Category Archives: science toy

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: เริ่มเรื่องสมดุล, ทางช้างเผือก, เรียงของซ้อนกันให้พ้นโต๊ะ

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล ได้ดูรูปและวิดีโอทางช้างเผือก จากนั้นได้เล่นเรียงของต่างๆซ้อนกันให้เหลื่อมมากขึ้นเรื่อยๆจนชิ้นบนสุดอยู่เลยชิ้นล่างสุดครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้มีกลสั้นๆสามกล:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นผมทบทวนเรื่องกาแล็กซีทางช้างเผือกที่เคยคุยกับเด็กๆไป (วิทย์ประถม: ภาพแรกจาก JWST, วัดความถี่เสียงที่หูฟังได้)

เด็กๆได้ดูรูปทางช้างเผือกที่ถ่ายในประเทศไทยโดยคุณมติพล ตั้งมติธรรม:

ภาพจาก https://apod.nasa.gov/apod/ap140212.html ในภาพจะเห็นทางช้างเผือกพาดแนวนอนอยู่ตรงกลาง ดาวตกเป็นเส้นดิ่งด้านบนเยื้องไปทางขวา และใกล้ๆดาวตกจะเห็นจรวด Ariane 5 ที่พึ่งปล่อย

ผมเล่าให้เด็กๆฟังว่าทางช้างเผือกเป็นสิ่งที่เรียกว่ากาแล็กซี มีดาวนับแสนล้านดวงโคจรรอบๆกันอยู่ เราอาจเปรียบเทียบรูปทรงของกาแล็กซีทางช้างเผือกเป็นเหมือนไข่ดาว ตรงไข่แดงคือบริเวณตรงกลางที่มีดาวอยู่กันหนาแน่น ดวงอาทิตย์ของเราซึ่งเป็นดาวฤกษ์ดวงหนึ่งโคจรอยู่ด้านนอกๆแถวๆไข่ขาว ภาพที่ถ่ายด้านบนเหมือนเราอยู่บนไข่ขาวแล้วมองเข้าไปหาไข่แดง 

จุดสว่างๆในภาพข้างบนเป็นดาวฤกษ์ ดาวฤกษ์แต่ละดวงอยู่ห่างกันมาก (แสงซึ่งเคลื่อนที่ได้ 300,000 กิโลเมตรต่อวินาที หรือประมาณ 1 พันล้านกิโลเมตรต่อชั่วโมงต้องใช้เวลาเป็นปีๆที่จะเดินทางจากดาวฤกษ์หนึ่งไปอีกดาวฤกษ์หนึ่ง) แต่เราเห็นว่าอยู่ใกล้กันเพราะดาวทั้งหลายอยู่ไกลจากเรามากๆ

จากนั้นเด็กๆดูคลิปวิดีโอทางช้างเผือกที่ถ่ายทำมาแบบ Time-Lapse คือถ่ายภาพทุกๆหลายนาทีแล้วเอาภาพมาต่อๆกันเป็นวิดีโอเคลื่อนไหว ภาพเหล่านี้ถ่ายด้วยกล้องที่รับแสงเป็นเวลานานทำให้มองเห็นดาวที่ไม่สว่างพอที่เราเห็นด้วยตาเปล่าด้วย:

The Beauty of the Milky Way from Alan Dyer on Vimeo.

ผมบอกเด็กๆว่าจุดสว่างๆแต่ละจุดคือดาวฤกษ์อย่างดวงอาทิตย์เราเลยนะ ทางช้างเผือกหรือ Milky Way Galaxy คือกลุ่มดาวนับแสนล้านดวงวิ่งโคจรรอบๆกันเพราะมันดึงดูดกันด้วยแรงโน้มถ่วง ตรงที่เราเห็นขาวๆพาดเป็นทางคือบริเวณใกล้จุดศูนย์กลางที่ดาวต่างๆโคจรรอบ แถวๆนั้นมีจำนวนดาวมากมายและหนาแน่นและห่างไกลจากเราทำให้เราไม่เห็นดาวแยกเป็นดวงๆ ให้เด็กๆคิดถึงไข่ดาวแบนๆที่มีไข่แดงตรงกลางและมีไข่ขาวรอบๆ พวกเราบนโลกอยู่แถวๆไข่ขาวห่างจากตรงกลางมาสักครึ่งหนึ่งของไข่ขาว บริเวณที่เราอยู่มีดวงดาวไม่หนาแน่นเท่าแถวกลางๆ 

ตำแหน่งดวงอาทิตย์ (Sun) อยู่แถวไหนในทางช้างเผือก (ภาพจาก http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/milkyWay.html)
ตำแหน่งดวงอาทิตย์ (Sun) อยู่แถวไหนในทางช้างเผือก (ภาพจาก http://chandra.harvard.edu/resources/illustrations/milkyWay.html)

ทางช้างเผือกเป็นเพียงกาแล็กซี่อันหนึ่งในนับแสนล้านอันในจักรวาลที่เราสังเกตเห็นครับ

จากนั้นเด็กๆเริ่มเรียนรู้เรื่องสมดุล โดยหัดเอาบล็อกไม้หรือไพ่มาเรียงซ้อนๆกันโดยให้เหลื่อมๆกันจนบล็อกไม้หรือไพ่บนสุดยื่นออกไปจากอันล่างเยอะๆครับ:

จะเห็นได้ว่าชิ้นบนสุดจะเหลื่อมออกมาจากฐานได้เกือบครึ่งความยาว แต่ชิ้นต่อๆไปจะเหลื่อมน้อยลงเรื่อยๆ การวางแบบนี้ทำให้ไม้หรือไพ่แต่ละชิ้นอยู่ใต้จุดศูนย์ถ่วงโดยรวมของไม้หรือไพ่ทั้งหมดที่อยู่ด้านบนของมัน จึงยังทรงตัวอยู่ได้ 

เด็กหัดเล่นกันใหญ่ครับ:

วิธีคำนวณว่าควรจะวางอย่างไรดูได้ในคลิปนี้ครับ (สำหรับม.ปลายหรือมหาวิทยาลัยนะครับ) สรุปก็คือให้วางเหลื่อมกันเป็น 1/2, 1/4, 1/6, 1/8, 1/10, 1/12 … ของความยาวไม้หรือไพ่ครับ: