ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล ได้คุยกันเรื่องแรงลอยตัว และดัดแปลงของเล่นนักดำน้ำ (Cartesian Diver) จากสัปดาห์ที่แล้วให้หมุนขณะเคลื่อนที่ขึ้นลง

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เป็นกลสลับตัวครับ:

กิจกรรมหัดอธิบายมายากลนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

วันนี้เราคุยกันเรื่องแรงลอยตัว เพราะเป็นหลักการที่เกี่ยวข้องกับการประดิษฐ์ของเล่นสัปดาห์ที่แล้ว

เด็กๆก็ผลัดกันกดขวดพลาสติกขนาดใหญ่ปิดฝา เปรียบเทียบกับขวดขนาดเล็กปิดฝา ว่าแบบไหนกดให้จมน้ำยากกว่ากัน ให้เด็กๆรู้สึกกับตัวเองว่าขวดใหญ่กดให้จมยากกว่า

เมื่อเราจุ่มหรือกดวัตถุต่างๆลงไปในน้ำ น้ำจะออกแรงยกของเหล่านั้น เราเรียกแรงยกนี้ว่าแรงลอยตัวจากน้ำ กฏเกณฑ์ธรรมชาติเกี่ยวกับการลอย/จมในของเหลวนี้ถูกค้นพบโดยอาคิมีดีสเมื่อ สองพันกว่าปีมาแล้ว เขาเขียนไว้ว่าของที่จุ่มไปในของเหลว (ไม่ว่าจะจุ่มลงไปนิดเดียวหรือจุ่มลงไป มิดเลย) จะมีแรงลอยตัวที่ของเหลวออกแรงดันขึ้น โดยแรงนี้จะมีขนาดเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่ครับ

เมื่อเปรียบเทียบการกดขวดใหญ่และขวดเล็กลงไปในน้ำ เมื่อเรากดขวดลงไปในน้ำ ปริมาณน้ำที่ถูกแทนที่จะเท่ากับขนาดของขวดที่จมลงในน้ำ ขวดใหญ่แทนที่น้ำมากกว่า แรงลอยตัวซึ่งเท่ากับน้ำหนักน้ำที่ถูกแทนที่จึงมากกว่าเมื่อเรากดขวดใหญ่ลงไปในน้ำเมื่อเทียบกับขวดเล็ก

หลักการเดียวกันนี้พบได้ในสิ่งต่างๆที่ต้องปรับการจมการลอยน้ำครับ เช่นเรือดำน้ำจะมีบริเวณภายในที่สามารถปล่อยให้น้ำเข้ามาหรือผลักดันน้ำออกไปทำให้สามารถจมและลอยได้ ปลาหลายๆชนิดก็มีอวัยวะที่เรียกว่ากระเพาะปลา ซึ่งเป็นถุงลม (ไม่ได้ใช้ย่อยอาหาร) ที่ปลาจะปล่อยแก๊สเข้าไปเพื่อปรับระดับการลอยตัวครับ

ภาพที่แสดงว่าแรงลอยตัวในน้ำเท่ากับน้ำหนักของน้ำที่ถูกแทนที่อาจแสดงได้แบบประมาณนี้ครับ:

พยายามหาแก้วพลาสติกที่บางและเบามากๆมาใส่น้ำเต็มให้ลอยปริ่มๆผิวน้ำ ในสถานการณ์ที่น้ำนิ่ง น้ำที่อยู่ในแก้วมันต้องถูกน้ำนอกแก้วดันไว้ทำให้น้ำทุกส่วนไม่ขยับเลย

แปลว่าแรงที่น้ำนอกแก้วดันน้ำในแก้วต้องเท่ากับน้ำหนักน้ำในแก้วพอดี จะได้พยุงน้ำหนักพอดี จากนั้นก็จินตนาการให้แก้วมันเปลี่ยนรูปร่างเป็นรูปอะไรก็ได้และบางขึ้นบางขึ้นจนหายไป น้ำก็ยังอยู่นิ่งๆ แสดงว่าไม่ว่าหั่นน้ำเป็นช้ินยังไงก็ตาม แรงลอยตัวที่น้ำส่วนอื่นๆดันน้ำชิ้นนั้นๆต้องเท่ากับน้ำหนักของน้ำชิ้นนั้นๆครับ ต่อไปถ้าเราจินตนาการว่าเราดูดน้ำในแก้วออกให้หมดแต่ให้แก้วอยู่ที่เดิม น้ำนอกแก้วก็ไม่รู้ว่าน้ำในแก้วหายไป มันก็ยังผลักด้วยแรงลอยตัวเท่ากับน้ำหนักของน้ำที่เคยอยู่ในแก้วนั่นแหละ หลักการนี้จึงอธิบายว่าถ้าเอาของอะไรไปจุ่มในน้ำ แทนที่น้ำไปส่วนหนึ่ง แรงลอยตัวของน้ำที่ดันของนั้นๆขึ้นก็เท่ากับน้ำหนักของน้ำที่ถูกแทนที่ไปด้วยปริมาตรของของที่จุ่มนั่นเอง

สำหรับเวลาที่เหลือ เด็กๆดัดแปลงของเล่นนักดำน้ำจากสัปดาห์ที่แล้วให้มันหมุนได้ขณะเคลื่อนที่ขึ้นลงครับ ทำโดยบีบดินน้ำมันให้มีหน้าตาเป็นใบพัด หรือตัดหลอดพลาสติกมาติดเป็นใบพัดกันครับ

บรรยากาศกิจกรรมเป็นดังนี้:

วิธีทำของเล่นนักดำน้ำครับ: