วิทย์ประถม: ดูเชือกสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติต่างๆ

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กๆประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆได้สังเกตเส้นเชือกสั่นด้วยความถี่ธรรมชาติต่างๆของมัน ได้ช่วยกันสังเกตรูปแบบและความถี่การสั่นเมื่อเชือกถูกถ่วงด้วยน้ำหนักต่างๆ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ โดยดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย อันนี้เรื่องคนที่หายตัวไป:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

ถ้าเรามีคลื่นวิ่งสวนกันอย่างเหมาะสม ผลลัพธ์จะเป็นคลื่นยืนหรือคลื่นนิ่ง (standing wave) ที่ขยับขึ้นลงอย่างเดียว ไม่วิ่งไปมาครับ:

ถ้าเรามีเส้นเชือกที่ปลายข้างหนึ่งอยู่กับที่ และปลายอีกข้างหนึ่งสั่นเบาๆ คลื่นจะวิ่งจากปลายที่สั่นเบาๆไปถึงอีกปลายหนึ่ง แล้วสะท้อนวิ่งกลับมา ถ้าเราปรับความถี่การสั่นให้พอเหมาะ คลื่นที่วิ่งไปจะรวมกับคลื่นที่สะท้อนกลับมากลายเป็นคลื่นนิ่ง ความถี่ที่ทำให้เกิดคลื่นนิ่งอย่างนี้เป็นความถี่ธรรมชาติอันหนึ่งของเส้นเชือกนั้นๆ

สิ่งต่างๆมีความถี่ธรรมชาติ (natural frequencies) หลายๆความถี่ ถ้าเราสั่นมันด้วยความถี่ธรรมชาติเหล่านั้นมันจะสั่นตามแรงๆจากปรากฏการณ์สั่นพ้อง (resonance)

หน้าตาการสั่นของวัตถุที่ความถี่ธรรมชาติต่างๆก็แตกต่างกันไปตามรูปทรง ขนาด ประเภทวัสดุ วิธีที่เราจับมันไว้ และความถี่ที่สั่น

คราวนี้เด็กๆได้สังเกตการสั่นธรรมชาติของเส้นเชือกที่สองปลายถูกจับไว้ให้ขยับน้อยๆครับ เชือกถูกทำให้สั่นน้อยๆที่ปลายข้างหนึ่งด้วยลำโพงที่ขยับที่ความถี่ต่างๆที่เรากำหนด ถ้าเราขยับเส้นเชือกด้วยความถี่ที่ตรงกับความถี่ธรรมชาติอันใดอันหนึ่งของเส้นเชือก เส้นเชือกจะสั่นตามแรงๆ และมีรูปทรงประมาณนี้ครับ:

ผมทำการทดลองแบบที่เคยบันทึกไว้แล้วในคลิปนี้ครับ (อาจารย์ Tawinan Cheiwchanchamnangij และ Nu Lambda Scientific สนับสนุนให้อุปกรณ์สำหรับสังเกตการสั่นเส้นเชือกมาให้เล่นกันครับ):

ความถี่ธรรมชาติทั้งหลายของเส้นเชือกจะเพิ่มเป็นเท่าๆของความถี่ธรรมชาติที่ต่ำสุดครับ คือจะเป็น 2 เท่า 3 เท่า … ไปเรื่อยๆ ถ้าเชือกตึงมากขึ้น (คือถ่วงด้วยน้ำหนักที่มากขึ้น) ความถี่ธรรมชาติก็จะสูงขึ้น ความถี่ธรรมชาติของเชือกที่ปลายทั้งสองอยู่กับที่ขึ้นกับความยาวของเชือก มวลต่อความยาวเชือก และแรงตึงในเชือก ความสัมพันธ์อยู่ในรูปนี้:

ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ธรรมชาติต่ำสุดของเชือก กับความตึง มวลต่อความยาว และความยาวของเชือกครับ
ความสัมพันธ์ระหว่างความถี่ธรรมชาติต่ำสุดของเชือก กับความตึง มวลต่อความยาว และความยาวของเชือกครับ

Leave a Reply

Your email address will not be published.

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