ตัวอย่างกิจกรรม ของเล่นและกฏเกณฑ์ธรรมชาติ

ข้อมูลเกี่ยวกับผมและวิทย์พ่อโก้ครับ:

ตัวอย่างกิจกรรม:

เมฆในขวด: หลักการทำงานก็คือเมื่อเราอัดอากาศให้มีความดันเพิ่มขึ้น อุณหภูมิอากาศจะสูงขึ้น ในทางกลับกัน ถ้าเราให้อากาศขยายตัว อุณหภูมิของมันก็จะต่ำลง ถ้าเราสามารถให้อากาศขยายตัวอย่างรวดเร็วให้ความดันลดอย่างรวดเร็ว อุณหภูมิมันก็จะลดลงอย่างรวดเร็วเช่นกัน

ใช้หลักการที่ว่าอากาศขยายตัวจะเย็นมาสร้างเมฆในขวด โดยเอาน้ำหรือแอลกอฮอล์ใส่ขวดใส อัดอากาศเข้าไปให้ความดันสูงๆ อุณหภูมิในขวดก็จะสูงขึ้นด้วยตามความดันทำให้มีน้ำหรือแอลกอฮอล์ระเหยเป็นไอมากขึ้น เมื่อเปิดปากขวดให้อากาศวิ่งออกอย่างรวดเร็ว ความดันข้างในก็จะลดลง อุณหภูมิก็ลดลงอย่างรวดเร็วด้วย ไอน้ำหรือไอแอลกอฮอล์ก็จะควบแน่นกลายเป็นละอองเล็กๆลอยอยู่ในขวด เป็นเมฆหมอกให้เราเห็น เมฆในท้องฟ้าก็เกิดแบบประมาณนี้ โดยไอน้ำลอยขึ้นไปสูงๆแล้วเย็นลงควบแน่นเป็นเมฆครับ ตอนอัดอากาศและตอนปล่อยอากาศเราลองวัดอุณหภูมิด้วยเทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดด้วย พบว่าอุณหภูมิต่างกันประมาณ 4-7 องศาเซลเซียส

วิธีทำด้วยน้ำหรือน้ำเย็น: https://youtu.be/FPkUwehSZww

วิธีทำด้วยแอลกอฮอล์: https://youtu.be/fVlqh9VJTow

เปรียบเทียบวิธีทำด้วยน้ำ แอลกอฮอล์ และขวดเปล่า: https://youtu.be/KyJEom5Gkas

เผาเหล็ก: ใช้เหล็กเก็บพลังงานหมุนเวียน

ถ้าเหล็กอยู่ในรูปทรงที่มีพื้นที่ผิวมากๆเช่นผงหรือเส้น จะสามารถรวมตัวกับออกซิเจนเกิดการเผาไหม้ให้อุณหภูมิสูงเป็นเชื้อเพลิงได้ เมื่อเผาไหม้เสร็จจะได้สนิม ซึ่งสามารถนำพลังงานหมุนเวียนเช่นจากลมหรือแสงแดดมาแยกสนิมให้เป็นเหล็กและออกซิเจน แล้วนำเหล็กมาเป็นเชื้อเพลิงอีกได้

เหล็กทำหน้าที่เก็บพลังงานหมุนเวียนให้อยู่ในรูปที่นำมาใช้ได้ เป็นแหล่งเก็บพลังงาน ทำนองเดียวกับเป็นแบ็ตเตอรี่แบบหนึ่ง

โฮโมโพลาร์มอเตอร์: ทำมอเตอร์แบบที่ง่ายที่สุดเรียกว่าโฮโมโพล่าร์มอเตอร์ อุปกรณ์ก็มีเพียง ถ่านไฟฉาย ตะปูเกลียว แม่เหล็กที่เป็นจานกลมๆหรือทรงกระบอกกลม และฟอยล์อลูมิเนียมครับ

นอกจากตะปูเกลียวแล้ว เรายังใช้ลวดเหล็กมาดัดเป็นรูปทรงต่างๆแทนก็ได้

Gravity Golf: เล่นรถไฟเหาะตีลังกา หรือถ้ามีเป้าก็เรียกว่า Gravity Golf

เอาสายพลาสติกใสมาสมมุติว่าเป็นราง เอาลูกแก้วมาสมมุติว่าเป็นรถไฟ แล้วปล่อยลูกแก้วในสายพลาสติกจากที่สูงๆ เด็กๆสังเกตว่าลูกแก้วจะมีความเร็วเพิ่มขึ้นเมื่อตกลงสู่ที่ต่ำ เป็นการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์โน้มถ่วงเป็นพลังงานจลน์ (ผมเคยบันทึกคำอธิบายที่ละเอียดขึ้นอยู่ที่ https://witpoko.com/?p=2465 ครับ)

Trick Shot ลูกแก้ว (เล็งให้ชนเป้าลูกแก้วสีดำๆเสมอ): เราอาศัยปรากฏการณ์ที่เมื่อมีวัตถุทรงกลมแข็งผิวเรียบ (เช่นลูกแก้ว) ขนาดเท่าๆกันสองลูกวางติดกันอยู่ ถ้ามีอะไรมาชนลูกใดลูกหนึ่ง อีกลูกจะกระเด็นออกไปในแนวเส้นตรงที่ลากผ่านจุดศูนย์กลางของทรงกลมทั้งสองลูก ดังนั้นถ้าเราเรียงแนวเส้นตรงที่ผ่านจุดศูนย์กลางของลูกบอลแต่ละคู่ เราสามารถบังคับทิศทางการกระเด้งไปที่เป้าที่เราต้องการได้ง่ายๆ ไม่จำเป็นต้องเล็งอะไรมากมาย ตราบใดที่มีการชนที่แรงมากพอ

เล่นหยอดเหรียญให้น้ำโป่งเหนือขอบภาชนะ (แรงตึงผิว): เริ่มด้วยเติมน้ำให้ถึงขอบด้านบนแต่ไม่ล้นออกมาแล้วค่อยๆหยอดเหรียญลงไปเรื่อยๆ น้ำจะไม่ล้นออกทันทีเพราะมีแรงตึงผิวดึงไว้

ถ้ามีภาชนะเหมือนๆกันหลายอันก็สามารถแข่งขันกันว่าใครสามารถหยอดเหรียญได้มากที่สุดก่อนที่จะมีน้ำหกออกมา

แรงตึงผิวเกิดจากการที่โมเลกุลของน้ำ(และของเหลวอื่นๆ) อยากจะอยู่ใกล้ๆกันไว้ ไม่อยากแยกจากกัน ทำให้ดึงตัวเข้าหากันให้มีพื้นที่ผิวน้อยๆ หรือพอมีอะไรมากดที่ผิว น้ำก็ไม่อยากแยกออกจากกันจึงมีแรงยกของที่มากด แต่ถ้าแรงกดมากเกินไปผิวของน้ำก็รับน้ำหนักไม่ไหวเหมือนกัน

เรามีสารเคมีที่ลดแรงตึงผิวของน้ำได้ ที่เรารู้จักกันดีก็คือสบู่ ผมซักฟอก และน้ำยาล้างจานนั่นเอง โมเลกุลของสารพวกนี้จะเป็นแท่งยาวๆที่ด้านหนึ่งชอบจับกับน้ำ อีกด้านหนึ่งชอบจับกับน้ำมัน มันจึงใช้ล้างจานมันๆได้ดีเพราะด้านที่ชอบจับน้ำมันจะไปล้อมโมเลกุลน้ำมันไว้ แล้วพอเราเอาน้ำราด ด้านที่ชอบจับกับน้ำก็จะติดกับน้ำหลุดจากจานไป นอกจากนี้เมื่อสารพวกนี้ละลายเข้าไปในน้ำแล้วโมเลกุลของมันจะไปจับโมเลกุลน้ำ ทำให้โมเลกุลน้ำจับมือกับโมเลกุลน้ำอื่นๆยากขึ้น แรงตึงผิวของน้ำจึงลดลง

เป่าลมแบบไหนให้มีปริมาณลมเยอะกว่ากัน: กระแสลมความเร็วสูงจะดึงเอาลมรอบๆให้วิ่งตามมาด้วย หลักการนี้ใช้ประโยชน์ได้ในสถานการณ์ที่เราต้องการเป่าลมเข้าไปในห้องเยอะๆ (เช่นเวลาไล่ควัน หรือกลิ่นเหม็นๆ) แทนที่เราจะเอาพัดลมไปจ่อติดกับประตูหรือหน้าต่างเลย เราควรเว้นระยะสักหน่อย (เช่นสักหนึ่งฟุตถึงไม่กี่เมตร) เพื่อให้กระแสลมจากพัดลมดึงเอาอากาศรอบๆให้วิ่งเข้ามาร่วมวงด้วย

แบบจำลองชักโครก: ชักโครกเป็นกาลักน้ำแบบหนึ่ง

ยกของด้วยความดันอากาศ: เป่าลมใส่ถุงจะมีแรงยกมากกว่าเราคาดคิด

ถุงลมยกน้ำหนักมากๆได้ก็เพราะว่าขนาดพื้นที่ของถุงมีขนาดใหญ่พอ เมื่อเป่าลมเข้าไปทำให้ถุงมีความดันอากาศ ผิวของถุงก็ช่วยกันพยุงน้ำหนักที่กดทับอยู่ ยิ่งถุงใหญ่เท่าไร (และถ้าวัสดุของถุงมีความทนทานพอ ไม่แตกหรือรั่วเสียก่อน) ถุงก็จะสามารถยกน้ำหนักได้มากขึ้นเท่านั้น (แต่ก็ต้องแลกด้วยปริมาณอากาศที่ต้องเป่าเข้าไปมากขึ้นเมื่อเทียบกับถุงเล็ก) น้ำหนักที่ยกได้เท่ากับพื้นที่คูณกับความดันอากาศนั่นเอง

หลักการนี้เป็นหลักการเดียวกับการทำงานของยางรถยนต์ ยางรถมีความทนทานมากสามารถอัดอากาศความดันสูงๆเข้าไปได้เยอะๆ ทำให้ยางสามารถรับน้ำหนักรถเป็นตันๆได้ครับ

เล่นกับความเฉื่อย: สำหรับกลความเฉื่อยของเหรียญ เราเอากระดาษขนาดแบ็งค์ยี่สิบมาวางบนปากขวดแก้ว แล้วเอาเหรียญสักสองสามเหรียญทับไว้ แล้วให้เด็กๆพยายามเอากระดาษออกมาโดยไม่จับเหรียญ และให้เหรียญอยู่บนขวดเหมือนเดิมครับ

เฉลยคือ เราเอานิ้วชี้และนิ้วกลางไปแตะน้ำให้ชื้นๆนิดหน่อย แล้วใช้สองนิ้วนั้นตีเร็วๆที่กระดาษ กระดาษจะติดนิ้วออกมาอย่างรวดเร็ว แต่เหรียญมีความเฉื่อยอยู่ไม่อยากขยับไปไหน จึงอยู่ที่ปากขวดเหมือนเดิม

อีกการทดลองหนึ่งก็คือก็เอากระดาษแข็งหรือไม้ไอติมไปวางปิดปากถ้วยพลาสติก แล้วเอาเหรียญไปวางไว้ข้างบน ถ้าเราเคาะหรือดีดกระดาษแข็งในแนวนอน เหรียญก็จะไม่ค่อยขยับ ถ้าจะขยับนิดหน่อยก็เพราะความฝืดจากกระดาษ ถ้าเราดีดกระดาษแข็งเร็วพอ กระดาษก็จะกระเด็นไป ขณะที่เหรียญตั้งอยู่ที่เดิม แล้วก็ตกลงไปในถ้วย ถ้าเราเลื่อนกระดาษช้าๆ แรงเสียดทานจากกระดาษก็จะเพียงพอที่จะลากเหรียญไปด้วย แต่เมื่อเราดีดกระดาษออกไปอย่างรวดเร็ว แรงเสียดทานจากกระดาษไม่เพียงพอที่จะพาเหรียญให้ติดไปกับกระดาษได้ เหรียญจึงอยู่เกือบๆที่เดิม และเมื่อไม่มีกระดาษรองอยู่ โลกก็ดึงดูดเหรียญให้ตกลงไปในถ้วย

น้ำพุโซ่: เราเอาโซ่เล็กๆมาใส่ถ้วยแล้วปล่อยให้ปลายข้างหนึ่งตกลง ปลายที่ตกจะตกเร็วขึ้นจากแรงโน้มถ่วงของโลก เมื่อเร็วพอมันจะดึงให้โซ่ที่เหลือในถ้วยวิ่งออกจากถ้วยด้วยความเร็วสูง โซ่ที่วิ่งขึ้นจะพุ่งไปสูงกว่าขอบถ้วยก่อนจะเลี้ยวตกลงสู่พื้น

นักวิทยาศาสตร์อธิบายว่าน้ำพุโซ่ทำงานอย่างไร เปเปอร์อยู่ที่ https://royalsocietypublishing.org/doi/full/10.1098/rspa.2013.0689 พบว่าแต่ละปล้องของโซ่จะต้องบิดและดีดตัวมันขึ้นมาจากพื้นด้วยถึงจะเกิดปรากฎการณ์นี้ได้ เชือกนิ่มๆจะไม่สามารถพุ่งขึ้นมาเป็นน้ำพุได้แต่โซ่ที่แต่ละปล้องสามารถประมาณได้ด้วยแท่งตรงๆสั้นๆจะพุ่งขึ้นมาเป็นน้ำพุได้

รูปทรงทำจากกระดาษตกผ่านอากาศ: ถ้าไม่มีแรงต้านอากาศ ของแถวๆผิวโลกจะตกจากที่สูงระดับเดียวกันถึงพื้นโลกพร้อมๆกัน

เช่นในตำนานที่กาลิเลโอปล่อยลูกเหล็กใหญ่และเล็กจากหอเอนปิซ่า แรงต้านอากาศน้อยมากเมื่อเทียบกับน้ำหนัก แรงต้านอากาศมีผลน้อยมาก ลูกเหล็กทั้งสองเลยตกถึงพื้นพร้อมกัน

สาเหตุที่เป็นอย่างนี้ก็เพราะแรงทั้งหมดที่กระทำต่อสิ่งของคือแรงโน้มถ่วงซึ่งแปรผันตรงกับมวล ดังนั้นอัตราการเปลี่ยนแปลงความเร็ว (=ความเร่ง) จึงไม่ขึ้นกับมวลของสิ่งของที่ตกด้วยกฏ F = mg = ma ของนิวตัน

ในสถานการณ์ที่แรงต้านอากาศมีผลกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ ถ้าเราสามารถทำให้แรงต้านอากาศแปรผันตรงกับมวลของวัตถุได้ วัตถุเหล่านั้นก็จะตกลงมาถึงพื้นพร้อมๆกันไม่ว่ามันจะใหญ่หรือเล็กตราบใดที่มันมีรูปทรงเดียวกัน (ปกติแรงต้านอากาศไม่แปรผันตรงกับมวลของวัตถุ แต่จะขึ้นกับรูปทรง ความเร็ว และพื้นที่หน้าตัดของวัตถุ)

เราสามารถทำอย่างนั้นได้โดยสร้างรูปทรงจากกระดาษหรือวัสดุบางๆ เพราะถ้ากระดาษมีขนาด L มวลของสิ่งของจะโตตามพื้นที่ซึ่งแปรผันตรงกับ L ยกกำลัง 2 รูปทรงจะมีพื้นที่หน้าตัดตอนตกผ่านอากาศที่แปรผันตรงกับ L ยกกำลัง 2 และแรงต้านอากาศก็จะแปรผันตรงกับ L ยกกำลัง 2 ด้วย ทำให้แรงต้านอากาศแปรผันตรงกับมวล รูปทรงแบบเดียวกันที่ทำจากกระดาษประเภทเดียวกันจึงตกผ่านอากาศเหมือนๆกัน ความเร่งที่เวลาต่างๆเหมือนกัน ความเร็วที่เวลาต่างๆเหมือนกัน มันจึงตกพื้นพร้อมกัน

ในอดีตเราปล่อยกรวยกระดาษ (https://youtu.be/8tuKvSFma-I) คราวนี้เราจะลองลูกบอลกระดาษและลูกบาศก์กระดาษกันดูครับ

อันนี้กรวยกระดาษครับ:

เหวี่ยงถาดน้ำไม่หกด้วยแรงโน้มถ่วงเทียม: สาเหตุที่น้ำไม่หกออกมาก็เพราะว่าการที่เราแกว่งแก้วไปมาอย่างนั้น ก้นแก้วจะเป็นตัวบังคับไม่ให้น้ำเคลื่อนที่ไปอย่างอิสระออกไปจากวงหมุน (เนื่องจากน้ำมีความเฉื่อย เมื่อมันเคลื่อนที่อย่างไรมันก็จะอยากเคลื่อนที่ไปอย่างเดิมด้วยความเร็วเดิม จนกระทั่งมีแรงมากระทำกับมัน ถ้าไม่มีก้นแก้วมาบังคับ น้ำก็จะกระเด็นไปในแนวเฉียดไปกับวงกลมที่เราแกว่งอยู่) ผลของการที่ก้นแก้วบังคับน้ำให้เคลื่อนที่เป็นวงกลมก็คือดูเหมือนมีแรงเทียมๆอันหนึ่งดูดน้ำให้ติดกับก้นแก้ว ทำหน้าที่เปรียบเสมือนแรงโน้มถ่วง เราเลยเรียกมันว่าแรงโน้มถ่วงเทียม

ของเล่นนักดำน้ำ (Cartesian Diver): เราอาศัยหลักการที่ว่าแรงลอยตัวที่พยุงสิ่งที่จุ่มอยู่ในน้ำเท่ากับน้ำหนักของน้ำที่ถูกแทนที่ ถ้าเปลี่ยนปริมาตรที่น้ำถูกแทนที่ แรงลอยตัวก็จะเปลี่ยน ของเล่นนี้มีก้อนอากาศอยู่ข้างใน ถ้าบีบขวดให้ความดันข้างในเพิ่มขึ้น ก้อนอากาศจะเล็กลง ทำให้ปริมาตรน้ำที่ถูกอากาศแทนที่มีขนาดเล็กลง ทำให้แรงลอยตัวลดลง ของเล่นจึงจมน้ำ เมื่อเลิกบีบขวด ความดันข้างในลดลง ก้อนอากาศใหญ่ขึ้น ทำให้ปริมาตรน้ำที่ถูกแทนที่มากขึ้น ทำให้แรงลอยตัวมากขึ้น ของเล่นจึงลอยน้ำ

ขดลวด + แม่เหล็ก = ไฟฟ้า: กฏธรรมชาติข้อหนึ่งก็คือ ถ้ามีขดลวดและแม่เหล็กมาอยู่ใกล้กัน และมีการเคลื่อนไหวของขดลวด หรือแม่เหล็ก หรือทั้งสองอย่าง ก็จะมีกระแสไฟฟ้าไหลในขดลวด กฏข้อนี้เราจะสามารถเห็นได้ในอุปกรณ์หลายๆอย่าง เช่น เครื่องปั่นไฟ ไมโครโฟน เตาแม่เหล็กเหนี่ยวนำ หัวอ่านแผ่นเสียง หัวอ่านข้อมูลใน Harddisk ฯลฯ

ลูกโป่งใหญ่ vs ลูกโป่งเล็ก: เอาลูกโป่งใหญ่มาต่อกับลูกโป่งเล็ก ลูกไหนจะใหญ่ขึ้นเอ่ย

น้ำเดือดที่อุณหภูมิต่ำในสุญญากาศ: ปกติน้ำจะเดือดที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียส แต่ถ้าเราอยู่ในที่ความดันอากาศต่ำๆ น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิน้อยกว่า 100 องศา ถ้าความดันต่ำใกล้ๆสุญญากาศ น้ำจะเดือดที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100 มาก ในการทดลองนี้เราสร้างความดันต่ำในหลอดฉีดยาแล้วสังเกตน้ำในหลอดฉีดยาเดือดกลายเป็นไอ

Leave a Reply

Your email address will not be published.

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