วิวัฒนาการของตา แรงโน้มถ่วงเทียม ต่อสู้กับแรงดันอากาศ

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆมาครับ เด็กประถมต้นเรียนรู้เรื่องการวิวัฒนาการของตาและได้เล่นแบบจำลองลูกตาที่ทำจากเลนส์รวมแสง โคมญี่ปุ่น และถุงก๊อบแก๊บ เด็กประถมปลายได้เล่นกับแรงโน้มถ่วงเทียมที่มาประยุกต์ไว้ขนแก้วน้ำโดยน้ำไม่หก เด็กอนุบาลสามได้เล่นกับสุญญากาศครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมต่างๆอยู่ที่นี่นะครับ กิจกรรมคราวที่แล้วเรื่อง “ภาพลวงตาหน้าเว้าและตุ๊กตาหันหน้าตาม” ครับ รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

สำหรับเด็กประถมต้น ผมหาภาพตาของสัตว์ชนิดต่างๆให้เด็กๆดู ให้สังเกตว่ามีความเหมือน ความแตกต่างอย่างไร  (หาใน Google ว่า animal eyes ครับ)

ตาของสัตว์แบบต่างๆครับ
ตาของสัตว์แบบต่างๆครับ

ต่อจากนั้นเด็กๆก็ได้ดูคลิปอธิบายการวิวัฒนาการของตา จากเซลล์ที่รับแสงได้อยู่บนผิวแบนๆรู้แต่ว่ามืดและสว่าง กลายเป็นเซลล์รับแสงอยู่ในรอยบุ๋มลงไปที่รับรู้ทิศทางของแสง จนกระทั้งเป็นตาแบบกล้องรูเข็มและตาที่มีเลนส์อยู่ด้านหน้าแบบตาพวกเราที่สามารถมองเห็นภาพได้ครับ:

ผมเอาภาพนี้ให้เด็กๆดูว่าตาแบบต่างๆมีความซับซ้อนและความสามารถในการมองเห็นต่างๆกัน

ภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Evolution_of_the_eye
ภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Evolution_of_the_eye
 

ในภาพข้างบน สีเหลืองคือเซลล์รับแสง คือถ้ามีแสงมาตกที่เซลล์มันจะส่งสัญญาณไปตามเส้นประสาทไปที่สมองว่ามีแสงมาตกตรงนี้ ในภาพ a ตาแบบนี้มีเซลล์เรียงอยู่เป็นแผ่นแบนๆดังนั้นจะรับแสงได้ว่าสว่างหรือมืด แต่จะไม่เห็นภาพอะไรชัดเจน ภาพ b เซลล์รับแสงอยู่ในแอ่งลงไป จะดีกว่าแบบ a ตรงที่เริ่มจับทิศทางว่าแสงหรือเงาอยู่ทิศทางไหน ตัวอย่างตาแบบนี้คือหนอนแบนตัวเล็กที่เรียกว่าพลานาเรียน (Planarian ถ้ามากกว่าหนึ่งตัวเรียกว่าพลานาเรีย Planaria)

ตัวพลานาเรียครับ
ตัวพลานาเรียครับ

ภาพ c และ d แอ่งลึกลงไปและรูรับแสงมีขนาดเล็กเหมือนกล้องรูเข็ม ตาแบบนี้จะเริ่มเห็นภาพแต่ภาพจะมืดๆเพราะแสงเข้าไปได้น้อย ภาพ c จะไม่มีอะไรปิดรูรับแสง หอยงวงช้าง (Nautilus) จะมีตาแบบนี้ ภาพ d จะมีเยื่อใสๆปิดกันน้ำกันฝุ่นและมีของเหลวอยู่ภายในตา

หอยงวงช้างนอติลุสครับ สังเกตตามันที่มีรูเล็กๆเหมือนรูเข็ม
หอยงวงช้างนอติลุสครับ สังเกตตามันที่มีรูเล็กๆเหมือนรูเข็ม
ตาหอยงวงช้างครับ
ตาหอยงวงช้างครับ

