ถ่ายวิดีโอสายน้ำสั่น โคลนแป้งเต้นระบำ

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆมาครับ เด็กประถมได้ช่วยกันถ่ายวิดีโอสายน้ำที่สั่นด้วยลำโพงความถี่คล้ายๆจำนวนภาพที่กล้องวิดีโอถ่ายต่อวินาที เราพยายามถ่ายให้ได้วิดีโอที่สายน้ำเหมือนลอยอยู่นิ่งๆ หรือค่อยๆวิ่งออกจากท่อช้าๆ หรือวิ่งเข้าท่อช้าๆ เด็กอนุบาลสามได้เล่นโคลนแป้งมันที่ปกติเป็นของเหลวแต่จะกลายเป็นของแข็งเมื่อโดนกด เราเลยเอาโคลนแป้งมันมาสั่นบนลำโพงซะเลย 

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมต่างๆอยู่ที่นี่นะครับ กิจกรรมคราวที่แล้วเรื่อง “ดูเชือกสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติต่างๆ เสียงและการสั่นสะเทือน” ครับ รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

สำหรับเด็กประถม ผมให้ดูวิดีโอปริศนาอันนี้ครับ:

เป็นวิดีโอเฮลิคอปเตอร์บินโดยใบพัดหลักไม่หมุน และใบพัดที่หางหมุนช้าๆ ให้เด็กๆคิดกันว่าเป็นอย่างนี้ได้อย่างไร เด็กๆตอบกันว่าใบพัดหมุนเร็วมากจนถ่ายรูปออกมาเป็นอย่างนี้ ผมบอกเด็กๆว่ามันเกี่ยวกับใบพัดหมุนเร็วแค่ไหน (กี่รอบต่อวินาที) แต่ไม่ใช่ว่าเร็วมากๆแล้วจะถ่ายออกมาเป็นอย่างนี้ทุกความเร็ว หลังจากเด็กๆพยายามเดาต่อสักพักผมก็เฉลย

ผมเล่าให้เด็กฟังก่อนว่ากล้องวิดีโอทำงานอย่างไร กล้องวิดีโอทำงานโดยถ่ายรูปจำนวนมากๆเร็วๆแล้วเอารูปที่ถ่ายเหล่านั้นมาแสดงต่อๆกัน ทำให้เราเห็นเป็นการเคลื่อนไหว ปกติกล้องวิดีโอจะถ่ายภาพ 24, 25, 30, 50, หรือ 60 ครั้งต่อวินาที ผมถามเด็กๆว่าอะไรจะเกิดขึ้นถ้าเราใช้กล้องถ่ายภาพ 30 ครั้งต่อวินาทีและใบพัดก็หมุน 30 ครั้งต่อวินาทีเหมือนกัน เด็กบางคนเริ่มเข้าใจแล้วว่าภาพที่ถ่ายมาทั้งหมดจะเห็นใบพัดหมุนอยู่ในตำแหน่งเดิม เพราะทุกครั้งที่กล้องวิดีโอถ่ายรูป ใบพัดก็หมุนครบรอบพอดี ทำให้ภาพที่ถ่ายเห็นใบพัดอยู่อย่างเดิมๆ

ผมเอาปากกามาแทนใบพัดเฮลิคอปเตอร์แล้วค่อยๆขยับ พร้อมกับส่งเสียงแชะแทนการถ่ายรูปแต่ละรูป เด็กๆสังเกตได้ว่าถ้าปากกาหมุนครบรอบเมื่อมีเสียงแชะ ภาพที่ได้ก็เป็นภาพเดิม ถ้าปากกาหมุนเกินรอบไปเล็กน้อยทุกๆแชะ จะดูเหมือนปากกาหมุนเพิ่มไปทีละนิดๆ ถ้าปากกาหมุนไม่ถึงรอบโดยขาดไปเล็กน้อยทุกๆแชะ จะดูเหมือนปากกาหมุนถอยหลังช้าๆ ถ้าปากกาหมุน 2 (หรือ 3, 4, 5,…) รอบทุกแชะก็จะเห็นปากกาไม่หมุน

มีคลิปอธิบายดีๆเป็นภาษาอังกฤษที่นี่ครับ:

จากนั้นเราก็มาทำการทดลองคล้ายๆกัน แต่เนื่องจากเราไม่มีเฮลิคอปเตอร์ เราจึงเอาสายน้ำที่สั่นเป็นจังหวะมาถ่ายรูปครับ

เราเอาท่อพลาสติกไปติดกับลำโพงที่เราจะปล่อยเสียงให้สั่นตามความถี่ครั้งต่อวินาทีที่เรากำหนดได้ พอเราปล่อยน้ำให้วิ่งผ่านท่อ สายน้ำก็จะสั่นตามความถี่ที่เรากำหนด ผมบันทึกเป็นวิดีโอสรุปไว้ครับ:

เด็กๆถ่ายวิดีโอด้วยกล้องมือถือและแท็บเบล็ตกันใหญ่

สำหรับอนุบาลสาม เราเล่นโคลนแป้งมันเต้นระบำกันครับ

เวลาเราเอาแป้งมันไปละลายน้ำให้ข้นๆ(เหมือนโคลน) โมเลกุลยาวๆของมันจะลอยอยู่ในน้ำ พันกันยุ่งๆ ไขว้กันไปมา ถ้าเราเอานิ้วหรือช้อนคนช้าๆ โมเลกุลจะมีเวลาค่อยๆขยับผ่านกัน เราจึงไม่รู้สึกถึงแรงต้านมากนัก เหมือนกับคนของเหลวธรรมดา แต่ถ้าเราเอานิ้วหรือช้อนไปคนเร็วๆ โมเลกุลจะไม่มีเวลาขยับผ่านกัน มันจะยังพันกันเกี่ยวกันอยู่ แรงต้านที่นิ้วหรือช้อนจะเยอะมาก เราจะเห็นว่าโคลนแป้งมันกลายเป็นของแข็งทันทีเมื่อเราไปคนมันเร็วๆ

นอกจากคนโคลนแป้งมันเร็วๆแล้วเรายังจะสามารถเอานิ้วไปจิ้มๆเร็วๆหรือไปบีบมันเร็วๆ เราจะรู้สึกว่ามันเป็นของแข็ง แต่ถ้าเอานิ้วไปจิ้มช้าๆนิ้วเราจะจมลงไปเหมือนจิ้มนิ้วลงไปในของเหลวหนืดๆ  ถ้าโยนไปมาเร็วๆเจ้าโคลนนี้ก็จะจับตัวเป็นก้อนแข็ง แต่ถ้าหยุดโยนเมื่อไร มันก็จะเลิกแข็งตัวแล้วไหลเป็นของเหลวหนืดๆอีก

(รายละเอียดสำหรับนักเรียนโตๆครับ: 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)

แล้วเราก็เล่นโคลนแป้งมันกันครับ เอาโคลนแป้งมันไปไว้บนลำโพง แล้วปล่ยอเสียงให้มีความสั่นสะเทือนไปตีโคลนครับ ถ้าปรับความถี่การสั่นให้เหมาะสม ลำโพงจะตีโคลนตอนมันตกลงมาพอดีทำให้โคลนกลายเป็นของแข็งตั้งขึ้นมาครับ:

 เด็กๆเล่นกันสนุกสนานดีครับ

ดูเชือกสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติต่างๆ เสียงและการสั่นสะเทือน

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆมาครับ เด็กประถมได้สังเกตเส้นเชือกสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติต่างๆของมัน ได้ช่วยกันสังเกตรูปแบบและความถี่การสั่นเมื่อเชือกถูกถ่วงด้วยน้ำหนักต่างๆ เด็กอนุบาลสามได้เรียนรู้เรื่องเสียงสูงเสียงต่ำและการสั่นสะเทือนต่างๆครับ ขอบคุณอาจารย์ Tawinan Cheiwchanchamnangij และ Nu Lambda Scientific ที่ให้ใช้อุปกรณ์ทดลองครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมต่างๆอยู่ที่นี่นะครับ กิจกรรมคราวที่แล้วเรื่อง  “ดูคลื่นในสปริง คลื่นซ้อนทับ การสั่นพ้อง การสั่นธรรมชาติ” ครับ รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

เด็กๆได้สังเกตว่าถ้าเรามีคลื่นวิ่งสวนกันอย่างเหมาะสม ผลลัพธ์จะเป็นคลื่นยืนหรือคลื่นนิ่ง (standing wave) ที่ขยับขึ้นลงอย่างเดียว ไม่วิ่งไปมาครับ:

ถ้าเรามีเส้นเชือกที่ปลายข้างหนึ่งอยู่กับที่ และปลายอีกข้างหนึ่งสั่นเบาๆ คลื่นจะวิ่งจากปลายที่สั่นเบาๆไปถึงอีกปลายหนึ่ง แล้วสะท้อนวิ่งกลับมา ถ้าเราปรับความถี่การสั่นให้พอเหมาะ คลื่นที่วิ่งไปจะรวมกับคลื่นที่สะท้อนกลับมากลายเป็นคลื่นนิ่ง ความถี่ที่ทำให้เกิดคลื่นนิ่งอย่างนี้เป็นความถี่ธรรมชาติอันหนึ่งของเส้นเชือกนั้นๆ

สิ่งต่างๆมีความถี่ธรรมชาติ (natural frequencies) หลายๆความถี่ ถ้าเราสั่นมันด้วยความถี่ธรรมชาติเหล่านั้นมันจะสั่นตามแรงๆจากปรากฏการณ์สั่นพ้อง (resonance)

หน้าตาการสั่นของวัตถุที่ความถี่ธรรมชาติต่างๆก็แตกต่างกันไปตามรูปทรง ขนาด ประเภทวัสดุ วิธีที่เราจับมันไว้ และความถี่ที่สั่น

คราวนี้เด็กๆได้สังเกตการสั่นธรรมชาติของเส้นเชือกที่สองปลายถูกจับไว้ให้ขยับน้อยๆครับ เชือกถูกทำให้สั่นน้อยๆที่ปลายข้างหนึ่งด้วยลำโพงที่ขยับที่ความถี่ต่างๆที่เรากำหนด ถ้าเราขยับเส้นเชือกด้วยความถี่ที่ตรงกับความถี่ธรรมชาติอันใดอันหนึ่งของเส้นเชือก เส้นเชือกจะสั่นตามแรงๆ และมีรูปทรงประมาณนี้ครับ:

อาจารย์ Tawinan Cheiwchanchamnangij และ Nu Lambda Scientific ให้อุปกรณ์สำหรับสังเกตการสั่นเส้นเชือกมาให้เด็กๆเล่นครับ หน้าตาเป็นอย่างนี้:

เมื่อเราถ่วงปลายเชือกด้วยน้ำหนักต่างๆกัน ความตึงในเชือกจะทำให้ความถี่ธรรมชาติเปลี่ยนไปครับ (ติดถึงสายเครื่องดนตรีเครื่องสายที่ตึงหรือหย่อนแล้วเสียงต่างกันอย่างไรครับ) เด็กๆประถมช่วยกันเก็บข้อมูลการสั่นของเชือกเส้นเดียวที่ถ่วงด้วยน้ำหนักต่างๆกัน ว่ามีความถี่ธรรมชาติต่างๆอย่างไร:

ความถี่ธรรมชาติ เชือกแดง/ขาว  มัดพัสดุ ความยาว 108 เซ็นติเมตร ถ่วงด้วยน้ำหนักต่างๆ
ความถี่ธรรมชาติ เชือกแดง/ขาว มัดพัสดุ ความยาว 108 เซ็นติเมตร ถ่วงด้วยน้ำหนักต่างๆ

 ความถี่ธรรมชาติทั้งหลายจะเพิ่มเป็นเท่าๆของความถี่ธรรมชาติที่ต่ำสุดครับ คือจะเป็น 2 เท่า 3 เท่า … ไปเรื่อยๆ ถ้าเชือกตึงมากขึ้น (คือถ่วงด้วยน้ำหนักที่มากขึ้น) ความถี่ธรรมชาติก็จะสูงขึ้น ความถี่ธรรมชาติของเชือกที่ปลายทั้งสองอยู่กับที่ขึ้นกับความยาวของเชือก มวลต่อความยาวเชือก และแรงตึงในเชือก ความสัมพันธ์อยู่ในรูปนี้:

ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ธรรมชาติต่ำสุดของเชือก กับความตึง มวลต่อความยาว และความยาวของเชือกครับ
ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ธรรมชาติต่ำสุดของเชือก กับความตึง มวลต่อความยาว และความยาวของเชือกครับ

สำหรับเด็กอนุบาลสาม ผมให้เล่นเรื่องการเสียงและสั่นสะเทือน เอาลำโพงที่ปล่อยเสียงความถี่ต่างๆมาให้เด็กๆฟัง ให้เข้าใจว่าเสียงสูงมีความถี่สูง เสียงต่ำมีความถี่ต่ำ สามารถสังเกตการสั่นสะเทือนโดยเอาของเบาๆเช่นเม็ดโฟมไปไว้บนลำโพง หรือเอาถาดพลาสติกใส่เม็ดโฟมหรือถาดโลหะใส่น้ำวางไว้บนลำโพงก็ได้ เด็กๆสนุกที่สุดตอนเอาลูกปิงปองสองลูกสองสีไปวางไว้บนลำโพงแล้วเชียร์ว่าลูกไหนจะอยู่ได้นานกว่ากันครับ 

 

ดูคลื่นในสปริง คลื่นซ้อนทับ การสั่นพ้อง การสั่นธรรมชาติ

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆมาครับ เด็กประถมต้นได้สังเกตคลื่น ในสปริงและการซ้อนทับของคลื่น ได้เห็นว่าถ้าคลื่นพอเหมาะซ้อนนทับกันจะเกิดคลื่นที่ไม่เคลื่อนที่ (คลื่นนิ่งหคือคลื่นยืน, standing wave) เด็กประถมปลายได้สังเกตความถี่ธรรมชาติของสิ่งต่างๆ และได้เห็นการสั่นธรรมชาติในแบบต่างๆของแผ่นพลาสติกบาง ๆและน้ำในถาด เด็กอนุบาลสามได้เล่นกับเสียงและการสั่นสะเทือน

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมต่างๆอยู่ที่นี่นะครับ กิจกรรมคราวที่แล้วเรื่อง  “เรียนรู้เรื่องกล่องเสียง ส่วนประกอบของหู เสียงและการสั่นสะเทือน เล่นกับสุญญากาศ” ครับ รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

สำหรับเด็กประถมต้น ผมผมเอาของเล่นที่เรียกว่าสลิงกี้ (Slinky) ซึ่งคือสปริงอ่อนๆใหญ่ๆมาให้เด็กๆเล่นกันครับ

เด็กๆได้สังเกตการเคลื่อนที่ผ่านกันของคลื่นในสลิงกี้ ได้ดูการสะท้อนของคลื่น เด็กได้สังเกตว่าถ้าเราจับได้ปลายข้างหนึ่งของสปริงให้อยู่กับที่ ส่วนยอดของคลื่นที่วิ่งเข้าไปกับคลื่นที่สะท้อนกลับมาจะมีทิศทางตรงกันข้ามกันครับ คลื่นสามารถวิ่งผ่านกันได้ด้วยครับ

เด็กๆได้ทายว่าเวลาของตก เช่นสลิงกี้ตก ส่วนไหนตกก่อน ด้านบนตกก่อน ด้านล่างตกก่อน หรือตกพร้อมๆกัน แล้วถ่ายเป็นภาพสโลโมชั่นให้เขาดูกันครับ

นอกจากนี้ผมเอาคลิปสลิงกี้เดินไม่หยุดให้เด็กๆดูด้วยครับ:

เด็กประถมต้นและประถมปลายได้สังเกตว่าถ้าเรามีคลื่นวิ่งสวนกันอย่างเหมาะสม ผลลัพธ์จะเป็นคลื่นยืนหรือคลื่นนิ่ง (standing wave) ที่ขยับขึ้นลงอย่างเดียว ไม่วิ่งไปมาด้วยครับ เด็กๆได้พยายามทดลองสร้างคลื่นยืนในสลิงกี้ ส่วนเด็กประถมปลายได้สังเกตุคลื่นยืนบนแผ่นพลาสติกบางๆและผิวน้ำครับ:

เด็กประถมปลายได้รู้จักกับการสั่นธรรมชาติ  ได้รู้ว่าสิ่งต่างๆมีความถี่ธรรมชาติ (natural frequencies) หลายๆความถี่ ถ้าเราสั่นมันด้วยความถี่ธรรมชาติเหล่านั้นมันจะสั่นตามแรงๆจากปรากฏการณ์สั่นพ้อง (resonance)

หน้าตาการสั่นของวัตถุที่ความถี่ธรรมชาติต่างๆก็แตกต่างกันไปตามรูปทรง ขนาด ประเภทวัสดุ วิธีที่เราจับมันไว้ และความถี่ที่สั่น

ในการทดลองนี้เราใช้เกลือโรยแผ่นพลาสติกบางๆที่ขึงบนถังพลาสติกเพื่อหัดดูการสั่นเหล่านี้ ตรงไหนมีการสั่นเยอะก็จะไม่มีเกลือ ตรงไหนไม่สั่นก็จะมีเกลือกองไว้อยู่ นอกจากนี้ยังเอาน้ำใส่ขันพลาสติกแล้วทำให้สั่นที่ความถี่ต่างเพื่อให้มีคลื่นยืนบนผิวน้ำด้วยครับ:

สำหรับเด็กอนุบาลสาม ผมให้เล่นเรื่องการเสียงและสั่นสะเทือน เอาลำโพงที่ปล่อยเสียงความถี่ต่างๆมาให้เด็กๆฟัง ให้เข้าใจว่าเสียงสูงมีความถี่สูง เสียงต่ำมีความถี่ต่ำ สามารถสังเกตการสั่นสะเทือนโดยเอาของเบาๆเช่นเม็ดโฟมไปไว้บนลำโพง หรือเอาถาดพลาสติกใส่เม็ดโฟมหรือถาดโลหะใส่น้ำวางไว้บนลำโพงก็ได้ เด็กๆสนุกที่สุดตอนเอาลูกปิงปองสองลูกสองสีไปวางไว้บนลำโพงแล้วเชียร์ว่าลูกไหนจะอยู่ได้นานกว่ากันครับ 

บันทึกกิจกรรมวิทยาศาสตร์สำหรับเด็กๆ อยากให้คุณพ่อคุณแม่คุณครูเอาไปประยุกต์เล่นกับเด็กๆเยอะๆครับ :-)