วิทย์ประถม: การทรงตัวจากการหมุน

วันนี้ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทย์โดยพยายามอธิบายมายากล ได้เรียนรู้ว่าการหมุนทำให้สิ่งต่างๆทรงตัวได้ดีขึ้นเพราะสิ่งที่หมุนจะรักษาปริมาณการหมุน (โมเมนตัมเชิงมุม) ทำให้แกนหมุนชี้ไปทิศทางเดิมเสมอถ้าไม่มีแรงอะไรมาบิดให้เปลี่ยนทิศทาง

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้มีกลสั้นๆให้เด็กๆดู 5 กล:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

ต่อจากนั้นผมคุยทบทวนเรื่องการทรงตัวกับเด็กๆตามที่ได้ทดลองและประดิษฐ์ของเล่นที่เกี่ยวข้องผ่านมาหลายสัปดาห์ ทบทวนความเข้าใจที่ว่าของจะทรงตัวอยู่ได้ฐานรับน้ำหนักของมันต้องอยู่ในแนวดิ่งที่ผ่านจุดศูนย์ถ่วง ถ้าฐานรับน้ำหนักมีขนาดเล็ก วัตถุก็จะล้มง่าย หรือตั้งอยู่ไม่ได้ตั้งแต่ต้น

ผมเอาของเล่นที่เป็นลูกข่างเล็กๆมาพยายามตั้งให้เด็กๆดู ถ้ามันไม่หมุนมันจะล้มลงตลอด เอาเหรียญมาตั้งให้เด็กดู ซึ่งก็เป็นเหมือนกันที่จะล้มเมื่อไม่หมุน แต่จะทรงตัวตั้งอยู่ได้นานๆเมื่อหมุน

ของเล่นอีกชิ้นคือลูกข่างไจโรสโคป มันคือลูกข่างที่หมุนอยู่ในกรอบที่เราจับยกไปมาได้ครับ เด็กๆได้เห็นว่าเวลาลูกข่างหมุนมันจะทรงตัวได้ แต่เวลาไม่หมุนมันจะล้ม

หลักการที่สิ่งที่หมุนอยู่ไม่ล้มง่ายๆคือกฎเกณฑ์ในธรรมชาติอันหนึ่งที่ว่าสิ่งที่กำลังหมุนอยู่จะหมุนเหมือนเดิมไปเรื่อยๆทั้งความเร็วรอบในการหมุนและทิศทางของแกนหมุนครับ ถ้าจะเปลี่ยนการหมุน ก็ต้องมีแรงอะไรบางอย่างมาบิดมันให้เปลี่ยนแปลง กฏเกณฑ์ข้อนี้เรียกว่าการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมนั่นเอง

เด็กๆได้เลี้ยงลูกข่างบนโต๊ะ ได้เอาลูกข่างหมุนๆใส่กล่องแล้วเห็นกล่องตั้งอยู่ได้ ได้เอาลูกข่างหมุนๆวางบนเส้นเชือก และเอาเส้นเชือกคล้องลูกข่างให้ลอยอยู๋ในอากาศ วิธีเล่นผมเคยอัดเป็นคลิปแบบนี้ไว้ครับ:

ในวิดีโอจะเห็นเวลาเอาไจโรสโคปไปวางให้แกนหมุนใกล้แนวนอน และให้ปลายข้างหนึ่งติดกับฐาน จะเห็นว่าแกนหมุนมันจะกวาดไปรอบๆ อันนี้เป็นเพราะไจโรสโคปอยากจะชี้ให้แกนหมุนชี้ไปทางเดียว แต่แรงโน้มถ่วงของโลกอยากดูดมันให้ตกลงมาจากฐาน กลายเป็นแรงบิดทำให้แกนหมุนของไจโรสโคปกวาดไปรอบๆ ถ้าไจโรสโคปไม่หมุนตั้งแต่แรก มันก็จะตกลงมาจากฐานเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกแล้ว ไม่กวาดไปรอบๆตั้งแต่ต้น

หลักการของหมุนๆนี้ถูกใช้มาสร้างอุปกรณ์จริงๆที่ไม่ใช่ของเล่นเรียกว่าไจโรสโคป (Gyroscope) ด้วยครับ ไจโรสโคปที่จะชี้ทิศทางคงที่ไว้เสมอ ไว้ให้เรือ เรือดำน้ำ เครื่องบิน ยานอวกาศ คำนวณได้ว่าตอนนี้หันหัวไปทางทิศไหนโดยเทียบกับทิศทางของไจโรสโคป ไจโรสโคปเมื่อก่อนสร้างด้วยของที่หมุนจริงๆ แต่เดี๋ยวนี้สร้างด้วยวิธีอื่นๆได้ เป็นไฟฟ้าหรือแสงก็ได้

หลักการเดียวกันยังถูกใช้ในการยิงกระสุนปืนด้วย คือปืนในสมัยโบราณ ลูกกระสุนจะไม่หมุน ยิ่งได้แม่นยำในระยะจำกัด ต่อมานักประดิษฐ์ได้ใส่เกลียวเข้าไปในลำกล้องปืน เมื่อยิงด้วยกระสุนที่ทำจากโลหะที่อ่อนกว่าวัสดุของลำกล้อง กระสุนก็จะหมุนและไม่อยากเปลี่ยนทิศทาง ทำให้ยิงแม่นยำได้ไกลมากขึ้น กระสุนจะหมุนประมาณหลายร้อยรอบต่อวินาทีจนถึงพันสองพันรอบต่อวินาที รอยข้างๆกระสุนที่เกิดจากเกลียวนั้นใช้เป็นหลักฐานได้ว่ากระสุนถูกยิงออกมาจากปืนกระบอกไหน 

เด็กๆแยกย้ายกันเล่นอย่างสนุกสนานครับ:

วิทย์ประถม: เล่นนกสมดุลและค้อนสมดุล

วันนี้ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทย์โดยพยายามอธิบายมายากล เด็กประถมต้นทำของเล่นนกสมดุล เด็กประถมปลายทำค้อนสมดุลและสังเกตจุดศูนย์ถ่วงที่อยู่ใต้ไม้ไอติมที่รับน้ำหนักค้อน

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้มีกลสั้นๆให้เด็กๆดู 6 กล:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

สำหรับประถมต้น  ผมให้เด็กๆตัดกระดาษเป็นรูปนกขนาดเล็กๆ โดยที่ปีกทั้งสองยื่นไปด้านหน้าของหัว แล้วใช้คลิปหนีบกระดาษติดที่ปีก ขยับตำแหน่งคลิปให้จุดศูนย์ถ่วงของนกอยู่ที่ปากของมัน เราสามารถรับน้ำหนักมันที่ปากและนกก็จะลอยอยู่ได้ครับ

สำหรับเด็กประถมปลาย ผมให้เด็กๆติดค้อนเข้ากับไม้ไอติม แล้วเอาไปแขวนตามขอบโต๊ะ จุดที่รับน้ำหนักจะผ่านจุดศูนย์ถ่วงของค้อน+ไม้ไอติม ทำให้ค้อนลอยอยู่ได้

เราใช้ไม้บรรทัดแทนไม้ไอติมก็ได้ดังในคลิปนี้ครับ:

วิทย์ประถม: เรื่องสมดุลต่อ, ตั้งกระป๋องเอียง, นกกระดาษสมดุล

วันนี้ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทย์โดยพยายามอธิบายมายากล แล้วได้ซึมซับความรู้เรื่องสมดุลต่อโดยสังเกตว่าถ้าเรายืนให้หลังและส้นเท้าติดผนัง เราจะก้มตัวมาข้างหน้าไม่ได้ถ้าไม่งอขา เด็กประถมต้นได้เติมน้ำในกระป๋องให้ตั้งเอียงได้ เด็กประถมปลายได้ประดิษฐ์ของเล่นนกสมดุลจากกระดาษและคลิปโลหะ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้มีกลสั้นๆสามกลที่เล่นกับปากกา:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นเราคุยกันเรื่องสมดุลต่อ ถ้าเราไปยืนให้ส้นเท้าและหลังติดกับผนัง แล้วพยายามก้มลงเก็บของที่พื้นโดยไม่งอเข่า เราจะล้มเมื่อพยายามทำอย่างนั้น เพราะเมื่อเราก้มโดยที่เราไม่สามารถขยับน้ำหนักไปข้างหลัง (เพราะหลังติดกำแพงอยู่) จุดศูนย์ถ่วงของเราจะล้ำไปข้างหน้า อยู่ข้างหน้าเท้าของเรา แล้วตัวเราก็จะเริ่มเสียสมดุลย์แล้วล้มในที่สุด:

ถ้าเราสังเกตเวลาเราก้มตัวเก็บของ เราจะมีบางส่วนของร่างกายอยู่แนวหลังเท้าและบางส่วนอยู่แนวหน้าเท้าเสมอ เพราะไม่อย่างนั้นเราจะล้มเนื่องจากจุดศูนย์ถ่วงอยู่นอกบริเวณรับน้ำหนักที่เท้าครับ

สำหรับประถมต้น ผมให้ตั้งกระป๋องเอียงๆกัน กระป๋องอลูมิเนียมเปล่าๆจะวางเอียงๆไม่ได้ แต่ถ้าเราใส่น้ำเข้าไปให้เหมาะสม น้ำจะถ่วงน้ำหนักให้กระป๋องเอียงอยู่ได้ ให้เด็กทดลองใส่น้ำปริมาณต่างๆเข้าไปในกระป๋องแล้วชั่งน้ำหนักว่าใส่น้ำเข้าไปกี่กรัมแล้วยังตั้งกระป๋องอยู่ได้ พบว่าถ้าใส่น้ำประมาณ 50-200 กรัมก็จะตั้งกระป๋องอยู่ได้ ถ้าน้ำมากไปหรือน้อยไปกระป๋องจะล้ม:

สำหรับประถมปลาย ผมให้เด็กๆตัดกระดาษเป็นรูปนกขนาดเล็กๆ โดยที่ปีกทั้งสองยื่นไปด้านหน้าของหัว แล้วใช้คลิปหนีบกระดาษติดที่ปีก ขยับตำแหน่งคลิปให้จุดศูนย์ถ่วงของนกอยู่ที่ปากของมัน เราสามารถรับน้ำหนักมันที่ปากและนกก็จะลอยอยู่ได้ครับ

ของเล่นนกกระดาษนี้ใช้หลักการเดียวกับส้อมสมดุลสัปดาห์ที่แล้วเลยครับ (วิทย์ประถม: เรียนเรื่องสมดุลต่อ, ส้อมสมดุล):

บันทึกกิจกรรมวิทยาศาสตร์สำหรับเด็กๆ อยากให้คุณพ่อคุณแม่คุณครูเอาไปประยุกต์เล่นกับเด็กๆเยอะๆครับ :-)