ผมไปทำกิจกรรมวิทย์พ่อโก้ที่ศูนย์การเรียนปฐมธรรมครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล สัปดาห์นี้เราคุยกันต่อเรื่องระบบสุริยะ เรามาดูกันว่าแรงดึงดูดและความเร็วทำให้เกิดวงโคจรอย่างไร และทดลองกลิ้งลูกเหล็กด้วยความเร็วต่างๆใกล้ๆแม่เหล็กให้เห็นการเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่
(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)
ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เป็นกลผ้าในลูกโป่ง:
กิจกรรมหัดอธิบายมายากลนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ
สัปดาห์นี้เราคุยเรื่องระบบสุริยะต่อ คราวนี้คือวงโคจรมันเกิดได้ยังไง
ผมเล่าให้เด็กๆฟังว่าสิ่งของทุกอย่างมันดึงดูดกันอยู่ด้วยสิ่งที่เรียกว่าแรงโน้มถ่วง ของที่ใหญ่ๆ (จริงๆคือมีมวลมาก) ก็ยิ่งดึงดูดของอื่นๆด้วยมาก พวกเราทุกคนในห้องก็ดึงดูดกันอยู่แต่แรงมันน้อย ถ้าจะให้รู้สึกคือเรารู้สึกได้ถึงแรงดูดจากโลกทั้งลูกซึ่งก็คือน้ำหนักของเรานั่นเอง แรงดึงดูดนี้ทำให้สิ่งของต่างๆเคลื่อนที่หรือตกเข้าหากัน เช่นถ้าเรากระโดด เราก็จะตกลงสู่พื้นโลกเพราะแรงดึงดูดของโลก เวลาเราปล่อยของจากมือ ของก็ตกลงสู่พื้นโลกเพราะแรงดึงดูดของโลก
ดวงจันทร์ที่โคจรรอบโลกก็เพราะแรงโน้มถ่วงเหมือนกัน ถ้าไม่มีแรงโน้มถ่วง ดวงจันทร์ก็จะวิ่งเป็นเส้นตรงไปเรื่อยๆ แต่แรงโน้มถ่วงจะดึงให้ดวงจันทร์ตกเข้าสู่โลก ทำให้ทิศทางการเคลื่อนที่โค้งเข้ามา ความเร็วของดวงจันทร์มีขนาดและทิศทางพอดีที่ทำให้มันเคลื่อนที่ไปรอบๆโลกได้เมื่อแรงโน้มถ่วงจากโลกดูดให้มันตกเข้าสู่โลก
เพื่อให้เห็นภาพชัดขึ้น ลองจินตนาการว่าเราขึ้นไปบนยอดเขาที่สูงเสียดฟ้า สูงจนพ้นชั้นบรรยากาศ แล้วเรามีปืนใหญ่กระบอกยักษ์ตั้งอยู่
- ถ้าเรายิงลูกปืนออกไปเบาๆ ลูกปืนก็จะพุ่งไปข้างหน้า แล้วค่อยๆ โค้งตกลงพื้นไม่ไกลจากตีนเขา
- ถ้าเราใส่ดินปืนเพิ่ม แล้วยิงให้แรงขึ้น ลูกปืนก็จะพุ่งไปได้ไกลขึ้นอีก เส้นโค้งตอนตกลงมาก็จะยาวขึ้น
- ทีนี้ ความลับมันอยู่ที่ ‘ความโค้งของโลก’ ครับ ถ้าเรายิงลูกปืนด้วยความเร็วที่เร็วมากๆ (แบบที่เร็วพอดีเป๊ะ) จนกระทั่งความโค้งที่ลูกปืนตกลงมาเท่ากับความโค้งของผิวโลกที่หนีห่างออกไปพอดี
ผลที่ได้ก็คือ ลูกปืนจะพยายามตกลงสู่พื้น แต่พื้นโลกก็โค้งหนีลูกปืนไปเรื่อยๆ กลายเป็นว่าลูกปืนนั้นกำลัง ‘ตกรอบโลก’ วนไปเป็นวงกลมเรื่อยๆ โดยไม่ตกถึงพื้นสักที
นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นกับดวงจันทร์ มันคือลูกกระสุนปืนใหญ่ที่กำลัง ‘ตกใส่โลกตลอดเวลา แต่พลาดเป้าตลอดเวลา’ เพราะมันมีความเร็วในแนวราบที่มากพอดีนั่นเองครับ
และนี่ไม่ใช่เรื่องของดวงจันทร์แค่ดวงเดียว แต่เป็นกฎของทั้งจักรวาลเลย!
ลองมองออกไปให้ไกลกว่านั้นจะพบว่า
- โลกของเราและดาวเคราะห์ทุกดวง: ก็เปรียบเสมือนลูกปืนใหญ่ที่กำลัง ‘ตกรอบดวงอาทิตย์’ อยู่ตลอดเวลาเหมือนกัน แรงดึงดูดมหาศาลของดวงอาทิตย์ดึงเราไว้ ส่วนเราก็มีความเร็วที่วิ่งหนี ทำให้เราโคจรเป็นวงรี
- ดวงจันทร์บริวาร: ดาวเคราะห์ดวงอื่น ๆ อย่างดาวพฤหัสบดี หรือดาวเสาร์ ก็มีดวงจันทร์บริวารนับร้อยดวงที่กำลัง ‘ตก’ รอบ ๆ พวกมันอยู่เช่นกัน
- กาแล็กซีทางช้างเผือก: แม้แต่ดวงอาทิตย์ของเราเอง ก็ไม่ได้อยู่นิ่งๆ ดวงอาทิตย์พร้อมกับเพื่อนดาวฤกษ์อีกนับแสนล้านดวง ก็กำลังเคลื่อนที่หมุนวน ‘ตกรอบหลุมดำยักษ์’ ที่ใจกลางกาแล็กซีของเราด้วย
สรุปแล้ว ทุกอย่างในอวกาศต่างก็กำลังดึงดูดกัน และเคลื่อนที่โคจรรอบกันและกัน เป็นเหมือน การเต้นรำวงใหญ่ของจักรวาลที่ไม่มีวันสิ้นสุด โดยมีแรงโน้มถ่วงคอยควบคุมอยู่นั่นเอง
ผมมีโปรแกรมจำลองการโคจรต่างๆด้วยแรงโน้มถ่วงครับ จึงเอามาเล่นให้เด็กๆดู
โปรแกรมทั้งสี่มีดังนี้:
1. วงโคจรของมวลสองมวลที่ดึงดูดกันด้วยแรงโน้มถ่วง: https://witpoko.com/p/2-body-gravity.html
2. วงโคจรของมวลสามมวลที่ดึงดูดกันด้วยแรงโน้มถ่วง (Three-Body Problem): https://witpoko.com/p/3-body-gravity.html
3. วงโคจรของดาวหาง (สมมุติว่าดาวหางไม่ดึงดูดกันเอง): https://witpoko.com/p/comets-gravity.html
4. วงโคจรของดาวเคราะห์ (ทุกดาวดึงดูดกัน): https://witpoko.com/p/planets-gravity.html
เชิญลองเล่นดู จะมีปุ่ม “วิธีเล่น” อธิบายว่าจะเริ่มอย่างไร อย่าลืมดูข้อสมมติฐานของการจำลองข้างใต้อนิเมชันนะครับ
ลองเปลี่ยนค่าเริ่มต้นต่างๆดู จะมีอะไรสวยๆ แปลกๆให้ดูเยอะเลยครับ
เพื่อให้เด็กๆเห็นว่าแรงดึงดูดทำให้เกิดการเลี้ยวโค้งอย่างไร ผมให้เด็กๆปล่อยลูกเหล็กบนรางด้วยความชันต่างๆ ให้วิ่งผ่านแม่เหล็ก ให้เด็กๆปรับความเร็วและความใกล้และให้สังเกตการเลี้ยวของลูกเหล็กครับ:
