วิทย์ประถม: แรงโน้มถ่วงเทียม

วันนี้ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล ได้ดูคลิปชีวิตความเป็นอยู่นักบินอวกาศในสถานีอวกาศนานาชาติ ได้เข้าใจเรื่องสภาพไร้น้ำหนัก และเล่นแกว่งถาดแกว่งตะกร้าสร้างแรงโน้มถ่วงเทียมกัน

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้มีกลหนีเหล็กแหลม:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นเด็กๆได้ดูคลิปความเป็นอยู่ของนักบินอวกาศในสถานีอวกาศนานาชาติกัน:

ได้สังเกตว่ามีอาหารแห้งไปผสมน้ำทีหลังเพื่อลดนำ้หนักขนส่งอาหาร รู้ว่าน้ำมีการใช้ซ้ำ recycle และรู้ว่านักบินอวกาศต้องออกกำลังกายสม่ำเสมอเพราะในภาวะไร้น้ำหนัก ถ้าอยู่ไปนานๆกระดูกและกล้ามเนื้อจะเสื่อมลง ต้องออกกำลังกายเพื่อรักษาสภาพครับ

ผมถามเด็กๆว่าเราจะเห็นของต่างๆรวมถึงนักบินอวกาศลอยไปมาเป็นเพราะอะไร เด็กๆตอบว่าเพราะไม่มีแรงโน้มถ่วง ซึ่งเป็นความเข้าใจผิดของคนส่วนใหญ่ ในอวกาศยังมีแรงโน้มถ่วงอยู่เสมอ ไม่อย่างนั้นสิ่งต่างๆจะโคจรรอบกันไม่ได้ โลกจะโคจรรอบดวงอาทิตย์ไม่ได้ ดวงจันทร์จะโคจรรอบโลกไม่ได้ ดาวต่างๆโคจรกันเป็นกาแล็กซีไม่ได้ แรงโน้มถ่วงทำหน้าที่เหมือนเชือกที่มองไม่เห็นที่คอยดึงสิ่งต่างๆเข้าหากันทำให้เกิดวงโคจรต่างๆได้

สาเหตุที่สิ่งต่างๆลอยไปมาในสถานีอวกาศเป็นเพราะว่าตัวสถานีอวกาศและของที่อยู่ข้างในโคจรรอบโลกแบบเดียวกัน เป็นการตกเข้าหาโลกแต่ไม่โดนโลกเสมอเพราะมีความเร็วแนวเฉียงที่พอเหมาะ การโคจรที่เหมือนกันนี้ทำให้สิ่งต่างๆไม่ดันหรือดึงกันจึงไม่รู้สึกถึงน้ำหนัก

ปรากฏการณ์เดียวกันนี้สามารถสังเกตได้เมื่อเราอยู่ในลิฟท์ เมื่อลิฟท์เริ่มวิ่งขึ้นเราจะรู้สึกตัวหนักขึ้น เมื่อลิฟท์เริ่มวิ่งลงเราจะรู้สึกตัวเบาลง ท่าลิฟท์สายขาดและไม่มีเบรกเราและลิฟท์ก็จะตกสู่โลกเหมือนๆกัน พื้นลิฟท์และตัวเราจะไม่ดันกันทำให้เราอยู่ในสภาพไร้น้ำหนัก เราจะลอยไปมาเหมือนนักบินอวกาศได้

เราสามารถทำให้เกิดสภาพไร้น้ำหนักบนโลกได้โดยการไปอยู่ในเครื่องบินที่บินขึ้นและลงสลับกัน โดยที่ตอนบินลงเครื่องบินจะบินเหมือนกำลังตกสู่พื้นโลกอย่างอิสระ ทำให้ทุกคนในเครื่องบินลอยตัวไร้น้ำหนัก ดังในคลิปนี้:

ผมเล่าให้เด็กๆฟังว่าถ้าเราต้องการเดินไปเดินมาในยานอวกาศแบบมีน้ำหนักเหมือนกับเราอยู่บนผิวโลกเรามีอย่างน้อยสองทาง วิธีแรกคือเราต้องเร่งความเร็วของยานอวกาศให้เร็วขึ้นเรื่อยๆ พื้นยานอวกาศก็จะดันตัวเราทำให้เรารู้สึกเหมือนกับมีแรงโน้มถ่วงจากพื้นดูดตัวเรา วิธีนี้ต้องใช้พลังงานมาก อีกวิธีคือทำยานให้เป็นรูปทรงกระบอกหรือโดนัทแล้วหมุนไปเรื่อยๆ เมื่อเราอยู่ที่ผนังของยานอวกาศเราจะรู้สึกเหมือนเราถูกดูดให้ติดกับผนัง วิธีนี้ใช้พลังงานน้อยกว่า เพราะแค่ทำให้ยานอวกาศทรงกระบอกหมุนมันก็จะหมุนไปเรื่อยๆไม่ต้องใช้พลังงานเพิ่ม

ผมให้เด็กๆดูฉากหนึ่งจากภาพยนตร์ 2001: A Space Odyssey ตอนที่นักบินอวกาศวิ่งตามผนังของยานอวกาศเหมือนกับวิ่งบนพื้นโลก แสดงว่ายานอวกาศหมุนอยู่

จากนั้นเราเล่นของเล่นเพื่อสร้างความโน้มถ่วงเทียมเหมือนยานอวกาศหมุนอยู่โดยผมเอาถาดสี่เหลี่ยมที่ผูกสี่มุมด้วยเอ็นตกปลาสี่เส้นที่ยาวเท่าๆกัน แล้วรวบเส้นเอ็นเข้าด้วยกันเป็นที่ถือ มาให้เด็กๆดู เอาแก้วน้ำใส่น้ำและลูกปิงปองวางลงไป แล้วก็แกว่งถาดไปมา ให้เด็กๆสังเกตผิวน้ำกัน

เด็กๆสังเกตเห็นผิวน้ำอยู่นิ่งๆ ไม่กระเพื่อมหรือกระฉอกไปมา บางคนคิดว่ามันคือเยลลี่ด้วยซ้ำ ต้องเอานิ้วจิ้มดูให้เห็นว่าเป็นน้ำเหลวๆจริงๆ

ต่อไปผมไปแกว่งให้แรงขึ้นจนข้ามศีรษะ แต่น้ำก็ยังติดอยู่ในแก้วไม่ได้หกลงมาครับ:

สาเหตุที่น้ำไม่หกลงมาก็เพราะว่าการที่เราแกว่งกระป๋องเป็นวงกลมอย่างนั้น ก้นกระป๋องจะเป็นตัวบังคับไม่ให้น้ำเคลื่อนที่ไปอย่างอิสระออกไปจากวงหมุน (เนื่องจากน้ำมีความเฉื่อย เมื่อมันเคลื่อนที่อย่างไรมันก็จะอยากเคลื่อนที่ไปอย่างเดิมด้วยความเร็วเดิม จนกระทั่งมีแรงมากระทำกับมัน ถ้าไม่มีก้นกระป๋องมาบังคับ น้ำก็จะกระเด็นไปในแนวเฉียดไปกับวงกลมที่เราแกว่งกระป๋องอยู่) ผลของการที่ก้นกระป๋องบังคับน้ำให้เคลื่อนที่เป็นวงกลมก็คือดูเหมือนมีแรงเทียมๆอันหนึ่งดูดน้ำให้ติดกับก้นแก้ว ทำหน้าที่เปรียบเสมือนแรงโน้มถ่วง เราเลยเรียกมันว่าแรงโน้มถ่วงเทียม

เราใช้หลักการนี้ทำถาดช่วยถือของให้มันหกยากๆได้ด้วยครับ:

มีคนประดิษฐ์มาขายไว้ใส่แก้วไม่ให้น้ำหกเรียกว่า Spillnot :

มีคลิปการเทน้ำใส่แก้วในเครื่องบินที่กำลังบินกลับหัวครับ เรื่องนี้เป็นไปได้ก็เพราะเครื่องบินบินเป็นเกลียวเหมือนกับบินไปข้างหน้าและขยับตัวเป็นวงกลมเหมือนตอนเราเหวี่ยงถาดครับ  (การเคลื่อนที่จะเหมือนที่ผมเหวี่ยงถาดไปด้วยและเดินไปข้างหน้าด้วยครับ แต่เครื่องบินเคลื่อนที่เร็วกว่ามาก) แรงโน้มถ่วงเทียมก็ทำการดึงน้ำให้ตกลงไปในถ้วยเหมือนกับแรงโน้มถ่วงจริงๆบนพื้นโลก:

เด็กๆเล่นแรงโน้มถ่วงเทียมโดยใช้กระป๋องข้าวโพดคั่วและตะกร้าผูกเชือกกันครับ:

วิทย์ประถม: เมฆ, เมฆในขวด

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล ได้เรียนรู้เกี่ยวกับการเกิดเมฆ และเราได้ทำเมฆในขวดกัน เด็กประถมปลายได้ฟังผมเล่าเรื่องยาน Voyager และภาพถ่าย Pale Blue Dot รวมถึงวงโคจร James Webb Space Telescope ด้วย

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้มีกลงอช้อน:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

ผมถามเด็กๆว่าเมฆเกิดมาได้อย่างไร เด็กๆก็ตอบกันว่าต้องมีไอน้ำ ผมก็บอกว่าถูกแล้วต้องมีไอน้ำ แต่ปกติเราจะไม่เห็นไอน้ำ แล้วเราเห็นเมฆขาวๆได้อย่างไร เด็กๆบอกว่าเราก็เห็นไอน้ำขาวๆลอยออกมาจากน้ำร้อนๆหรือต้มน้ำนะ ผมบอกว่าสิ่งที่เราเห็นสีขาวๆนั้น เป็นหยดน้ำเล็กๆที่เกิดจากไอน้ำเย็นตัวลงแล้วควบแน่นเป็นหยดน้ำ เมฆก็เช่นกัน เกิดจากการที่ไอน้ำลอยขึ้นไปสูงๆแล้วควบแน่นเป็นหยดน้ำเล็กๆสะท้อนแสงสีขาวอยู่ในท้องฟ้านั่นเอง

มีข้อมูลเกี่ยวกับเมฆในคลิปสั้นๆนี้เผื่อเด็กๆต้องการฝึกใช้ภาษาด้วยครับ:

หลักการธรรมชาติอีกอย่างก็คือ เมื่อเราอัดอากาศให้มีความดันเพิ่มขึ้น อุณหภูมิอากาศจะสูงขึ้น ในทางกลับกัน ถ้าเราให้อากาศขยายตัว อุณหภูมิของมันก็จะต่ำลง ถ้าเราสามารถให้อากาศขยายตัวอย่างรวดเร็วให้ความดันลดอย่างรวดเร็ว อุณหภูมิมันก็จะลดลงอย่างรวดเร็วเช่นกันครับ 

ใช้หลักการที่ว่าอากาศขยายตัวจะเย็นมาสร้างเมฆในขวดครับ โดยเอาน้ำหรือแอลกอฮอล์เล็กน้อยใส่ขวดใส อัดอากาศเข้าไปให้ความดันสูงๆ อุณหภูมิในขวดก็จะสูงขึ้นด้วยตามความดันทำให้มีน้ำหรือแอลกอฮอล์ระเหยเป็นไอมากขึ้น เมื่อเปิดปากขวดให้อากาศวิ่งออกอย่างรวดเร็ว ความดันข้างในก็จะลดลง อุณหภูมิก็ลดลงอย่างรวดเร็วด้วย ไอน้ำหรือไอแอลกอฮอล์ก็จะควบแน่นกลายเป็นละอองเล็กๆลอยอยู่ในขวด เป็นเมฆหมอกให้เราเห็น เมฆในท้องฟ้าก็เกิดแบบประมาณนี้ โดยไอน้ำลอยขึ้นไปสูงๆแล้วเย็นลงควบแน่นเป็นเมฆครับ ตอนอัดอากาศและตอนปล่อยอากาศเราลองวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดด้วยครับ พบว่าอุณหภูมิต่างกันประมาณ 4-7 องศาเซลเซียส

ผมเคยบันทึกวิธีทำไว้ในคลิปเหล่านี้ครับ อันนี้ทำด้วยน้ำเย็น:

อันนี้ทำด้วยแอลกอฮอล์:

อันนี้เปรียบเทียบระหว่างทำด้วยน้ำ ทำด้วยแอลกอฮอล์ และแบบใช้ขวดเปล่า:

สำหรับเด็กประถมปลาย ผมเล่าเรื่องเกี่ยวกับยาน Voyager และภาพถ่าย Pale Blue Dot ด้วยข้อมูลจากลิงก์ Voyager 1’s Pale Blue Dot และคลิป Pale Blue Dot อ่านโดย Carl Sagan (ซับไทย) และเรื่องวงโคจรของกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ด้วยลิงก์ Webb Orbit

คลิปบรรยากาศกิจกรรมวันนี้ครับ:

วันนี้เราพูดคุยกันเรื่องการเกิดเมฆ และทดลองทำเมฆในขวดกันครับ

Posted by Pongskorn Saipetch on Tuesday, 29 November 2022

วิทย์ประถม: Doppler effect, วงโคจรและแรงโน้มถ่วง

วันนี้ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆได้หัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล เด็กๆได้สังเกตเสียงที่เปลี่ยนไปเมื่อลำโพงเคลื่อนที่ (Doppler effect) ได้รู้ว่านักดาราศาสตร์สามารถใช้หลักการทำนองเดียวกันสำหรับคลื่นแสงประมาณความเร็วของกาแล็กซีไกลๆได้ ได้ดูแบบจำลองวงโคจรต่างๆที่คำนวณจากแรงโน้มถ่วงที่ค้นพบโดยนิวตัน ได้เล่นแกว่งลูกปิงปองยกขวดพลาสติกให้เข้าใจว่าวงโคจรต่างๆต้องมีแรงสู่ศูนย์กลาง

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้มีกลเดินผ่านพัดลมยักษ์:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นผมให้เด็กๆหลับตา แล้วผมใช้โปรแกรม Phyphox ในโทรศัพท์สร้างเสียงความถี่ 2,000 Hz (เมนู Tone Generator) ขยับโทรศัพท์ไปมา แล้วถามเด็กๆว่าได้ยินเสียงเปลี่ยนไปไหม ต่อจากนั้นให้เด็กๆลืมตาแล้วสังเกตว่าเมื่อโทรศัพท์กำลังเคลื่อนที่เข้าหาพวกเขาเสียงมันเป็นอย่างไร เมื่อโทรศัพท์กำลังเคลื่อนที่ห่างออกจากพวกเขาเสียงมันเป็นอย่างไร ปรากฎการณ์ที่เราได้ยินเสียงสูงต่ำต่างไปเมื่อแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนที่เรียกว่า Doppler effect นอกจากคลื่นเสียงแล้ว คลื่นแสงก็มีปรากฎการณ์ทำนองเดียวกัน ทำให้นักดาราศาสตร์สามารถประมาณความเร็วของวัตถุไกลๆในอวกาศเช่นกาแล็กซีได้ ปรากฎการณ์สำหรับแสงมักจะเรียกว่า redshift สำหรับวัตถุที่วิ่งห่างไปจากเรา และ blueshift สำหรับวัตถุที่วิ่งเข้าหาเรา

สำหรับเด็กประถมปลายผมเล่าเรื่อง absorption line ที่ทำตัวเป็นบาร์โค้ดในสเปกตรัมของแสงจากดาวต่างๆหรือกาแล็กซีต่างๆว่าประกอบไปด้วยธาตุหรือสารเคมีอะไร และการที่บาร์โค้ดเหล่านี้ขยับเมื่อเทียบกับบาร์โค้ดในแสงดวงอาทิตย์จะบอกเราว่าดาวหรือกาแล็กซีเหล่านั้นเคลื่อนที่เข้าหาหรือออกจากเรา

เด็กประถมปลายได้ดูคลิปเหล่านี้ประกอบ:

ผมเล่าข้อมูลและให้เด็กประถมปลายดูภาพจากกล้อง Hubble และ James Webb ที่ลิงก์เหล่านี้ด้วยครับ:

เด็กๆทั้งประถมต้นและประถมปลายได้ดูวงโคจรจำลองของดาวหางที่คำนวณด้วยแรงโน้มถ่วงที่เซอร์ไอแซค นิวตันค้นพบเมื่อสามร้อยกว่าปีมาแล้ว เด็กๆได้สังเกตว่า 1. วงโคจรเป็นวงรีๆ บางครั้งเหมือนวงกลมบ้าง 2. ความเร็วใกล้ดวงอาทิตย์สูงกว่าตอนห่างจากดวงอาทิตย์ 3. ถ้าความเร็วดาวหางไม่เหมาะสมมันจะไม่มีวงโคจร:

(กดเข้าไปเล่นเองได้ที่ https://scratch.mit.edu/projects/227691459/ ครับ)

เซอร์ไอแซค นิวตันพบว่าการที่วัตถุตกลงพื้นโลกกับการที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลกนั้นเกิดจากขบวนการเดียวกันคือแรงดึงดูดระหว่างมวลที่เราเรียกว่าแรงโน้มถ่วง

ถ้าเราปล่อยลูกบอล ลูกบอลจะตกลงพื้นโลก ถ้าเราขว้างลูกบอลไปในแนวขนานกับพื้นโลก ลูกบอลจะตกไกลขึ้น ยิ่งเราขว้างลูกบอลเร็วเท่าไรมันก็จะตกไกลขึ้นเรื่อยๆ ถ้าถึงความเร็วค่าหนึ่งมันจะตกไม่โดนพื้นโลก แต่จะโคจรรอบโลกได้

การที่ดวงจันทร์โคจรรอบโลกก็เช่นกัน ดวงจันทร์โคจรรอบโลกได้เพราะมันมีความเร็วในแนวตั้งฉากกับเส้นที่ลากผ่านตัวมันและโลก ความเร็วในแนวนี้มากพอที่ทำให้ดวงจันทร์ไม่ตกชนโลก แต่จะโคจรไปรอบๆโลก

ผมให้เด็กๆดูการจำลองการเคลื่อนที่ของดาวสองดวงที่ดวงหนึ่งหนักกว่าอีกดวงมากๆ ถ้าปรับความเร็วของดาวดวงเล็กในแนวตั้งฉากกับเส้นที่เชื่อมดาวทั้งสองจะเห็นการวงโคจรแบบต่างๆได้ แบบจำลองนี้คำนวณแรงดึงดูดระหว่างดาวทั้งสองตามที่นิวตันค้นพบ:

(เข้าไปเล่นเองได้ที่ https://scratch.mit.edu/projects/225919898/editor/ ครับ)

เด็กประถมปลายได้ดูคลิปดาวแถวๆใจกลางทางช้างเผือกโคจรรอบหลุมดำยักษ์ด้วยครับ:

จากนั้นเราเล่นของเล่นแกว่งลูกปิงปองยกขวดกัน เราผูกเชือกยาวประมาณหนึ่งเมตรกับขวดพลาสติกเปล่าๆ ร้อยเชือกผ่านท่อพลาสติก(ก้านลูกโป่งหรือปากกาที่เอาใส้ปากกาออก)ยาวประมาณสิบเซ็นติเมตร เอาฟิล์มพลาสติกห่ออาหารห่อลูกปิงปองให้มีพลาสติกเหลือเป็นปมๆ แล้วผูกเชือกตรงปมนั้น ปกติขวดพลาสติกหนักกว่าลูกปิงปอง ถ้าเราจับท่อตรงกลาง ขวดจะตกลงไปจนสุด ลูกปิงปองจะถูกดึงมาติดท่อพลาสติกอีกด้าน ถ้าเราแกว่งให้ลูกปิงปองหมุนๆเป็นวง จะมีแรงตึงในเชือกมากขึ้นจนยกขวดขึ้นมาได้ การเคลื่อนที่เป็นวงกลมหรือวงรีจะต้องมีแรงดึงหรือผลักวัตถุเข้าสู่ศูนย์กลาง โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์โคจรรอบโลกก็เหมือนมีเชือกที่มองไม่เห็นเรียกว่าแรงโน้มถ่วงดึงมันเหมือนกัน

ผมเคยบันทึกวิธีการทำของเล่นนี้ไว้ แต่ในคลิปใช้ลูกเทนนิสแทนขวดพลาสติก:

บันทึกกิจกรรมวิทยาศาสตร์สำหรับเด็กๆ อยากให้คุณพ่อคุณแม่คุณครูเอาไปประยุกต์เล่นกับเด็กๆเยอะๆครับ :-)