การเปลี่ยนรูปของพลังงานและของเล่นไจโรสโคป

 

อัลบั้มภาพการเรียนการสอนอยู่ที่นี่ครับ

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

(คราวที่แล้วเรื่องนาฬิกาลูกตุ้มและเครื่องร่อนอยู่ที่นี่ครับ)

วันนี้ผมไปสอนเด็กๆกลุ่มบ้านเรียนปฐมธรรม กลุ่มบ้านเรียนภูมิธรรม และอนุบาลบ้านพลอยภูมิครับ วันนี้เรื่องการเปลี่ยนรูปของพลังงานเบื้องต้นสำหรับเด็กกลุ่มบ้านเรียน และของเล่นไจโรสโคปสำหรับเด็กอนุบาลสามบ้านพลอยภูมิครับ

ผมเริ่มจากการเอาลูกตุ้มนาฬิกาที่ด้วยดินน้ำมันอย่างที่ทำครั้งที่แล้วมาห้อยจากที่สูงๆ แล้วก็ปล่อยให้แกว่งแล้วให้เด็กๆสังเกตดู (เราปล่อยลูกตุ้มเฉยๆ ไม่ผลักให้มันวิ่งตอนปล่อย ให้มันแกว่งไปเอง) และถามเด็กๆว่าลูกตุ้มวิ่งเร็วตอนไหน วิ่งช้าตอนไหน ปรากฏว่าเด็กๆหลายคนบอกว่าเร็วที่สุดตอนปล่อย ส่วนที่เหลือบอกว่าวิ่งเร็วที่สุดตอนลูกตุ้มอยู่ต่ำที่สุด ผมจึงบอกว่าถ้าเราเอามือไปรอตามที่ต่างๆแล้วปล่อยให้ลูกตุ้มแกว่งใส่ ตรงไหนลูกตุ้มชนมือเราแรงสุด ตรงนั้นก็คือที่ที่ลูกตุ้มวิ่งเร็วที่สุด หลังจากให้ลูกตุ้มชนแล้วเด็กส่วนใหญ่ก็บอกว่าตรงจุดต่ำสุดลูกตุ้มจะวิ่งเร็วที่สุด แต่ก็ยังมีเด็กบางคนไม่เปลี่ยนความคิดที่ว่าจุดที่ปล่อยมีความเร็วสูงสุด ผมจึงให้เด็กๆสังเกตว่าตอนเราปล่อย ลูกตุ้มอยู่เฉยๆ แล้วมันก็เพิ่มความเร็วขึ้นเพราะตกสู่โลก แล้วเร็วขึ้นเร็วขึ้นจนเร็วที่สุดที่จุดต่ำสุด จากนั้นเมื่อลูกตุ้มแกว่งขึ้นสูงอีกครั้ง แรงดึงดูด(แรงโน้มถ่วง)จากโลกก็จะทำหน้าที่เป็นเบรก ทำให้ลูกตุ้มวิ่งช้าลงช้าลง จนหยุดที่ระดับความสูงหนึ่ง(ที่สูงไม่เกินระดับที่เราปล่อย) แล้วค่อยตกลงมาอีกครั้ง เป็นรอบๆอย่างนี้ไปเรื่อยๆ

เราจะสังเกตได้ว่าลูกตุ้มจะแกว่งกลับมาเกือบๆถึงระดับที่เราปล่อย แต่จะไม่ถึงทีเดียว จะต่ำลงไปเรื่อยๆ สาเหตุก็คือลูกตุ้มต้องวิ่งแหวกอากาศ ต้องผลักอากาศให้หลีกทางให้ จึงเสียความเร็วไปที่ละเล็กทีละน้อย ในที่สุดก็จะหยุดแกว่ง

การที่ลูกตุ้มไม่แกว่งกลับมาสูงกว่าเดิมนั้น เป็นผลจากกฏเกณฑ์ทางธรรมชาติอันหนึ่งที่เรียกว่ากฏการอนุรักษ์พลังงาน คือสิ่งที่เราเรียกว่าพลังงานนั้นมีหลายรูปแบบ สามารถเปลี่ยนรูปแบบไปมาระหว่างกันได้ แต่ถ้าเรานับพลังงานทุกรูปแบบแล้วเราจะพบว่าปริมาณพลังงานรวมจะคงที่เสมอ การที่เราเห็นว่าลูกตุ้มตกลงแล้ววิ่งเร็วขึ้นนั้น เป็นเพราะพลังงานที่เกี่ยวกับระดับความสูง(พลังงานศักย์โน้มถ่วง) เปลี่ยนรูปเป็นพลังงานเกี่ยวกับความเร็ว(พลังงานจลน์)  ของที่อยู่บนโลกแต่อยู่สูงๆจะมีพลังงานเกี่ยวกับความสูงมาก พอตกลงมาที่ตำ่กว่าพลังงานความสูงก็เปลี่ยนรูปเป็นพลังงานความเร็วทำให้ของนั้นๆวิ่งเร็วขึ้น พลังงานสองรูปแบบที่กล่าวถึงนี้เปลี่ยนรูปกลับไปกลับมาดังที่เห็นจากการแกว่งของลูกตุ้ม (น้องแพมเข้าใจเองว่าเหมือนกับรถไฟเหาะตามสวนสนุกที่วิ่งช้าเมื่ออยู่สูงและวิ่งเร็วเมื่ออยู่ตำ่ด้วยครับ ผมดีใจมากทีเธอเห็นได้เอง 🙂 นอกจากนี้หลักการนี้ใช้อธิบายการทำงานของเขื่อนผลิตไฟฟ้าด้วยครับ เมื่อนำ้เป็นไอกลายเป็นเมฆลอยไปตกในที่สูง ถ้าเรากั้นเขื่อนไว้ให้น้ำอยู่สูงแล้วปล่อยให้มันไหลมาตามท่อที่เราเอาใบพัดไปรอ น้ำจะไหลตกลงมาด้วยความเร็วทำให้ปั่นไฟได้)

สาเหตุที่ลูกตุ้มหยุดแกว่งนั้นเป็นเพราะว่าพลังงานของลูกตุ้มถูกส่งไปให้อากาศที่ลูกตุ้มต้องผลักให้พ้นทางตอนเคลื่อนที่ พลังงานบางส่วนถูกส่งไปให้เชือกและจุดที่แขวน และบางส่วนทำให้ดินน้ำมันร้อนขึ้นเมื่อวิ่งผ่านอากาศ ทำให้พลังงานการเคลื่อนที่ของลูกตุ้มลดลงเรื่อยๆ แต่ถ้าเรารวมพลังงานต่างๆที่ลูกตุ้มส่งไปให้สิ่งต่างๆผลรวมของพลังงานก็จะเท่าเดิม

ถ้าเราผลักลูกตุ้มตอนเราปล่อย ลูกตุ้มจะมีพลังงานเกี่ยวกับความเร็วตอนปล่อยด้วย ทำให้เมื่อลูกตุ้มแกว่งกลับมาที่เดิม มันก็ยังมีความเร็วเหลืออยู่ ถ้าเราเอาศีรษะไปขวางก็จะถูกลูกตุ้มชนดังในคลิป:

