วันอังคารที่ผ่านมาผมไปทำกิจกรรมวิทยาศาสตร์กับเด็กๆมาครับ เด็กประถมได้ดูวิดีโอภาพลวงตาที่เงาในกระจกไม่เหมือนกับตัวจริงและคำอธิบายว่าทำอย่างไร ได้เห็นการเปลี่ยนความสูงเป็นความเร็ว ได้เล่นปล่อยลูกแก้วในท่อพลาสติกใสๆจากที่สูงเป็นการจำลองรถไฟเหาะตีลังกา เด็กประถมปลายได้เริ่มรู้จักพลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์ เด็กอนุบาลสามได้เล่นลูกบอลที่กระเด้งสูงเกินคาดครับ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ คราวที่แล้วเรื่อง “ทานตะวันหันตามดวงอาทิตย์อย่างไร ไฟฟ้าและความร้อน ของเบาชนะของหนัก” ครับ)

เด็กประถมได้ดูภาพลวงตานี้ครับ เอาวัตถุไปวางหน้ากระจกแต่ภาพสะท้อนในกระจกดูไม่เหมือนวัตถุ:

https://www.youtube.com/watch?v=oWfFco7K9v8%20

ผมให้เด็กๆพยายามเดาเพื่ออธิบายว่ามันเกิดได้อย่างไรครับ เด็กๆสงสัยกระจกว่าเบี้ยวหรือเปล่า มีการตัดต่อวิดีโอหรือเปล่า วัตถุมันนิ่มหรือเปล่า รูปทรงของวัตถุมันบิดเบี้ยวหรือเปล่า

หลังจากเด็กๆได้พยายามคิดคำอธิบายแล้ว ผมก็ให้ดูวิดีโอที่ Captain Disillusion เฉลยไว้ครับ:

ปรากฎว่าวัตถุมีความเบี้ยวๆอยู่แต่ถ้ามองในมุมหนึ่งจะเห็นเป็นเหลี่ยม จากอีกมุมหนึ่งจะเห็นเป็นกลมๆครับ ดูวิดีโอนะครับจะได้เข้าใจ

จากนั้นผมก็ปล่อยลูกบอลต่างๆให้ตกลงสู่พื้น ให้เด็กๆสังเกตว่าตอนแรกลูกบอลอยู่นิ่งๆ แล้วตกลงสู่พื้น แล้วกระเด้งขึ้นมา จนความเร็วลดลงจนขึ้นแล้วค่อยตกลงไปใหม่ ให้สังเกตว่าความสูงที่กระเด้งขึ้นมาน้อยกว่าความสูงที่ปล่อย

สำหรับเด็กประถมปลาย ผมให้รู้จักคำว่าพลังงานศักย์โน้มถ่วง ที่เกิดจากวัตถุที่ดึงดูดกันด้วยแรงโน้มถ่วงแต่วัตถุอยู่ห่างๆกัน ที่ใกล้ๆผิวโลกมีค่าเท่ากับ mgh โดย m คือมวลของวัตถุ g เป็นค่าคงที่ = 9.8 m/s^₂ และ h คือความสูงจากพื้น ให้เด็กๆรู้จักคำว่าพลังงานจลน์ที่เกิดจากการเคลื่อนที่ขยับไปมาของวัตถุ มีค่าเท่ากับ ½ m v² โดย m คือมวลของวัตถุ v คืออัตราเร็วของวัตถุ

พลังงานศักย์โน้มถ่วงเปลี่ยนแปลงไปเป็นพลังงานจลน์ และพลังงานจลน์ก็เปลี่ยนแปลงเป็นพลังงานศักย์ได้ ดังเช่นลูกบอลที่ตอนแรกอยู่เฉยๆในที่สูงมีพลังงานศักย์มากและไม่มีพลังงานจลน์ พอตกลงมาใกล้พื้นพลังงานศักย์ก็ลดลงไปแต่เคลื่อนที่เร็วขึ้นทำให้มีพลังงานจลน์เยอะขึ้น เวลาลูกบอลกระเด้งขึ้นก็กลับกัน พลังงานจลน์จากความเร็วค่อยๆเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์ด้วยความสูง ผมให้เด็กๆเดาว่าทำไมเวลาให้ลูกบอลกระเด้ง มันถึงไม่กระเด้งกลับไปที่ความสูงเดิม เด็กๆก็เดาว่ามีแรงต้านอากาศ ผมเสริมว่าเวลาลูกบอลตกกระทบพื้น มันทำให้พื้นสั่นด้วย พื้นสั่นทำให้อากาศรอบๆสั่นทำให้เราได้ยินเสียงการกระทบด้วย มีการถ่ายทอดพลังงานไปให้พื้น ลูกบอลเลยมีพลังงานลดลง

จากนั้นเราก็เอาของเล่นที่อาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงพลังงานนี้มาเล่นกันครับ เป็นรถไฟเหาะจำลองโดยสมมุติว่าลูกแก้วเป็นรถไฟ และสมมุติว่าท่อน้ำพลาสติกเป็นราง แล้วเราก็ปล่อยลูกแก้วใส่ท่อที่ปลายสูงๆให้ตกลงมามีความเร็วเยอะๆในที่ต่ำๆ แต่ความฝึดและแรงต้านอากาศในท่อทำให้ลูกแก้ววิ่งไม่เร็วสุดๆเท่ากับที่เป็นไปได้ถ้าพลังงานศักย์เปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ทั้งหมดครับ:

ลองหาท่อหาลูกแก้วเล่นที่บ้านดูนะครับ เพลินดี

สำหรับเด็กอนุบาลสามทับหนึ่งผมให้ดูการกระเด้งของลูกบอลที่สูงเกินคาด โดยเอาลูกบอลอย่างน้อยสองลูกมาเรียงกันในแนวดิ่ง ให้ลูกที่เบากว่าอยู่ด้านบน แล้วปล่อยลูกบอลให้ตกลงพื้น จะพบว่าลูกบอลด้านบนสุดกระเด้งไปไปได้สูงหรือไกลกว่าถ้าปล่อยให้กระเด้งเอง ทีละลูกมาก

สาเหตุที่ลูกบอลเบากระเด้งไปได้ไกลก็เพราะว่ามันตกลงไปชนกับลูกบอลข้าง ล่างที่กำลังกระเด้งขึ้นมาพอดีครับ ยิ่งลูกบอลข้างล่างหนักกว่ามัน ลูกบอลเบาก็ยิ่งถูกชนแรงขึ้นด้วย มันจึงกระเด็นไปได้สูงมาก ถ้าต้องการรายละเอียดการคำนวณ ลองไปดูที่นี่นะครับ ผมเคยทดลองและอธิบายเรื่องนี้สำหรับเด็กเล็กๆไว้ที่ช่องเด็กจิ๋ว & ดร.โก้ด้วยครับ: