ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆได้สังเกตเส้นเชือกสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติต่างๆของมัน ได้ช่วยกันสังเกตรูปแบบและความถี่การสั่นเมื่อเชือกถูกถ่วงด้วยน้ำหนักต่างๆ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ โดยดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย อันนี้เรื่องคนที่หายตัวไป:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

ถ้าเรามีคลื่นวิ่งสวนกันอย่างเหมาะสม 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:

ผมทำการทดลองแบบที่เคยบันทึกไว้แล้วในคลิปนี้ครับ (อาจารย์ Tawinan Cheiwchanchamnangij และ Nu Lambda Scientific สนับสนุนให้อุปกรณ์สำหรับสังเกตการสั่นเส้นเชือกมาให้เล่นกันครับ):

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

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทย์โดยพยายามอธิบายมายากล และได้ถ่ายวิดีโอสายน้ำไหลแปลกๆกัน

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ โดยดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย อันนี้เรื่องคนที่ตัวหายไป:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นผมให้ดูวิดีโอปริศนาอันนี้กัน:

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 ผมเคยบันทึกเป็นวิดีโอสรุปไว้ครับ:

ผมมีอีกวิดีโอที่บอกด้วยว่าสายน้ำสั่นที่ความถี่เท่าไร เพื่อจะได้สังเกตว่ากล้องถ่ายแล้วเป็นอย่างไร:

เด็กๆถ่ายและดูวิดีโอด้วยกล้องมือถือและแท็บเบล็ตกันอย่างสนใจครับ:

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทย์โดยพยายามอธิบายมายากล ได้คุยกันเรื่องการสั่นสะเทือนต่อ ได้เล่นกับโคลนแป้งข้าวโพดซึ่งถ้ากดช้าๆมันจะไหลเป็นของเหลวและนิ้วเราจะจมลงไปได้ ถ้ากดแรงๆมันจะแข็งตัวเป็นของแข็งและนิ้วเราจะติดอยู่ที่ผิว เราใช้การสั่นสะเทือนที่ความถึ่เหมาะๆให้โคลนตั้งตัวสูงขึ้นมาครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ โดยดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย อันนี้เรื่องยิงธนูผ่านตัวคน:

และดูกลแรกในคลิปนี้ที่ทำให้เหรียญหายไปครับ:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็นครับ

เราคุยกันเรื่องการสั่นสะเทือนจากลำโพงต่อจากคราวที่แล้ว เสียงสูง=ความถี่การสั่นสูง และเสียงต่ำ=ความถี่การสั่นต่ำ วันนี้เราจะเอาการสั่นสะเทือนที่ความถี่พอเหมาะมาเล่นกับโคลนแป้งข้าวโพดครับ

ผมให้เด็กๆดูรูปวาดโมเลกุลของแป้งจากเว็บนี้ครับ จะเห็นได้ว่าโมเลกุลมีขนาดใหญ่เกิดจากโมเลกุลน้ำตาลกลูโคสมาต่อกันเป็นเส้นยาวๆที่มีขนาดไม่แน่นอนครับ แต่ลักษณะมันจะเป็นเส้นยาวๆ:

แป้งมีอยู่ในอาหารหลายๆชนิดเช่นข้าว ขนมปัง เกี๊ยว เส้นก๊วยเตี๋ยว เวลาเราเคี้ยวข้าวแล้วอมไว้ น้ำย่อยในน้ำลายของเราจะทำให้แป้งบางส่วนแตกตัวเป็นโมเลกุลน้ำตาล ทำให้เรารู้สึกว่ามันหวานขึ้น

เวลาเราเอาแป้งข้าวโพดไปละลายน้ำให้ข้นๆ(เหมือนโคลน) โมเลกุลยาวๆของมันจะลอยอยู่ในน้ำ พันกันยุ่งๆ ไขว้กันไปมา ถ้าเราเอานิ้วหรือช้อนคนช้าๆ โมเลกุลจะมีเวลาค่อยๆขยับผ่านกัน เราจึงไม่รู้สึกถึงแรงต้านมากนัก เหมือนกับคนของเหลวธรรมดา แต่ถ้าเราเอานิ้วหรือช้อนไปคนเร็วๆ โมเลกุลจะไม่มีเวลาขยับผ่านกัน มันจะยังพันกันเกี่ยวกันอยู่ แรงต้านที่นิ้วหรือช้อนจะเยอะมาก เราจะเห็นว่าเจ้าแป้งข้าวโพดละลายน้ำกลายเป็นของแข็งทันทีเมื่อเราไปคนมันเร็วๆ

นอกจากคนน้ำแป้งแล้วเรายังจะสามารถเอานิ้วไปจิ้มๆเร็วๆหรือไปบีบมันเร็วๆ เราจะรู้สึกว่ามันเป็นของแข็ง แต่ถ้าเอานิ้วไปจิ้มช้าๆนิ้วเราจะจมลงไปเหมือนจิ้มนิ้วลงไปในของเหลวหนืดๆ  ถ้าโยนไปมาเร็วๆเจ้าแป้งผสมน้ำนี้ก็จะจับตัวเป็นก้อนแข็ง แต่ถ้าหยุดโยนเมื่อไร มันก็จะเลิกแข็งตัวแล้วไหลเป็นของเหลวหนืดๆอีก ตัวอย่างเช่นในคลิปนี้ครับ:

นอกจากเราจะใช้นิ้วจิ้มแล้ว เรายังให้คลื่นเสียงมาช่วยจิ้มด้วยก็ได้ ถ้าเราเอาถาดพลาสติกบางๆวางไว้บนลำโพง เทโคลนแป้งข้าวโพดลงไป ) แล้วเปิดเสียงที่ความถี่ประมาณ 30-50 Hz ให้แป้งเต้นเป็นสัตว์ประหลาดได้ เพราะจังหวะที่คลื่นเสียงมากระทบโคลนเป็นจังหวะมันทำให้โคลนกลายเป็นของแข็งได้พอสมควร:

ต่อไปนี้คือข้อมูลเพิ่มเติมที่ผมไม่ได้พูดในเวลาเรียนแต่มาเขียนไว้ที่นีเผื่อมีเด็กสนใจนะครับ: 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