งูบางชนิดจะมีรูรับแสงอินฟราเรด (คลื่นความร้อน) ทำหน้าที่เหมือนตาแบบรูเข็มสำหรับล่าเหยื่อเลือดอุ่นในที่มืดด้วยครับ

รูรับแสงอินฟราเรดของงูเหลือมและงูหางกระดิ่งครับ:

งูมีอวัยวะที่ใช้
งูมีอวัยวะที่ใช้ “มอง” คลื่นความร้อนหรือแสงอินฟราเรดที่เรามองไม่เห็นครับ มันเลยล่าสัตว์เลือดอุ่นในที่มืดได้

ภาพ e และ f คือตาที่มีเลนส์รวมแสงแทนที่จะเป็นรูเล็กๆ จะเห็นภาพได้ชัดและสว่างกว่า แบบ f มีม่านตาคอยขยายหรือหุบเพื่อปรับปริมาณแสงที่เข้าไปในตาด้วยครับ ตาของคนและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเป็นแบบ f

จากนั้นผมก็สอนเด็กๆทำตาจำลองให้เห็นหลักการทำงานคร่าวๆ ใช้โคมกระดาษญี่ปุ่นเป็นลูกตาขาวๆ เอาเลนส์รวมแสงแปะด้านหนึ่ง เอาพลาสติกจากถุงก๊อบแก๊บแปะอีกด้าน ขยับโคมให้ยืดๆหดๆเพื่อปรับระยะโฟกัสให้ภาพที่ตกบนพลาสติกชัดเจน ลูกตาเราก็คล้ายๆกัน มีเลนส์รวมแสงเหมือนกันแต่การปรับโฟกัสจะทำโดยเปลี่ยนรูปร่างเลนส์ ส่วนพลาสติกจากถุงก๊อบแก๊บก็เหมือนจอรับแสง (เรตินา) ภายในตาเรา เด็กๆจะสังเกตได้ว่าภาพที่จอรับแสงจะกลับหัวครับ

สำหรับเด็กๆประถมปลาย ผมให้ดูคลิปสิ่งประดิษฐ์ช่วยถือแก้วน้ำไม่ให้น้ำหกเมื่อถือไปมาครับ เรียกว่า Spillnot :

เราสามารถประดิษฐ์อุปกรณ์ช่วยถือของแบบนี้ได้ง่ายๆด้วยของในบ้านครับ หาถาดหรือตะกร้า แล้วเฃือกมาก็ทำได้แล้ว ผมเคยบันทึกไว้ในรายการเด็กจิ๋ว & ดร.โก้ครับ:

สาเหตุที่น้ำไม่หกลงมาก็เพราะว่าการที่เราแกว่งแก้วไปมาอย่างนั้น ก้นแก้วจะเป็นตัวบังคับไม่ให้น้ำเคลื่อนที่ไปอย่างอิสระออกไปจากวงหมุน (เนื่องจากน้ำมีความเฉื่อย เมื่อมันเคลื่อนที่อย่างไรมันก็จะอยากเคลื่อนที่ไปอย่างเดิมด้วยความเร็วเดิม จนกระทั่งมีแรงมากระทำกับมัน ถ้าไม่มีก้นแก้วมาบังคับ น้ำก็จะกระเด็นไปในแนวเฉียดไปกับวงกลมที่เราแกว่งอยู่) ผลของการที่ก้นแก้วบังคับน้ำให้เคลื่อนที่เป็นวงกลมก็คือดูเหมือนมีแรงเทียมๆอันหนึ่งดูดน้ำให้ติดกับก้นแก้ว ทำหน้าที่เปรียบเสมือนแรงโน้มถ่วง เราเลยเรียกมันว่าแรงโน้มถ่วงเทียม 

เด็กๆได้เล่นตามแบบที่ผมทำให้ดูครับ:

พอเด็กๆทดลองทำเสร็จแล้ว ผมก็ให้ดูคลิปการเทน้ำใส่แก้วในเครื่องบินที่กำลังบินกลับหัวครับ เรื่องนี้เป็นไปได้ก็เพราะเครื่องบินบินเป็นเกลียวเหมือนกับบินไปข้างหน้าและขยับตัวเป็นวงกลมเหมือนตอนเราเหวี่ยงถาดครับ  (การเคลื่อนที่จะเหมือนที่ผมเหวี่ยงถาดไปด้วยและเดินไปข้างหน้าด้วยครับ แต่เครื่องบินเคลื่อนที่เร็วกว่ามาก) แรงโน้มถ่วงเทียมก็ทำการดึงน้ำให้ตกลงไปในถ้วยเหมือนกับแรงโน้มถ่วงจริงๆบนพื้นโลกครับ

สำหรับเด็กๆอนุบาลสาม ผมให้เล่นกับสุญญากาศกันครับ 

สำหรับความรู้เบื้องต้นเรื่องอากาศ ผมถามเด็กๆว่าเรารู้สึกว่าลมพัดไหม ลมคืออากาศที่เคลื่อนตัว เรารู้สึกได้เพราะอากาศมีตัวตน มีน้ำหนัก คือแถวๆพื้นโลกจะมีน้ำหนักประมาณหนึ่งกิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (จริงๆประมาณ 1.275 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร  เมื่อเทียบกับน้ำจะพบว่าน้ำหนาแน่นกว่าอากาศประมาณ 800 เท่า คือน้ำจะมีน้ำหนักประมาณ 1,000 กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร)

เราอยู่บนผิวโลก เราใช้อากาศหายใจ อากาศที่อยู่รอบๆโลกเรียกว่าชั้นบรรยากาศ (Earth Atmosphere) ชั้นบรรยากาศของโลกมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับโลก คือมีอากาศสูงขึ้นไปจากพื้นโลกเพียง 100-200 กิโลเมตรเท่านั้น เมื่อเทียบกับขนาดโลกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 13,000 กิโลเมตร ชั้นบรรยากาศจะหนาเพียงประมาณ 1% ของขนาดโลกเท่านั้น (ข้อมูลรายละเอียดอย่างนี้ไม่ได้บอกกับเด็กอนุบาลนะครับ แค่มาบันทึกไว้อ้างอิงเท่านั้น)

แม้ว่าชั้นบรรยากาศจะมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับโลก แต่มันใหญ่มากเมื่อเทียบกับตัวเรา น้ำหนักของอากาศที่กดทับลงมาแถวๆพื้นโลกเทียบได้กับน้ำหนักสิบตันต่อตารางเมตรเลยทีเดียว (เทียบได้กับน้ำหนักช้างสองตัวกดลงมาในพื้นที่หนึ่งตารางเมตร หรือประมาณ 1 กิโลกรัมต่อตารางเซ็นติเมตร)

จากนั้นผมก็ให้เด็กๆเล่นกับไม้ปั๊มส้วมครับ เน้นกับเด็กๆว่าถ้าเห็นไม้อย่างนี้ที่บ้านอย่าเอามาเล่นเพราะสกปรก ที่เราเอามาเล่นกันนั้นซื้อมาใหม่ๆเพื่อทำการทดลองเท่านั้น เวลาเรากดไม้ลงไป เราจะไล่อากาศออกไปจากบริเวณที่เบ้ายางประกบกับพื้น ความดันอากาศภายในเบ้ายางจะลดลงตามปริมาณอากาศที่ลดลง ความดันอากาศภายในเบ้ายางจึงน้อยกว่าความดันอากาศภายนอก เบ้ายางจึงถูกกดให้แนบสนิทกับพื้น ทำให้ดึงออกยาก แต่ถ้าพื้นขรุขระ พื้นจะมีช่องเล็กๆให้อากาศจากภายนอกไหลเข้าไปในเบ้ายางได้ง่ายๆ ทำให้ดึงออกง่าย ถ้าเด็กๆมาทดลองดึงดูก็จะรู้สึกถึงแรงกดของอากาศที่มากพอดูเลยทีเดียว ถ้าดึงขึ้นตรงๆต้องใช้แรงประมาณ 10-20 กิโลกรัมดึง

เด็กๆได้ทดลองต่อสู้กับแรงดันอากาศครับ:

 

 

One thought on “วิวัฒนาการของตา แรงโน้มถ่วงเทียม ต่อสู้กับแรงดันอากาศ”

Leave a Reply

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