จากนั้นผมก็เอาลูกบาสและลูกบอลยาง(ที่เบากว่าลูกบาสมาก)มาปล่อยให้กระเด้งจากพื้นให้เด็กๆดู บอกเด็กๆว่าตอนแรกลูกบอลอยู่นิ่งๆแต่อยู่สูง พอปล่อยให้ตกก็ตกลงมาเร็วขึ้นเรื่อยๆจนกระทบพื้นเสียงดัง เมื่อกระเด้งก็กระเด้งไม่สูงเท่าความสูงตอนปล่อย ผมอธิบายว่าพลังงานศักย์โน้มถ่วง(พลังงานที่เกี่ยวกับความสูง)เปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์(พลังงานที่เกี่ยวกับความเร็ว) ลูกบอลเมื่อตกจึงวิ่งเร็วขึ้นเรื่อยๆ เมื่อกระทบพื้นพลังงานจลน์มีอยู่มากเนื่องจากลูกบอลวิ่งเร็ว ลูกบอลจึงวิ่งชนพื่้นให้พื้นขยับลงไปหน่อยนึง แล้วลูกบอลก็กระเด้งขึ้นแต่ความเร็วลดลงเรื่อยๆ จนมาหยุดที่จุดตำ่กว่าจุดที่ปล่อยเพราะพลังงานได้ถูกแจกจ่ายไปให้อากาศที่ต้านและพืื้นที่กระทบไปบ้างแล้ว (เสียงที่เราได้ยินก็มาจากการสั่นสะเทือนของอากาศที่ได้รับพลังงานจากลูกบอลและพื่นที่สั่นเมื่อมันชนกันอีกที)

เพื่อความตื่นเต้นผมจึงแสดงวิธีปล่อยลูกบอลซ้อนกันสองลูกลงสู่พื้น ถ้าให้ลูกบาสที่หนักกว่าอยู่ข้างล่างและให้ลูกบอลเบาอยู่ข้างบน ลูกบอลเบาจะกระเด้งได้สูงมาก ปรากฏการณ์นี้เกิดจากการอนุรักษ์พลังงานและการอนุรักษ์โมเมนตัม สำหรับท่านที่สนใจว่าเราจะคำนวณความสูงได้อย่างไรผมแนะนำให้ดูหน้านี้ครับ

ผมบอกเด็กๆว่าปรากฏการณ์แบบนี้ ที่ของหนักๆเพิ่มความเร็วให้ของเบาๆได้มากๆถูกนักวิทยาศาสตร์ใช้ในการส่งยานอวกาศไปตามที่ต่างๆ โดยเราเล็งยานอวกาศให้วิ่งเข้าหาดาวเคราะห์แบบเฉียดๆ แรงโน้มถ่วงของดาวจะทำให้ยานอวกาศได้ความเร็วเพิ่มขึ้น อีกทั้งการเคลื่อนไหวของดาวก็จะเพิ่มความเร็วให้ยานอวกาศด้วย (เปรียบเสมือนเราเอาแม่เหล็กที่เราทำให้เคลื่อนที่ดูดลูกเหล็กกลมๆให้เคลื่อนที่ตาม) วิธีการนี้เรียกว่า Gravity Assist หรือ Slingshot Effect สำหรับท่านที่สนใจเรื่องนี้ท่านสามารถเข้าไปดูข้อมูลที่ทางนาซ่าทำไว้ให้ดูได้ที่นี่นะครับ

ข้อมูลจากนาซ่าครับ

ผมได้โอกาสให้เด็กๆได้ดูการจำลองวงโคจรของดาวเคราะห์และดาวหางที่โคจรรอบดวงอาทิตย์โดยเข้าไปที่หน้านี้ เด็กๆได้เห็นว่าวงโคจรเหล่านี้โดยทั่วไปเป็นวงรี ไม่กลมเป๊ะๆ(รวมถึงวงโคจรของโลกเราด้วย) เด็กๆจะได้เห็นว่าเมื่อดาวเคราะห์อยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ ความเร็วในการโคจรจะน้อย เมื่อวิ่งเข้ามาใกล้ดวงอาทิตย์ความเร็วจะมาก เรื่องนี้เป็นเรื่องเดียวกันกับที่ลูกตุ้มวิ่งช้าเมื่ออยู่สูงและวิ่งเร็วเมื่ออยู่ตำ่ เพราะเราสามารถมองระยะทางระหว่างดวงอาทิตย์ไปถึงดาวเคราะห์ว่าเป็นความสูงแบบหนึ่งได้และแรงที่กระทำกับลูกตุ้มและดาวเคราะห์ก็เป็นแรงโน้มถ่วงเหมือนกัน (เมือน้องกันได้ดู animation ของวงโคจรนี้เขาก็บอกขึ้นมาเองว่าเหมือนกับลูกตุ้มแกว่งเลย ผมดีใจที่เขาเห็นได้โดยผมยังไม่ต้องบอก 🙂 )

