เรียนรู้เรื่องโมเลกุลแป้งข้าวโพดและใช้หลักการของเบอร์นูลลีเพิ่มปริมาณลม

 

อัลบั้มภาพการเรียนการสอนอยู่ที่นี่ครับ

ถ้าสงสัยว่าไม่เห็นรูปหรือวิดีโอ เข้าไปดูที่เว็บ http://witpoko.com/ นะครับ ส่วนใหญ่ถ้าอ่านในเมล์จะไม่เห็นวิดีโอครับ

(คราวที่แล้วเรื่องอะตอมและโมเลกุล (+ของเล่นนักดำน้ำสำหรับเด็กอนุบาล) อยู่ที่นี่ครับ)

วันนี้ผมไปสอนเด็กๆกลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรม กลุ่มบ้านเรียนภูมิธรรม และอนุบาลบ้านพลอยภูมิครับ วันนี้เรื่องโมเลกุลแป้งข้าวโพดและการเป่าเพิ่มปริมาณลมด้วยหลักการของเบอร์นูลลีครับ

สำหรับเด็กประถม ผมถามคำถามทบทวนเรื่องโมเลกุลจากสัปดาห์ที่แล้ว โมเลกุลที่เรารู้จักเช่นน้ำ (H2O) ก๊าซออกซิเจน (O2) ก๊าซไฮโดรเจน (H2) มีเธน (CH4) คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ล้วนเป็นโมเลกุลขนาดเล็กที่ประกอบด้วยอะตอมไม่กี่อะตอมเท่านั้น วันนี้เรามาดูรู้จักแป้งข้าวโพดที่เป็นของเล่นที่เล่นสนุกเนื่องจากโมเลกุลของมันมีขนาดใหญ่ และต่อกันเป็นเส้นยาวๆในขนาดต่างๆกันครับ

ผมให้เด็กๆดูรูปวาดโมเลกุลของแป้งจากเว็บนี้ครับ จะเห็นได้ว่าโมเลกุลมีขนาดใหญ่มากเมื่อเทียบกับโมเลกุลเล็กที่เรารู้จักจากสัปดาห์ที่แล้ว (ตรงมุมหยักๆเป็นคาร์บอน) โมเลกุลแป้งเกิดจากโมเลกุลน้ำตาลกลูโคสมาต่อกันเป็นเส้นยาวๆที่มีขนาดไม่แน่นอนครับ แต่ลักษณะมันจะเป็นเส้นยาวๆ:

ตัวอย่างโมเลกุลแป้ง

แป้งมีอยู่ในอาหารหลายๆชนิดเช่นข้าว ขนมปัง เกี๊ยว เส้นก๊วยเตี๋ยว เวลาเราเคี้ยวข้าวแล้วอมไว้ น้ำย่อยในน้ำลายของเราจะทำให้แป้งบางส่วนแตกตัวเป็นโมเลกุลน้ำตาล ทำให้เรารู้สึกว่ามันหวานขึ้น

เวลาเราเอาแป้งข้าวโพดไปละลายน้ำให้ข้นๆ(เหมือนโคลน) โมเลกุลยาวๆของมันจะลอยอยู่ในน้ำ พันกันยุ่งๆ ไขว้กันไปมา ถ้าเราเอานิ้วหรือช้อนคนช้าๆ โมเลกุลจะมีเวลาค่อยๆขยับผ่านกัน เราจึงไม่รู้สึกถึงแรงต้านมากนัก เหมือนกับคนของเหลวธรรมดา แต่ถ้าเราเอานิ้วหรือช้อนไปคนเร็วๆ โมเลกุลจะไม่มีเวลาขยับผ่านกัน มันจะยังพันกันเกี่ยวกันอยู่ แรงต้านที่นิ้วหรือช้อนจะเยอะมาก เราจะเห็นว่าเจ้าแป้งข้าวโพดละลายน้ำกลายเป็นของแข็งทันทีเมื่อเราไปคนมันเร็วๆ

นอกจากคนน้ำแป้งแล้วเรายังจะสามารถเอานิ้วไปจิ้มๆเร็วๆหรือไปบีบมันเร็วๆ เราจะรู้สึกว่ามันเป็นของแข็ง แต่ถ้าเอานิ้วไปจิ้มช้าๆนิ้วเราจะจมลงไปเหมือนจิ้มนิ้วลงไปในของเหลวหนืดๆ  ถ้าโยนไปมาเร็วๆเจ้าแป้งผสมน้ำนี้ก็จะจับตัวเป็นก้อนแข็ง แต่ถ้าหยุดโยนเมื่อไร มันก็จะเลิกแข็งตัวแล้วไหลเป็นของเหลวหนืดๆอีก ถ้าคิดภาพไม่ออกเชิญดูวิดีโอคลิปเลยครับ

เรามีคำเรียกความยากง่ายเวลาเราคนของเหลวว่า “ความหนืด” ของเหลวอะไรคนยากเช่นน้ำผึ่งเราก็เรียกว่ามีความหนืดสูง ของเหลวอะไรคนง่ายเช่นน้ำเปล่าเราก็เรียกว่ามีความหนืดต่ำ โดยปกติความหนืดจะลดลงเมื่อของมีอุณหภูมิสูงขึ้น แต่ไม่ขึ้นกับว่าเราคนเร็วหรือคนช้า เจ้าแป้งข้าวโพดผสมน้ำเป็นของเหลวที่ไม่ปกติ เนื่องจากความหนืดของมันขึ้นกับว่าเราคนเร็วหรือคนช้าด้วย ถ้าเราคนเร็วมากๆมันจะหนืดมากจนกลายเป็นของแข็งไปเลย ของเหลวที่ความหนืดขึ้นกับความเร็วในการคนเรียกว่า Non-Newtonian Fluid ตัวอย่างอื่นๆของ Non-Newtonian fluid ก็มีเช่น ทรายดูด (ถ้าเราตกไปแล้วขยับตัวเร็วๆมันจะฝืดมาก ทำให้เราหมดแรงและออกมาไม่ได้และอดน้ำหรืออาหารตาย วิธีรอดคือค่อยๆขยับตัวช้าๆมากๆเข้าหาฝั่ง) ซอสมะเขือเทศ (ถ้าอยู่เฉยๆจะหนืดมาก ถ้าเขย่าหรือตบจะหนืดน้อย)  Silly Putty (ถ้าทิ้งไว้นานๆจะไหลสู่ที่ตำ่เหมือนของเหลว ถ้าบีบช้าๆจะนิ่ม ถ้าโยนใส่พื้นจะกระเด้ง ถ้าทุบแรงๆจะแตกออกเป็นเสี่ยงๆเหมือนแก้วแตก)

ความจริงเรื่อง Non-Newtonian fluid มีรายละเอียดมากกว่านี้ แต่ผมยกตัวอย่างให้พอเข้าใจกันโดยทั่วๆไป ถ้าสนใจเข้าไปที่ลิงค์แล้วดูรายละเอียดเพิ่มเติมนะครับ

ผมเคยทำการทดลองแป้งข้าวโพดเต้นระบำไปแล้วและบันทึกไว้ที่นี่ครับ เป็นวิธีเล่นกับแป้งข้าวโพดกับคลื่นเสียงโดยที่ลำโพงเราไม่ต้องเสียหาย แต่ถ้ามีลำโพงใหญ่ที่เราไม่แคร์ว่าจะพังหรือเปล่าลองทำตามคลิปข้างล่างดูนะครับ:

ถ้าใครมีแป้งข้าวโพดสักตันสองตันก็ผสมใส่อ่างใหญ่ๆแล้ววิ่งข้ามไปข้ามมาได้เลย:

อีกเรื่องที่เราทำการทดลองกันวันนี้ก็คือการใช้หลักการของเบอร์นูลลีในการเป่าถุงก๊อบแก๊บครับ หลักการของเบอร์นูลลีก็คือที่ใดที่อากาศไหลเร็ว ความดันอากาศแถวนั้นจะน้อย ดังนั้นถ้าบริเวณอื่นที่อยู่รอบๆมีความดันอากาศมากกว่า ก็จะมีลมวิ่งจากที่ความดันมากเข้าหาที่ความดันน้อยกว่า หลักการนี้ใช้ได้กับของที่ไหลได้และมีความหนืดน้อยๆเช่นอากาศและน้ำ

