สังเกตการหมุน, วงโคจรดวงดาว

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆประถมมาครับ เด็กประถมต้นหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายกลทายไพ่ ได้ดูแบบจำลองวงโคจรแบบต่างๆ ให้สังเกตว่าเมื่อดาวหางเข้าใกล้ดวงอาทิตย์มันจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น หรือให้ดวงฤกษ์สองดวงโคจรรอบๆกันมันจะเคลื่อนที่เร็วเมื่อเข้าใกล้กัน เด็กประถมปลายเข้าใจว่าเรื่องนี้เป็นเรื่องเดียวกับเวลาของตกสู่พื้นโลก จากนั้นเด็กๆก็เล่นโดยกลิ้งแม่เหล็กทรงกลมเข้าหากันแล้วเมื่อมันติดกันมันจะหมุนเร็วมาก

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ กิจกรรมประถมคราวที่แล้วเรื่อง “ปืนแม่เหล็ก (GAUSSIAN GUNS)” ครับ ลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กประถมได้ดูมายากลนี้ครับ ดูเฉพาะตอนแรกที่เป็นกล ยังไม่ดูส่วนเฉลยตอนหลัง แล้วดูเฉลยหลังจากได้พยายามคิดพยายามอธิบายว่ากลแต่ละกลทำอย่างไรกันก่อนครับ กลวันนี้คือทายไพ่โดยเอาไฟลวกมือให้พองเป็นตัวอักษรในไพ่:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ครับ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็นครับ

ต่อจากนั้นผมแนะนำให้เด็กๆรู้จักกับเว็บ  My Solar System ซึ่งเป็นที่ทดลองวงโคจรแบบต่างๆที่เราออกแบบเองได้ครับ จะมีการคำนวณตำแหน่งของดาวที่เคลื่อนที่และดึงดูดกันด้วยแรงโน้มถ่วง ถ้ามีโอกาสแนะนำให้เข้าไปเล่นดูครับ หน้าตาจะประมาณนี้ครับ:

เด็กๆสังเกตได้ว่าในวงโคจรรีๆของดาวหางเนี่ย เมื่อดาวหางเข้าใกล้ดวงอาทิตย์มันจะวิ่งเร็วขึ้น เมื่อไกลออกจากดวงอาทิตย์จะวิ่งช้าลง ผมบอกเด็กๆว่ามันเป็นเรื่องเดียวกับเราปล่อยลูกบอลตกพื้น ทั้งดาวหางและลูกบอลต่างก็ “ตก” เข้าสู่ดวงอาทิตย์หรือโลกและเร่งความเร็วด้วยแรงโน้มถ่วง เมื่อดาวหางและลูกบอลวิ่งออกห่างจากดวงอาทิตย์หรือโลกแรงโน้มถ่วงจะเป็นตัวหน่วงความเร็วของมัน ให้สังเกตลูกบอลตกลง เร่งความเร็ว กระทบพื้น กระเด้งขึ้น ความเร็วช้าลงๆจนหยุดแล้วเริ่มตกลงมาใหม่

โดยทั่วไปเมื่อมีของสองสิ่งโคจรรอบกันด้วยแรงดึงดูดระหว่างกัน เมื่ออยู่ห่างกันความเร็วของมันจะช้า เมื่ออยู่ใกล้กันความเร็วมันจะเพิ่มขึ้น เรื่องนี้คือการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม อันเป็นกฏของธรรมชาติที่ว่า “โมเมนตัมเชิงมุม” หรือ “ปริมาณการหมุน” นั้นจะคงที่เสมอถ้าไม่มีใครไปบิดให้การหมุนเปลี่ยนไป ปริมาณการหมุนนั้น เท่ากับผลคูณของ น้ำหนัก (ความจริงคือมวล) กับ ความเร็วในการหมุน กับ ระยะทาง(ที่ตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่)จากจุดหมุน (รายละเอียดพวกนี้ เด็กๆต้องไปศึกษาเพิ่มเติมในวิชาฟิสิกส์ในอนาคตครับ) ถ้าของอะไรบางอย่างกำลังหมุนรอบๆจุดหนึ่งแล้วอยู่ๆระยะทางถึงจุดหมุนลดลง ของนั้นๆก็ต้องหมุนรอบๆจุดหมุนให้เร็วขึ้นเพื่อชดเชยให้ปริมาณการหมุนคงที่ ความจริงข้อนี้เราจะเห็นได้จากนักเล่นสเกตน้ำแข็งที่หมุนตัวเร็วขึ้นเมื่อหุบแขนขา และหมุนช้าลงเมื่อกางแขนกางขา

จากนั้นเด็กๆก็เล่นกลิ้งแม่เหล็กกลมๆเข้าหากัน บางครั้งแม่เหล็กจะดูดติดกันและหมุนอย่างเร็วมากอยู่เป็นเวลาหลายวินาที ตอนแรกลูกบอลแม่เหล็กอยู่ห่างกันและวิ่งเฉียงๆเข้าหากันก็มีปริมาณการหมุนระดับหนึ่ง พอมันเข้ามาติดกันมันต้องหมุนเร็วขึ้นมากๆเพื่อชดเชยระยะห่างที่หดลงและให้คงปริมาณการหมุนเอาไว้  ผมบอกว่าถ้าเราทำการทดลองนี้ในอวกาศที่ไม่มีแรงต้านจากอากาศ และไม่มีความฝืดจากพื้น แม่เหล็กทั้งสองจะหมุนไปเรื่อยๆนานๆ เหมือนกับการที่โลกที่เกิดจากฝุ่นผงที่ดึงดูดมาติดกันแล้วหมุนมาเป็นเวลา 4-5 พันล้านปีแล้ว เหมือนกับดาวต่างๆ ดวงจันทร์ทั้งหลายหมุนรอบตัวไปเรื่อยๆไม่ยอมหยุดเสียที

จากนั้นเด็กๆก็แยกย้ายกันเล่นกันประมาณนี้ครับ:

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.