ในเวลาเท่าๆกันเส้นตรงที่ลากจากดวงอาทิตย์ไปยังดาวเคราะห์จะกวาดพื้นที่เป็นพื้นที่เท่าๆกัน ดังนั้นเมื่อดาวเคราะห์อยู่ไกลมันจะวิ่งช้า เมื่ออยู่ใกล้ก็วิ่งเร็ว (Kepler ค้นพบความจริงอันนี้เมื่อประมาณ 400 ปีมาแล้วครับ) เชิญเล่นเองได้ที่นี่เลยครับ

จากนั้นเราก็ทำกิจกรรมกันโดยใช้ลูกบาส+บอลเบาเป็น”ปืนใหญ่”พยายามยิงใส่เป้ากันครับ:

สำหรับเด็กอนุบาลสามอนุบาลบ้านพลอยภูมิ ผมเอาของเล่นที่เรียกว่าไจโรสโคปไปให้เล่นกันครับ ความจริงมันก็คือลูกข่างที่หมุนอยุ่ในกรอบที่มีขาตั้งนั่นเอง มันอาศัยหลักการที่ว่าของที่หมุนๆอยู่จะหมุนเหมือนเดิมถ้าไม่มีอะไรไปยุ่งกับมัน มันเกี่ยวกับความเฉื่อยประเภทหนึ่งที่เกี่ยวกับการหมุน ถ้าไปพยายามทำให้มันเอียงหรือเปลี่ยนทิศทางการหมุนมันจะไม่ค่อยยอมทำตาม (ผมได้ยกตัวอย่างเรื่องพวกนี้ไปในการสอนเรื่องการหมุนที่นี่ครับ) เด็กๆก็ตื่นเต้นกับของเล่นชิ้นนี้ใช้ได้เลย เชิญชมภาพและคลิปครับ:

 

5 thoughts on “การเปลี่ยนรูปของพลังงานและของเล่นไจโรสโคป”

  1. รบกวนสอบถามหน่อยครับ
    ตัวของเล่น ไจโรสโคปนี่หาซื้อได้จากที่ไหนครับ
    พอดีหลานชายต้องทำโครงงานวิทยาศาสตร์
    หาจนทั่วแล้วก็ไม่มีที่ไหนขายเลยครับ
    รบกวนสอบถามสถานที่ขายสักนิดครับ
    ขอบพระคุณมากครับ

  2. เรียน คุณโก้

    รบกวนสอบถามเกี่ยวกับไจโร ว่ามีหลักการอย่างไรให้ตัวไจโรสามารถหมุนอยู่บนเชือกได้ประมาณ 1 นาที เพราะได้ทดลองหลายวิธี ก็ไม่ถึงตามเวลาที่กำหนด ไม่ทราบว่าหลักการอยู่ที่ตัวไจโรหรือที่ตัวที่ทำให้ไจโรหมุน
    หากหมุนบนพื้นราบสามารถหมุนได้นาน แต่พออยู่บนเชือกได้ประมาณ 20 วินาทีก็หล่นแล้ว

    1. ถ้ามันหมุนเร็ว มันจะทรงตัวดีขึ้นครับ เวลาตั้งให้ตั้งให้แกนหมุนตรงดิ่งที่สุดจะได้แกว่งยากขึ้นครับ

Leave a Reply

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