เราสังเกตการทำงานของหลักการนี้ได้จากการเป่าถุงก๊อบแก๊บขนาดใหญ่ๆ คือถ้าเราเอาปากจ่อปากถุงแล้วเป่า แล้วนับว่าต้องสูดหายใจกี่ครั้งถุงถึงจะป่อง แล้วเราเป่าอีกแบบโดยให้ปากเราอยู่ห่างจากถุงสัก 10-30 เซ็นติเมตรแล้วเป่าเรื่อยๆเข้าถุง แล้วนับจำนวนครั้งที่สูดหายใจ เราจะพบว่าจำนวนครั้งในการเป่าแบบที่สองน้อยกว่าแบบแรก (ยกตัวอย่างเช่นสำหรับผมเอง การเป่าแบบเอาปากแนบปากถุงต้องหายใจสองครั้ง แต่การเป่าแบบเอาปากห่างจากถุงต้องหายใจเพียงหนึ่งครั้ง)

เป่าแบบที่หนึ่ง เอาปากชิดปากถุง 
เป่าแบบที่สอง ให้ปากห่างจากปากถุงหน่อย

ปรากฎการณ์นี้อธิบายได้ด้วยหลักการของเบอร์นูลลีเพราะว่า ในการเป่าแบบที่สอง ลมจากปากเราจะวิ่งเข้าปากถุง สายลมนี้วิ่งเร็วกว่าอากาศรอบๆสายลม ความดันมันจึงต่ำกว่า อากาศรอบๆที่มีความดันสูงกว่าจึงวิ่งเข้าหาความดันต่ำแล้วผสมโรงวิ่งเข้าไปในถุงด้วย ถุงจึงโป่งเร็วกว่าการที่เราเอาปากไปเป่าเข้าถุงตรงๆ

หลักการนี้ใช้ประโยชน์ได้ในสถานการณ์ที่เราต้องการเป่าลมเข้าไปในห้องเยอะๆ (เช่นเวลาไล่ควัน หรือกลิ่นเหม็นๆ) แทนที่เราจะเอาพัดลมไปจ่อติดกับประตูหรือหน้าต่างเลย เราควรเว้นระยะสักหน่อย (เช่นสักหนึ่งฟุตถึงไม่กี่เมตร) เพื่อให้กระแสลมจากพัดลมดึงเอาอากาศรอบๆให้วิ่งเข้ามาร่วมวงด้วย

นอกจากนี้นักประดิษฐ์ที่ชื่อ Sir James Dyson (ผู้คิดค้นเครื่องดูดฝุ่นแบบลมหมุนโดยไม่ต้องใช้ถุงเก็บฝุ่นและผู้ผลิดเครื่องเป่ามือให้แห้งอย่างรวดเร็วด้วยกระแสลม) ได้ประดิษฐ์พัดลมแบบใหม่ที่ใช้หลักการนี้ คือให้ลมความเร็วสูง(ซึ่งมีความดันต่ำ)มาชักชวนให้อากาศรอบๆที่ความดันต่ำกว่าวิ่งเข้ามาร่วมวง ทำให้มีกระแสลมปริมาณเยอะขึ้น:

ผมได้ทำการทดลองเกี่ยวกหลักการของเบอร์นูลลีไปหลายครั้งแล้ว เช่นทำของเล่นเลี้ยงลูกบอลด้วยลมและเลี้ยงลูกปิงปองด้วยเครื่องเป่าผม และ เป่ากระดาษให้ยุบ เชิญชมคลิปเลี้ยงลูกด้วยลมและคลิปเลี้ยงลูกปิงปองข้างล่างครับ:

และผมก็ไม่พลาดที่จะให้เด็กๆดูคลิปนี้ครับ ที่ใช้คอมพิวเตอร์ควบคุมการเป่าลม ทำให้บังคับการลอยของลูกบอลได้อย่างแม่นยำ:

ตัวอย่างการบันทึกของเด็กๆประถมครับ:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ภาพอื่นๆอยู่ในอัลบั้มภาพการเรียนการสอนที่นี่ครับ

สำหรับเด็กๆอนุบาลสามโรงเรียนบ้านพลอยภูมิ ผมให้เล่นกับแป้งข้าวโพดครับ เด็กๆจิ้มใหญ่เลย

 
 
 

เกือบลืมไป เด็กอนุบาลสามต้อนรับผมด้วยความอบอุ่นแบบนี้ครับ:

2 thoughts on “เรียนรู้เรื่องโมเลกุลแป้งข้าวโพดและใช้หลักการของเบอร์นูลลีเพิ่มปริมาณลม”

Leave a Reply

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