ผมไปทำกิจกรรมวิทย์พ่อโก้ที่ศูนย์การเรียนปฐมธรรมครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล สัปดาห์นี้เราทำความรู้จักดาวเคราะห์ในระบบสุริยะมากขึ้น ให้เปรียบเทียบขนาดและการหมุนของมัน หลังจากนั้นเด็กๆก็เล่นลูกข่างพลังลมกัน
(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)
ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เป็นกลไม้แขวนเสื้อ:
กิจกรรมหัดอธิบายมายากลนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ
ผมเอาคลิปเปรียบเทียบขนาดดาวเคราะห์และดวงอาทิตย์ให้เด็กๆดู:
จากนั้นก็ให้ดูคลิปเปรียบเทียบการหมุน ทั้งแกนหมุน ทิศทางหมุน และอัตราเร็วการหมุนของดาวเคราะห์ให้เด็กๆสังเกตกัน:
สังเกตกันว่า โลกและดาวอังคารหมุนครบรอบใช้เวลาใกล้เคียงกัน, ดาวศุกร์หมุนหนึ่งรอบใช้เวลา 8 เดือน, ดาวพุธหมุนหนึ่งรอบใช้เวลาสองเดือน, ดาวเคราะห์ใหญ่หมุนเร็วกว่าโลกทั้งนั้น
ดาวเคราะห์แต่ละดวงหมุนรอบตัวเองด้วยความเร็วไม่เท่ากันสามารถอธิบายได้จาก “ประวัติการก่อกำเนิด” และ “แรงต่าง ๆ ที่มากระทำ” ตลอดอายุของระบบสุริยะ ดังนี้ครับ
จุดเริ่มต้น: การก่อตัวจากเมฆก๊าซและฝุ่นที่หมุนอยู่เดิม
ระบบสุริยะเริ่มต้นจาก เมฆก๊าซและฝุ่นขนาดใหญ่ ที่มีการหมุนรอบตัวเองอยู่ก่อนแล้ว
เมื่อเมฆนี้ยุบตัวลงด้วยแรงโน้มถ่วง
- การยุบตัวทำให้ หมุนเร็วขึ้น (หลักการเดียวกับนักสเก็ตน้ำแข็งที่หุบแขนแล้วหมุนเร็วขึ้น)
- ฝุ่นและก้อนวัสดุเล็ก ๆ ค่อย ๆ รวมตัวกันเป็นก้อนใหญ่ขึ้น จนกลายเป็นดาวเคราะห์
อย่างไรก็ตาม ก้อนวัสดุที่รวมตัวเป็นดาวเคราะห์แต่ละดวง
- ไม่ได้เกิดจากบริเวณเดียวกันทั้งหมด
- ได้รับ “โมเมนตัมเชิงมุม” (ปริมาณการหมุน) ไม่เท่ากัน
จึงทำให้ ความเร็วหมุนเริ่มต้นของดาวเคราะห์แต่ละดวงแตกต่างกัน ตั้งแต่ระยะเริ่มต้นของการก่อตัว
การชนปะทะอย่างรุนแรงในระยะแรกของระบบสุริยะ
ในช่วงแรกเริ่มของระบบสุริยะ มีการชนกันระหว่าง
- ก้อนหินขนาดใหญ่
- ดาวเคราะห์น้อย
- วัตถุท้องฟ้าขนาดต่าง ๆ
อย่างต่อเนื่องและรุนแรง การชนแต่ละครั้งสามารถ
- ทำให้ดาวเคราะห์ หมุนเร็วขึ้นหรือช้าลง
- ทำให้ ทิศทางหรือแกนการหมุนเปลี่ยนไป ได้
ตัวอย่างตามแบบจำลองทางดาราศาสตร์:
- โลกอาจเคยถูกวัตถุขนาดประมาณ “ดาวอังคาร” พุ่งชน
เศษที่กระเด็นออกไปอาจรวมตัวกันเป็น ดวงจันทร์
การชนครั้งนั้นย่อมส่งผลต่อ ความเร็วและแนวแกนการหมุนของโลก ด้วย - ดาวศุกร์ซึ่งหมุนช้ามากและหมุนในทิศตรงกันข้ามกับดาวส่วนใหญ่
เป็นไปได้ว่าเคยผ่านการชนที่มีผลทำให้แกนหมุน “พลิกกลับ” และลดความเร็วการหมุนลงอย่างมาก
ดังนั้น ประวัติการชนของดาวเคราะห์แต่ละดวงไม่เหมือนกัน
จึงนำไปสู่ความแตกต่างของความเร็วการหมุนในปัจจุบัน
มวลและโครงสร้างภายในของดาวเคราะห์
ปัจจัยด้าน มวลและการกระจายมวลภายใน ก็มีบทบาทสำคัญ
- ดาวเคราะห์ที่มีมวลมาก หรือมีโครงสร้างภายในแบบชั้นต่าง ๆ (แกนกลาง ชั้นหิน ชั้นก๊าซ ฯลฯ)
จะตอบสนองต่อแรงกระแทกและแรงโน้มถ่วงในลักษณะแตกต่างกัน - การกระจายมวลมีผลต่อ โมเมนต์ความเฉื่อย (ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงความเร็วการหมุน)
ตัวอย่าง:
- ดาวเคราะห์แก๊สยักษ์ เช่น ดาวพฤหัส ดาวเสาร์ ดาวยูเรนัส ดาวเนปจูน
มีการหมุนรอบตัวเองเร็วมาก วันหนึ่งยาวเพียงประมาณ 10 ชั่วโมง (ในกรณีของดาวพฤหัส) - ดาวหินอย่าง ดาวศุกร์ มีการหมุนช้ามาก (ใช้เวลาหมุนรอบตัวเองยาวนานกว่าหนึ่งปีของโลก)
ซึ่งเป็นผลรวมจากโครงสร้างภายใน ประวัติการชน และปัจจัยอื่น ๆ เช่นแรงหน่วงจากบรรยากาศ
แรงน้ำขึ้นน้ำลงจากดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ (Tidal Forces)
แรงน้ำขึ้นน้ำลง (tidal forces) เกิดจากความแตกต่างของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อส่วนต่าง ๆ ของดาวเคราะห์
ไม่เพียงส่งผลต่อมหาสมุทร แต่ยังส่งผลต่อ “ทั้งก้อนดาวเคราะห์” ในระยะยาวด้วย
ผลของแรงนี้คือ
- ค่อย ๆ หน่วงให้การหมุนช้าลง
- หรือค่อย ๆ ทำให้การหมุน สัมพันธ์กับการโคจร (tidal locking)
ตัวอย่าง:
- ดวงจันทร์ของโลก
ปัจจุบันหมุนรอบตัวเองใช้เวลาเท่ากับการโคจรรอบโลกหนึ่งรอบ
ทำให้เราเห็นด้านเดียวของดวงจันทร์ตลอดเวลา นี่เป็นผลจากแรงน้ำขึ้นน้ำลงที่ทำงานมาเป็นเวลายาวนาน - ดาวพุธ อยู่ใกล้ดวงอาทิตย์มาก จึงได้รับแรงน้ำขึ้นน้ำลงรุนแรง
ทำให้การหมุนรอบตัวเอง “ผูก” กับการโคจรรอบดวงอาทิตย์ในอัตราส่วน 3:2
(หมุนรอบตัวเอง 3 รอบ ในเวลาที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ 2 รอบ)
ดาวเคราะห์แต่ละดวงอยู่ห่างจากดวงอาทิตย์ไม่เท่ากัน
มีดวงจันทร์บริวารจำนวนและมวลต่างกัน
จึงได้รับผลจากแรงน้ำขึ้นน้ำลง มาก–น้อยไม่เท่ากัน ส่งผลต่อความเร็วการหมุนที่แตกต่างกัน
บรรยากาศ มหาสมุทร และกระบวนการบนผิวดาว
สำหรับดาวเคราะห์ที่มี
- บรรยากาศหนาแน่น
- มหาสมุทรหรือของไหลบนพื้นผิวจำนวนมาก
การไหลเวียนของอากาศและของเหลวสามารถ แลกเปลี่ยนพลังงานและโมเมนตัมกับการหมุนของดาวเคราะห์ ได้
เช่น บนโลก
- กระแสน้ำในมหาสมุทร
- การไหลเวียนของบรรยากาศ
- การเสียดทานระหว่างชั้นต่าง ๆ ของโลก
ทั้งหมดนี้มีผลเล็กน้อยต่อความเร็วการหมุนของโลก แต่เมื่อสะสมในช่วงเวลายาวนานระดับล้าน–พันล้านปี ก็อาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่วัดได้
ในกรณีของ ดาวศุกร์ ซึ่งมีบรรยากาศหนาแน่นมาก
กระบวนการแลกเปลี่ยนแรงระหว่างบรรยากาศกับพื้นผิวและโครงสร้างภายใน
อาจมีส่วนทำให้การหมุนช้าลงอย่างมากในระยะยาว
สรุปภาพรวม
สรุป ความแตกต่างของความเร็วการหมุนรอบตัวเองของดาวเคราะห์แต่ละดวง
เกิดจากการผสมผสานของปัจจัยหลัก ๆ ดังนี้
- เงื่อนไขเริ่มต้นในการก่อตัว
จากเมฆก๊าซและฝุ่นที่มีการหมุนไม่สม่ำเสมอ ทำให้แต่ละดวงมีโมเมนตัมเชิงมุมเริ่มต้นต่างกัน - ประวัติการชนในช่วงแรกของระบบสุริยะ
การชนด้วยความเร็วสูงจากวัตถุต่าง ๆ ทำให้ความเร็วและทิศทางการหมุนเปลี่ยนไป - มวลและโครงสร้างภายในที่แตกต่างกัน
ส่งผลให้ตอบสนองต่อแรงต่าง ๆ ไม่เหมือนกัน - แรงน้ำขึ้นน้ำลงจากดวงอาทิตย์และดวงจันทร์
ค่อย ๆ ปรับความเร็วและรูปแบบการหมุนตลอดเวลาที่ยาวนาน - บรรยากาศ มหาสมุทร และกระบวนการบนผิวดาว
มีส่วนปรับเปลี่ยนการหมุนอย่างช้า ๆ ในระยะยาว ครับ
มีเด็กประถมปลายจำได้ว่าผมเคยให้ดูคลิปดาวที่ใหญ่กว่าดวงอาทิตย์ของเรามากมายมหาศาล จึงขอให้ผมเอาให้ดูอีก ผมจึงให้ดูคลิปนี้ด้วยครับ:
เวลาที่เหลือ ผมให้เด็กๆเล่นลูกข่างลม โดยลมจะชนกับผิวลูกข่างแล้ววิ่งไปตามร่อง แรงที่ลมผลักลูกข่างอยู่ในทิศทางตรงข้ามกับทิศที่ลมวิ่งออกมา ทิศทางที่ลมวิ่งออกมาทำให้เหมือนกับบิดลูกข่าง ทำให้ลูกข่างหมุนครับ:
