การแกว่งของลูกตุ้ม ปั๊มน้ำขวดพลาสติก เคลื่อนที่เป็นวงกลม

วันอังคารที่ผ่านมาผมไปทำกิจกรรมวิทยาศาสตร์กับเด็กๆมาครับ เด็กประถมต้นได้สังเกตการแกว่งของลูกตุ้ม ได้สังเกตว่าปล่อยลูกตุ้มที่มุมต่างๆกันมีคาบการแกว่งเหมือนกันหรือไม่ สังเกตการหยุดของลูกตุ้มอันเกิดจากแรงต้านอากาศ และทำอย่างไรให้ผลของแรงต้านอากาศน้อยลง สังเกตคาบของการแกว่งเมื่อเทียบกับความยาวลูกตุ้ม สังเกตว่าคาบเพิ่มขึ้นสองเท่าเมื่อความยาวเพิ่มขึ้นสี่เท่า เด็กประถมปลายได้เอาขวดพลาสติกมาติดวาล์วที่ทำจากเทปกาวเพื่อเป็นปั๊มน้ำง่ายๆครับ เด็กอนุบาลสามทับหนึ่งได้เล่นของเล่นจากหลักการแรงสู่ศูนย์กลางสำหรับการเคลื่อนที่เป็นวงกลมสามชนิดครับ

(อัลบั้มภาพกิจกรรมอยู่ที่นี่ครับ คราวที่แล้วเรื่อง “การเคลื่อนที่เป็นวงกลมสำหรับประถม สมดุลสำหรับอนุบาล” ครับ)

สำหรับเด็กประถมต้น ผมให้สังเกตการแกว่งของลูกตุ้มครับ ผมเอาเชือกเส้นเล็กๆมาใส่ลูกตุ้มดินน้ำมันเล็กๆให้ความยาวเชือกถึงกลางลูกตุ้มยาว  50 เซ็นติเมตร จับลูกตุ้มยกขึ้นแล้วปล่อยให้มันแกว่ง มันแกว่งน้อยลงเรื่อยๆได้สัก 20-23 รอบก็หยุดแกว่ง ผมถามเด็กๆสองคำถามว่า ทำไมมันถึงแกว่ง และทำไมมันถึงหยุดแกว่งเด็กๆก็เสนอความเห็นกันหลากหลาย ในที่สุดเราก็สรุปกันว่าน้ำหนักของลูกตุ้มทำให้มันตกลงสู่พื้นโลก แต่เชือกที่ติดกับมันไม่ยอมให้มันตกลงพื้น ลูกตุ้มจึงเคลื่อนที่เป็นส่วนหนึ่งของวงกลม (อาร์ค) ที่รัศมีเท่ากับความยาวเชือก (ถ้าจะให้เห็นชัดก็ปล่อยดินน้ำมันที่เดียวกับลูกตุ้ม แต่ไม่มีเชือก ดินน้ำมันก้อนนั้นก็จะตกลงพื้น หรือปล่อยลูกตุ้มให้แกว่งแล้วตัดเชือก)

เด็กๆป.2 และ 3 หลายๆคนเข้าใจทันทีว่าที่ลูกตุ้มหยุดแกว่งก็เพราะแรงต้านอากาศที่ทำให้ลูกตุ้มเสียความเร็วไปเรื่อยๆ ผมให้เด็กๆโบกมือไปมาให้รู้สืกถึงแรงต้านอากาศเมื่อมือแหวกอากาศด้วยครับ

คำถามต่อไปก็คือทำอย่างไรให้ลูกตุ้มแกว่งนานๆก่อนที่มันจะหยุด

เด็กๆเสนอไอเดียหลากหลาย อันแรกคือสูบอากาศในห้องออกให้หมด ผมบอกว่าใช่แล้ว แต่เราทำการทดลองนี้ไม่ได้เพราะห้องเราไม่ใช่ห้องปิดที่สูบอากาศออกได้ (แต่ในอนาคตผมอาจเอาลูกตุ้มใส่โหลแก้วที่สูบอากาศออกบ้างแล้วมาลองดูกันครับ)

ไอเดียอีกอันคือให้ปล่อยลูกตุ้มจากตำแหน่งที่สูงขึ้น เราทดลองกัน แล้วนับจำนวนการแกว่งก่อนที่ลูกตุ้มจะหยุดแกว่ง พบว่าไม่มีผลต่างชัดๆครับ

ไอเดียอีกอันคือใช้ลูกตุ้มขนาดใหญ่ขึ้น หลังจากเราทดลองกัน พบว่าจำนวนครั้งการแกว่งลดลงเป็นประมาณ 10 ครั้งครับ

ต่อมาเราทดลองปั้นลูกตุ้มให้เป็นแท่งยาวๆ ให้ต้านอากาศน้อยลง จำนวนการแกว่งมากขึ้นบ้างเป็น 30-31

ต่อมาเราทดลองใช้เหรียญสิบสองเหรียญมาประกบกันทำเป็นลูกตุ้ม คราวนี้แกว่งประมาณ 42 ครั้งก่อนจะหยุด

ถ้าเอาดินน้ำมันมาปั้นให้เป็นรูปทรงเหมือนเหรียญสิบสองเหรียญ มันจะแกว่งประมาณ 25 ครั้งก่อนจะหยุด

เราสรุปกันว่ารูปทรงของลูกตุ้มที่แหวกอากาศได้ดี และตัวลูกตุ้มมีความหนาแน่นสูง จะทำให้มันแกว่งอยู่ได้นานเพราะมันแหวกอากาศได้ดีกว่าครับ

