו; קשיחות לשבר היא כמה קשה לשבור אותו כשכבר יש בו סדק. זכוכית חזקה אבל לא קשוחה: סדק עובר בה ישר. אם הפנינה עשויה לבנים שבירות, אבל קשוחה פי אלף מהן, כי הסדק נאלץ להתפתל סביבן ולבלוע אנרגיה.
- שגויה היא רכה, ולכן מתכופפת במקום להישבר
  משוב
  אם הפנינה קשיחה כמעט כמו מינרל, ולא מתכופפת הרבה. הקשיחות לשבר באה מהדרך שבה הסדק נעצר, לא מרכות.
משוב לתשובה נכונה
בסצנה הסדק מזגזג בין הלבנים. כל לבנה שנשלפת וכל לולאת חלבון שנפרשת בולעות אנרגיה, והסדק צריך לעבור דרך ארוכה בהרבה. כך חומר שביר נעשה קשוח.

פתרון מלא
1. בגביש פשוט סדק שהתחיל עובר ישר, ושובר מעט מאוד קשרים בדרך.
2. באם הפנינה הסדק נתקל בלבנה, ונאלץ לעקוף אותה דרך המלט.
3. בכל עקיפה לבנים נשלפות וחוטי חלבון נמתחים, וכל אלה בולעים אנרגיה.
חוזק וקשיחות לשבר הם תכונות שונות: זכוכית חזקה אבל לא קשוחה.
שלב 5 מתוך 5
לפתוח את השלב
קל וחזק
תרגול · חשבו
השאלה
אשוחית נשברת לאורך הסיבים ב־75 MPa, וצפיפותה 0.45 g/cm³. מה החוזק לקילוגרם שלה, ב־kN·m/kg (מגה־פסקל לכל g/cm³)?

התשובה הנכונה
166.7 kN·m/kg ± 3%
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
חומר
עץקבוע
כיוון הסיבים
לאורךקבוע
לחיצה
3 mm
התקרבות למולקולות
דגימה
מתקבלת בטווח
± 3%
מחושבת מהסצנה בהגדרה של השלב
Strength per kilogram, strength ÷ density (1 kN·m/kg is 1 MPa per g/cm³)/nodes/bench/outputs/specificStrength
כל יחידה של אותו גודל מתקבלת; התשובה מומרת לפני הבדיקה.
תשובות שגויות שהשאלה מזהה
- 75 kN·m/kg ± 3%
  טעות נפוצה: Compares materials by their strength alone, leaving out how much they weigh.
  משוב מהקטלוג
  לגשר, לכנף או לעץ חשוב כמה חוזק מקבלים על כל קילוגרם. חלקו את החוזק בצפיפות: פלדה חזקה מאשוחית פי שישה, אבל כבדה ממנה פי שבעה־עשר, ולכן לכל קילוגרם העץ חזק פי שלושה. סיבי פחמן חזקים מפלדה פי 3.5, ולכל קילוגרם פי 17.
משוב לתשובה נכונה
כ־167 kN·m/kg, פי שלושה בערך מפלדה רכה, 55. פלדה חזקה מעץ פי שישה, אבל כבדה ממנו פי שבעה־עשר.

רמז
חלקו את החוזק בצפיפות.

פתרון מלא
1. חוזק: 75 MPa; צפיפות: 0.45 g/cm³.
2. $\dfrac{75}{0.45} \approx 167$ ⁠.
3. בהשוואה לפלדה רכה: $\dfrac{430}{7.85} \approx 55$ ⁠, כלומר העץ טוב יותר פי שלושה בערך.
אם עניתם $75$ ⁠, לקחתם את החוזק בלבד. לעץ, לכנף או לגשר חשוב כמה חוזק מקבלים על כל קילוגרם.

שיעור 2 מתוך 3 · כ־25 דקות

חומרים מהונדסים

מבחן מתיחה לפלדה, לאלומיניום, לסיבי פחמן ולסגסוגת זוכרת צורה: חוק הוק, כניעה ומתיחה שנשארת, חומר שביר וחזק, חוזק סגולי, וסגסוגת שחוזרת למקומה.

לפתוח את השיעור

5 השלבים והתשובות שלהם

שלב 1 מתוך 5
לפתוח את השלב
מאמץ ועיבור
תרגול · חשבו
השאלה
לפלדה רכה E = 200 GPa. מה המאמץ בדגם כשהוא נמתח ב־0.1%?

התשובה הנכונה
200 MPa ± 3%
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
חומר
פלדה רכהקבוע
מתיחה
0.1 %קבוע
מלחציים
החזקה
התקרבות פנימה
דגם
מתקבלת בטווח
± 3%
מחושבת מהסצנה בהגדרה של השלב
Engineering stress on the specimen now; 0 once let go or broken/nodes/test/outputs/stress
כל יחידה של אותו גודל מתקבלת; התשובה מומרת לפני הבדיקה.
משוב לתשובה נכונה
200 MPa: על החתך של 40 ממ״ר זו משיכה של 8 kN, כמשקל של שמונה מאות קילוגרם, והדגם התארך רק בעשירית אחוז.

רמז
0.1% = 0.001, ו־200 GPa = 200 000 MPa.

פתרון מלא
1. עיבור: $\varepsilon = 0.1\% = 0.001$ ⁠.
2. חוק הוק: $\sigma = E\varepsilon = 200\,000 \times 0.001$ ⁠ מגה־פסקל.
3. $\sigma = 200$ ⁠ מגה־פסקל, מתחת לכניעה, 275 MPa, ולכן החוק עוד תקף.
שלב 2 מתוך 5
לפתוח את השלב
מעבר לכניעה
תרגול · נבאו, ואז הסתכלו
השאלה
הפלדה נמתחה ב־12%, הרבה מעבר לכניעה. מה יקרה כשנשחרר את המלחציים?

התשובה הנכונה
- נכונה היא תחזור רק מעט, ותישאר ארוכה בכמעט 12%
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
חומר
פלדה רכהקבוע
מתיחה
12 %קבוע
מלחציים
החזקהקבוע
התקרבות פנימה
דגם
האפשרויות
- נכונה היא תחזור רק מעט, ותישאר ארוכה בכמעט 12%
- שגויה היא תחזור לאורכה המקורי, כמו קפיץ
  טעות נפוצה: Expects a metal stretched past its yield to return to its length, like a spring.
  משוב מהקטלוג
  מתכת חוזרת למקומה רק בחלק האלסטי, עד חוזק הכניעה. מעבר לו שכבות אטומים בגרגרים מחליקות זו על זו ונשארות במקומן החדש. פלדה שנמתחה ב־12% חוזרת רק בכ־0.2%. סגסוגות סופר־אלסטיות כמו NiTi הן היוצא מן הכלל: בהן הגביש מחליף מבנה במקום להחליק.
- שגויה היא תחזור בערך חצי מהדרך
  משוב
  הפלדה חוזרת רק בחלק האלסטי, המאמץ חלקי E: כ־0.2%. כל השאר הוא החלקה של גרגרים, והיא לא חוזרת.
אחרי נעילת הניבוי הסצנה משתנה
מלחציים
שחרורקבוע
ואז הסצנה מראה: 11.79 · Stretch the specimen keeps once let go, % of its gauge length/nodes/test/outputs/kept
ניבוי אף פעם לא נחשב כישלון: בכל מקרה הלומדים רואים את התוצאה ואת ההסבר.
משוב לתשובה נכונה
הדגם נשאר ארוך בכ־11.8%. הוא חוזר רק ב־0.2% בערך, החלק האלסטי; כל השאר הוא שכבות אטומים שהחליקו בגרגרים, ונשארו במקומן החדש.

פתרון מלא
1. ב־12% המאמץ כ־412 MPa.
2. כשמשחררים, רק החלק האלסטי חוזר: $\dfrac{412}{200\,000} \approx 0.002$ ⁠, כלומר 0.2%.
3. נשאר: 12% − 0.2% ≈ 11.8%.
מעבר לכניעה המתכת משנה את צורתה לצמיתות. כך מכופפים מוטות ומטביעים פחי מכוניות.
שלב 3 מתוך 5
לפתוח את השלב
שביר וחזק
תרגול · בחרו
השאלה
סיבי פחמן נקרעים בבת אחת כשהם נמתחים בכ־1.1%, ופלדה רכה נמתחת 28% לפני שהיא נקרעת. איזה מהם חזק יותר?

התשובה הנכונה
- נכונה סיבי הפחמן: הם עומדים במאמץ גבוה פי שלושה ויותר
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
חומר
סיבי פחמן
מתיחה
1 %
מלחציים
החזקה
התקרבות פנימה
דגם
האפשרויות
מוצגות בסדר אקראי.
- נכונה סיבי הפחמן: הם עומדים במאמץ גבוה פי שלושה ויותר
- שגויה הפלדה: היא נמתחת הרבה יותר לפני שהיא נשברת
  טעות נפוצה: Takes a brittle material, one that snaps without stretching, to be weak.
  משוב מהקטלוג
  שבירות אומרת שחומר נשבר בלי להימתח קודם, לא שהוא חלש. סיבי פחמן נקרעים ב־1.1% מתיחה, אבל עומדים ב־1500 MPa, פי 3.5 מפלדה רכה. החיסרון שלהם הוא שאין אזהרה לפני השבר, ולכן מתכננים אותם עם מרווח ביטחון גדול.
- שגויה אותו חוזק: שניהם נקרעים בסוף
  משוב
  חוזק הוא המאמץ הגבוה ביותר שהחומר עומד בו, ולא העובדה שהוא נשבר. השוו בעקומה את הנקודה הגבוהה של כל אחד.
משוב לתשובה נכונה
סיבי פחמן עומדים בכ־1500 MPa, ופלדה רכה בכ־430 MPa. סיבי הפחמן חזקים וקשיחים, אבל שבירים: הם לא נכנעים ולא מזהירים לפני שהם נשברים.

רמז
חוזק הוא המאמץ הגבוה ביותר בעקומה, לא כמה רחוק היא מגיעה.

פתרון מלא
1. חוזק המתיחה הוא הנקודה הגבוהה בעקומת המאמץ–עיבור.
2. סיבי פחמן: כ־1500 MPa. פלדה רכה: כ־430 MPa.
3. סיבי הפחמן חזקים פי 3.5 בערך.
כמה החומר נמתח לפני שבירה הוא תכונה אחרת, משיכות: פלדה משיכה, וסיבי פחמן שבירים.
שלב 4 מתוך 5
לפתוח את השלב
חוזק לעומת משקל
תרגול · חשבו
השאלה
חוזק המתיחה של סיבי פחמן הוא 1500 MPa, וצפיפותם 1.6 g/cm³. מה החוזק הסגולי שלהם, ב־kN·m/kg?

התשובה הנכונה
937.5 kN·m/kg ± 3%
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
חומר
סיבי פחמןקבוע
מתיחה
1 %
מלחציים
החזקה
התקרבות פנימה
דגם
מתקבלת בטווח
± 3%
מחושבת מהסצנה בהגדרה של השלב
Tensile strength per unit density (1 kN·m/kg is 1 MPa per g/cm³)/nodes/test/outputs/specificStrength
כל יחידה של אותו גודל מתקבלת; התשובה מומרת לפני הבדיקה.
תשובות שגויות שהשאלה מזהה
- 1500 kN·m/kg ± 3%
  טעות נפוצה: Compares materials by their strength alone, leaving out how much they weigh.
  משוב מהקטלוג
  לגשר, לכנף או לעץ חשוב כמה חוזק מקבלים על כל קילוגרם. חלקו את החוזק בצפיפות: פלדה חזקה מאשוחית פי שישה, אבל כבדה ממנה פי שבעה־עשר, ולכן לכל קילוגרם העץ חזק פי שלושה. סיבי פחמן חזקים מפלדה פי 3.5, ולכל קילוגרם פי 17.
משוב לתשובה נכונה
כ־940 kN·m/kg, פי שבעה־עשר בערך מפלדה רכה, 55. לכן בונים מסיבי פחמן כנפי מטוסים, אופני מרוץ ולהבי טורבינות רוח.

רמז
חלקו את חוזק המתיחה בצפיפות.

פתרון מלא
1. חוזק: 1500 MPa; צפיפות: 1.6 g/cm³.
2. $\dfrac{1500}{1.6} \approx 938$ ⁠.
3. בהשוואה לפלדה רכה, $\dfrac{430}{7.85} \approx 55$ ⁠: פי 17 בערך.
אם עניתם $1500$ ⁠, לקחתם את החוזק בלבד, בלי המשקל.
שלב 5 מתוך 5
לפתוח את השלב
חוזרת למקומה
תרגול · נבאו, ואז הסתכלו
השאלה
דגם ה־NiTi נמתח ב־5%, יותר מפי עשרים ממה שפלדה עומדת בו בלי להיכנע. מה יקרה כשנשחרר את המלחציים?

התשובה הנכונה
- נכונה הוא יחזור לגמרי לאורכו המקורי
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
חומר
NiTiקבוע
מתיחה
5 %קבוע
מלחציים
החזקהקבוע
התקרבות פנימה
פנים החומר
האפשרויות
- נכונה הוא יחזור לגמרי לאורכו המקורי
- שגויה הוא יישאר מתוח, כמו פלדה שנכנעה
  משוב
  בפלדה שכבות אטומים החליקו, ואין מה שיחזיר אותן. ב־NiTi אף אטום לא החליק: הגבישים רק עברו למבנה אחר, וחוזרים כשהמשיכה נעלמת.
- שגויה הוא יישבר
  משוב
  שחרור מוריד את המשיכה לאפס, ולכן שום דבר לא יכול להישבר בגללו.
אחרי נעילת הניבוי הסצנה משתנה
מלחציים
שחרורקבוע
ואז הסצנה מראה: 0 · Stretch the specimen keeps once let go, % of its gauge length/nodes/test/outputs/kept
ניבוי אף פעם לא נחשב כישלון: בכל מקרה הלומדים רואים את התוצאה ואת ההסבר.
משוב לתשובה נכונה
הדגם חוזר לגמרי: 0% נשאר. כל שורת אטומים חוזרת למבנה הקובייתי. זו סופר־אלסטיות, ובזכותה עושים מ־NiTi מסגרות משקפיים שמתכופפות וחוזרות, וסטנטים שנפתחים בתוך כלי דם.

פתרון מלא
1. עד כ־6% NiTi נמתח בהחלפת מבנה הגביש, בלי שאטומים יחליקו.
2. ב־5% הוא עדיין בתחום הזה.
3. כשהמשיכה נעלמת, הגבישים חוזרים למבנה הקובייתי, והדגם לאורכו המקורי.

שיעור 3 מתוך 3 · כ־25 דקות

התפלה

למה צריך לחץ כה גדול כדי להפוך מי ים למי שתייה: אוסמוזה, הלחץ האוסמוטי, אוסמוזה הפוכה ותמלחת שדוחפת בחזרה, וממברנה שמעבירה מים ועוצרת יונים.

לפתוח את השיעור

5 השלבים והתשובות שלהם

שלב 1 מתוך 5
לפתוח את השלב
המים זורמים לכיוון הלא נכון
תרגול · נבאו, ואז הסתכלו
השאלה
נוריד את לחץ על המים המלוחים לבלי לחץ. מה יקרה?

התשובה הנכונה
- נכונה מים מתוקים יעברו אל המים המלוחים, והמפלס שלהם יעלה
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
לחץ על המים המלוחים
27 barקבוע
מלח במים
35 g/Lקבוע
הצגת המולקולות
כבוי
האפשרויות
- נכונה מים מתוקים יעברו אל המים המלוחים, והמפלס שלהם יעלה
- שגויה מלח יעבור אל המים המתוקים עד שיתאזנו
  טעות נפוצה: Thinks osmosis moves salt from the salty side into the fresh water.
  משוב מהקטלוג
  הממברנה עוצרת את היונים, ולכן מלח לא יכול לעבור. מה שזורם הוא המים, מהצד המתוק אל הצד המלוח: בצד המלוח חלק מהמקום ליד הממברנה תפוס ביונים, ופחות מולקולות מים עוברות ממנו מאשר מגיעות אליו.
- שגויה שום דבר: בלי לחץ אין זרימה
  משוב
  גם בלי שום לחץ מבחוץ, המים זורמים: פחות מולקולות מים עוברות מהצד המלוח מאשר מגיעות מהצד המתוק.
אחרי נעילת הניבוי הסצנה משתנה
לחץ על המים המלוחים
0 barקבוע
ואז הסצנה מראה: -27.3 · Bar: applied pressure minus the starting osmotic pressure; above 0 fresh water comes out/nodes/cell/outputs/netPressure
ניבוי אף פעם לא נחשב כישלון: בכל מקרה הלומדים רואים את התוצאה ואת ההסבר.
משוב לתשובה נכונה
הצד המתוק מתרוקן, והמים המלוחים עולים ומרימים את הבוכנה. זו אוסמוזה: הים, אם משאירים אותו לבד, מושך מים מתוקים אליו ולא נותן אותם.

פתרון מלא
1. הממברנה מעבירה מים ועוצרת יונים, ולכן מלח לא יכול לעבור.
2. מולקולות מים עוברות בשני הכיוונים, אבל בצד המלוח חלק מהמקום ליד הממברנה תפוס ביונים.
3. יותר מים מגיעים מהצד המתוק מאשר חוזרים אליו: המים זורמים אל המים המלוחים.
שלב 2 מתוך 5
לפתוח את השלב
הלחץ האוסמוטי
תרגול · הגיעו למטרה
השאלה
מצאו את הלחץ על המים המלוחים שעוצר את הזרימה, כך שהמפלסים לא זזים, ולחצו על בדיקה.

המטרה
- 0 ± 0.5
  בתחילת השלב: -27.3
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
לחץ על המים המלוחים
0 bar
מלח במים
35 g/Lקבוע
הצגת המולקולות
כבוי
נקרא מהסצנה בנקודה
Bar: applied pressure minus the starting osmotic pressure; above 0 fresh water comes out/nodes/cell/outputs/netPressure
הגדרה אחת שמגיעה למטרה
לחץ על המים המלוחים
27 bar
משוב לתשובה נכונה
כ־27 bar: הלחץ האוסמוטי של מי ים. זה הלחץ בקרקעית של עמוד מים בגובה 270 מטר.

משוב לתשובה שגויה
עוד לא. אם המים עדיין נכנסים לצד המלוח, לחצו חזק יותר; אם הם יוצאים ממנו, פחות.

רמז
על השעון: המחוג השחור הוא הלחץ, והסימן הכתום הוא הלחץ האוסמוטי. הביאו אותם זה לזה.

פתרון מלא
1. כל גרם מלח בליטר מוסיף כ־0.78 bar.
2. במי ים, 35 g/L: $35 \times 0.78 \approx 27.3$ ⁠ בר.
3. ב־27 bar הזרימה כמעט נעצרת.
שלב 3 מתוך 5
לפתוח את השלב
מים מלוחים יותר
תרגול · חשבו
השאלה
בתמלחת יש 70 גרם מלח בליטר, וכל גרם בליטר מוסיף כ־0.78 bar. מה הלחץ האוסמוטי שלה, בבר?

התשובה הנכונה
54.6 ± 3%
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
לחץ על המים המלוחים
0 bar
מלח במים
70 g/Lקבוע
הצגת המולקולות
כבוי
מתקבלת בטווח
± 3%
מחושבת מהסצנה בהגדרה של השלב
Bar: osmotic pressure of the starting seawater/nodes/cell/outputs/osmoticPressure
משוב לתשובה נכונה
כ־55 bar, פי שניים ממי ים: פי שניים חלקיקים מומסים, פי שניים לחץ. מצאו את נקודת האיזון בסצנה כדי לבדוק.

רמז
כפלו את כמות המלח ב־0.78.

פתרון מלא
1. הלחץ האוסמוטי יחסי למספר החלקיקים המומסים.
2. $70 \times 0.78 \approx 54.6$ ⁠.
3. כ־55 bar.
שלב 4 מתוך 5
לפתוח את השלב
אוסמוזה הפוכה
תרגול · חשבו
השאלה
המשאבה לוחצת ב־60 bar על מי ים, 35 g/L. איזה חלק ממי הים יוצא מתוק עד שהזרימה נעצרת? כתבו כשבר, למשל 0.3.

התשובה הנכונה
0.545 ± 0.03
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
לחץ על המים המלוחים
60 barקבוע
מלח במים
35 g/Lקבוע
הצגת המולקולות
כבוי
מתקבלת בטווח
± 0.03
מחושבת מהסצנה בהגדרה של השלב
Fraction of the starting seawater that has crossed as fresh water at balance (negative when water flows in)/nodes/cell/outputs/recovery
תשובות שגויות שהשאלה מזהה
- 1 ± 0.05
  טעות נפוצה: Expects a push above the osmotic pressure to squeeze all the water out of the seawater.
  משוב מהקטלוג
  המלח נשאר מאחור, ולכן המים שמתחת לבוכנה נעשים מלוחים יותר ככל שמוציאים מהם מים, והלחץ האוסמוטי שלהם עולה. כשהוא משתווה ללחץ המשאבה, הזרימה נעצרת. ב־60 bar זה קורה כשרק כמחצית ממי הים יצאה מתוקה.
משוב לתשובה נכונה
כ־0.55: קצת יותר ממחצית. מתקנים אמיתיים עוצרים בערך שם, ומחזירים את התמלחת לים, מפוזרת כך שלא תשקע על הקרקעית.

רמז
הזרימה נעצרת כשהלחץ האוסמוטי של התמלחת שנשארה מגיע ל־60 bar. כמה מלוחה היא אז?

פתרון מלא
1. הזרימה נעצרת כשהלחץ האוסמוטי של מה שנשאר שווה ל־60 bar: $\dfrac{60}{0.78} \approx 77$ ⁠ גרם מלח בליטר.
2. המלח לא עובר, ולכן הוא נדחס לנפח קטן יותר: נשאר $\dfrac{35}{77} \approx 0.45$ ⁠ מהמים.
3. יצא מתוק: $1 - 0.45 \approx 0.55$ ⁠.
אם עניתם $1$ ⁠, הנחתם שאפשר לסחוט את כל המים. אבל ככל שמוציאים מים, התמלחת שנשארת דוחפת חזרה חזק יותר.
שלב 5 מתוך 5
לפתוח את השלב
הממברנה
תרגול · בחרו
השאלה
למה מולקולות מים עוברות בממברנה, ויוני נתרן וכלוריד לא?

התשובה הנכונה
- נכונה כל יון נושא איתו מעטפת של מולקולות מים שנאחזות במטען שלו, והוא גדול וקשור מדי כדי לעבור בין שרשראות הפולימר
הגדרות, אפשרויות ומשוב
הסצנה בשלב הזה
לחץ על המים המלוחים
60 bar
מלח במים
35 g/L
הצגת המולקולות
פועל
האפשרויות
מוצגות בסדר אקראי.
- נכונה כל יון נושא איתו מעטפת של מולקולות מים שנאחזות במטען שלו, והוא גדול וקשור מדי כדי לעבור בין שרשראות הפולימר
- שגויה בממברנה יש חורים קטנים מגרגר מלח, כמו במסננת
  טעות נפוצה: Pictures a desalination membrane as a sieve whose holes are too small for grains of salt.
  משוב מהקטלוג
  במים אין גרגרי מלח: המלח מתפרק ליונים נפרדים, קטנים כמו מולקולת מים. בממברנה גם אין חורים שאפשר לראות. מולקולות מים מתמוססות בפולימר ומשוטטות בין השרשראות, וכל יון נושא מעטפת של מים שנאחזת במטען שלו, שהופכת אותו לגדול וקשור מכדי לעבור.
- שגויה היונים כבדים מכדי שהמשאבה תדחוף אותם
  משוב
  הלחץ דוחף את כל התמיסה, יונים ומים יחד. ההבדל הוא ביכולת לעבור דרך הפולימר, לא במשקל.
משוב לתשובה נכונה
מולקולות מים מתמוססות בפולימר ומשוטטות ברווחים הזעירים שבין השרשראות. יון עטוף במים, שמחזיקים בו חזק בגלל המטען, ולכן הוא ניתז. ממברנה טובה עוצרת יותר מ־99.5% מהמלח.

פתרון מלא
1. במים מלח מתפרק ליונים, וכל יון מושך אליו מולקולות מים בגלל המטען שלו.
2. היון עם מעטפת המים גדול יותר ממולקולת מים בודדת, וקשור למעטפת.
3. מולקולת מים בודדת נכנסת לפולימר ועוברת דרכו; היון העטוף לא.
בממברנה אין חורים שאפשר לראות: גרגר מלח לא קיים במים בכלל, רק יונים נפרדים.

בכל היחידה · 8 טעויות נפוצות

קטלוג הטעויות הנפוצות

כל טעות נפוצה שהיחידה מזהה, בכמה מילים. פתחו טעות כדי לראות מה הלומדים קוראים כשהתשובה מתאימה לה, ואיפה היא נשאלת.

תוכן העניינים

חומרים טבעיים

חזק לאורך הסיבים

השאלה

התשובה הנכונה

הסצנה בשלב הזה

רמז

פתרון מלא

לרוחב הסיבים

השאלה

התשובה הנכונה

הסצנה בשלב הזה

האפשרויות

אחרי נעילת הניבוי הסצנה משתנה

פתרון מלא

רמות בתוך רמות

השאלה

התשובה הנכונה

הסצנה בשלב הזה

האפשרויות

פתרון מלא

לעצור סדקים

השאלה

התשובה הנכונה

הסצנה בשלב הזה

האפשרויות

פתרון מלא

קל וחזק

השאלה

התשובה הנכונה

הסצנה בשלב הזה

תשובות שגויות שהשאלה מזהה

רמז

פתרון מלא

חומרים מהונדסים

מאמץ ועיבור

השאלה

התשובה הנכונה

הסצנה בשלב הזה

רמז

פתרון מלא

מעבר לכניעה

השאלה

התשובה הנכונה

הסצנה בשלב הזה

האפשרויות

אחרי נעילת הניבוי הסצנה משתנה

פתרון מלא

שביר וחזק

השאלה

התשובה הנכונה

הסצנה בשלב הזה

האפשרויות

רמז

פתרון מלא

חוזק לעומת משקל

השאלה

התשובה הנכונה

הסצנה בשלב הזה

תשובות שגויות שהשאלה מזהה

רמז

פתרון מלא

חוזרת למקומה

השאלה

התשובה הנכונה

הסצנה בשלב הזה

האפשרויות

אחרי נעילת הניבוי הסצנה משתנה

פתרון מלא

התפלה

המים זורמים לכיוון הלא נכון

השאלה

התשובה הנכונה

הסצנה בשלב הזה

האפשרויות

אחרי נעילת הניבוי הסצנה משתנה

פתרון מלא

הלחץ האוסמוטי

השאלה

המטרה

הסצנה בשלב הזה