จากนั้นผมก็ถามต่อว่าเวลาที่ลูกตุ้มใช้ในการแกว่งแต่ละรอบ (เรียกว่าคาบการแกว่ง, period) มันขึ้นกับอะไร เด็กๆที่เห็นผมขยับความยาวเชือกแล้วทำให้การแกว่งเปลี่ยนไปก็ตอบได้ว่าขึ้นกับความยาวเชือก ผมเลยทำการทดลองให้เด็กๆนับการแกว่งสิบคาบ แล้วจับเวลาว่าใช้เวลากี่วินาที

เราได้ข้อมูลอย่างนี้ครับ: ที่ความยาว 50 เซ็นติเมตร เวลาสำหรับการแกว่งสิบรอบคือ 14.5, 14.9, 14.16 วินาที (ค่าเฉลี่ย = 14.52 วินาทีต่อ 10 คาบ หรือ 1 คาบ = 1.45 วินาที)

ผมถามว่าถ้าอยากให้ลูกตุ้มแกว่งหนึ่งรอบใช้เวลา 1 วินาที เราควรจะทำให้เชือกสั้นลงหรือยาวขึ้นดี หลังจากเด็กๆเสนอความเห็นกันสักพัก เสียงส่วนใหญ่คิดว่าควรจะสั้นลง ลูกตุ้มจะได้แกว่งเร็วชึ้นครับ ผมเลยลดความยาวเชือกเหลือ 25 เซ็นติเมตร แล้วจับเวลากันอีกครับ คราวนี้เวลาสำหรับการแกว่งสิบรอบคือ 9.86, 9.68, 9.96 วินาที หรือการแกว่งหนึ่งรอบใช้เวลา 0.99 วินาที ซึ่งใกล้กับหนึ่งวินาทีมาก

ต่อมาเราลองเพิ่มความยาวเชือกครับ คราวนี้เป็น 100 เซ็นติเมตร เวลาสำหรับการแกว่งสิบรอบคือ 19.53, 19.50, 19.58 หรือการแกว่งหนึ่งรอบใช้เวลา 1.95 วินาที ซึ่งประมาณเป็นสองเท่าของลูกตุ้มที่เชือกยาว 25 เซ็นติเมตร

ผมชี้ให้เด็กๆดูว่าเวลาในการแกว่งหนึ่งรอบจะเพิ่มขึ้นสองเท่า เมื่อความยาวของเชือกเพิ่มขึ้นสี่เท่า แล้วถามว่าถ้าต้องการให้ลูกตุ้มแกว่งใช้เวลา 4 วินาทีต่อรอบ เชือกเราต้องยาวแค่ไหน เด็กๆส่วนใหญ่ยังคิดไม่ออก แต่มีเด็กป.3 หนึ่งคน (น้องพลัม) ตอบได้ว่าควรเป็นสี่เท่าของ 100 เซ็นติเมตรหรือเท่ากับ 4 เมตร

ผมบอกเด็กๆว่าถ้าเราจะวัดอะไรที่สำคัญๆ เราควรวัด 3 ครั้งเป็นอย่างน้อย เพราะครั้งแรกเราไม่รู้หรอกว่ามันคลาดเคลื่อนแค่ไหน ครั้งที่สองจะพอบอกได้แต่ถ้าต่างกันมากๆเราก็ไม่แน่ใจว่าครั้งไหนถูก เลยวัดครั้งที่สามด้วยเป็นตัวช่วย ถ้าเราจะวัดให้มากกว่า 3 ครั้งก็ได้ถ้าเราต้องการ แล้วเราเอาค่าเฉลี่ยจากการวัดทั้งหลายมาใช้ตอนจบครับ

พอกิจกรรมเรามาถึงนี่เวลาเราก็หมดพอดี เราจึงจะไปต่อสัปดาห์หน้าครับ

สำหรับเด็กประถมปลาย ผมสอนให้เขาประดิษฐ์ปั้มน้ำจากขวดพลาสติกดังในคลิปนี้ครับ:

เด็กๆทดลองทำเพื่อเข้าใจเรื่องวาล์ว ซึ่งเป็นส่วนประกอบในหัวใจและเส้นเลือดของเราครับ ให้พอเข้าใจว่าถ้าลิ้นหัวใจรั่ว มันจะเกิดอะไรกับการปั๊มเลือดครับ

สำหรับเด็กอนุบาล 3/1 ผมให้เล่นของเล่นที่เกี่ยวกับการหมุนสามอย่างแบบที่เด็กประถมเคยเล่นไปสัปดาห์ที่แล้วคือเหรียญบนไม้แขวนเสื้อ:

ยางลบสู้กับลูกเทนนิส:

และลูกเหล็กหมุนวนในขวดพลาสติกครับ:

เด็กๆได้เล่นกันทุกอย่างครับแต่ผมถ่ายวิดีโอมาเฉพาะยางลบสู้กับลูกเทนนิส:

เด็กๆเล่นของพวกนี้เพื่อซึมซับว่าถ้าอะไรจะเคลื่อนที่เป็นวงกลม ต้องมีแรงดึงหรือดันมันเข้าสู่ศูนย์กลางของวงกลมนั้นครับ

ต่อไปคือภาพบรรยากาศครับ อัลบั้มเต็มอยู่ที่นี่ครับ:

 

One thought on “การแกว่งของลูกตุ้ม ปั๊มน้ำขวดพลาสติก เคลื่อนที่เป็นวงกลม”

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *