ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล และได้หัดทำและเล่นของเล่นนักดำน้ำ (Cartesian Diver) ที่เกี่ยวกับความดัน ปริมาตรอากาศ และแรงลอยตัว

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เป็นกลมีดแทงไม่ตายครับ:

กิจกรรมหัดอธิบายมายากลนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

วันนี้เราประดิษฐ์ของเล่นกันครับ ยังไม่ได้เรียนหลักการหรือทฤษฎีอะไรมาก เอาให้เด็กๆสนใจและสนุกกันก่อน แล้วเราจะคุยกันเรื่องหลักการแรงลอยตัวต่อไปในอนาคต

เราหัดประดิษฐ์ของเล่นจากแรงลอยตัวที่เรียกว่า  “นักดำน้ำ” หรือ Cartesian Diver กันครับ 

เราอาศัยหลักการที่ว่าแรงลอยตัวที่พยุงสิ่งที่จุ่มอยู่ในน้ำเท่ากับน้ำหนักของน้ำที่ถูกแทนที่ ถ้าเปลี่ยนปริมาตรที่น้ำถูกแทนที่ แรงลอยตัวก็จะเปลี่ยน ของเล่นนี้มีก้อนอากาศอยู่ข้างใน ถ้าบีบขวดให้ความดันข้างในเพิ่มขึ้น ก้อนอากาศจะเล็กลง ทำให้ปริมาตรน้ำที่ถูกอากาศแทนที่มีขนาดเล็กลง ทำให้แรงลอยตัวลดลง ของเล่นจึงจมน้ำ เมื่อเลิกบีบขวด ความดันข้างในลดลง ก้อนอากาศใหญ่ขึ้น ทำให้ปริมาตรน้ำที่ถูกแทนที่มากขึ้น ทำให้แรงลอยตัวมากขึ้น ของเล่นจึงลอยน้ำ

วิธีทำเป็นดังในคลิปครับ:

หน้าตาของเล่นที่เสร็จแล้วจะเป็นประมาณนี้ครับ:

วิธีทำแบบอื่นๆในอดีตมีดังในคลิปต่อไปนี้ อันนี้เป็นแบบแรกที่ผมทำ สามารถใช้เล่นกลโดยให้เด็กทำท่าใช้พลังจิตชี้ให้จมหรือลอยด้วย:

อีกแบบใช้หลอดฉีดยามาลนไฟที่หัวให้หัวตัน แล้วเอาดินน้ำมันถ่วงให้ลอยน้ำปริ่มๆ เอาหลอดฉีดยาไปใส่ในขวดพลาสติกใส่น้ำแล้วปิดฝาขวดแน่นๆ พอเราบีบขวดความดันในขวดก็เพิ่ม ดันให้ก้านเข็มฉีดยาเข้าไปในหลอดทำให้อากาศในหลอดมีขนาดเล็กลง (ปริมาตรเล็กลง) แรงลอยตัวที่น้ำดันหลอดฉีดยาอยู่ก็จะลดลงจนไม่สามารถทำให้หลอดลอยอยู่ได้ หลอดจึงจม พอเราปล่อยมือไม่บีบขวด ความดันก็ลดลง อากาศในหลอดก็ขยายตัวกลับมาเป็นขนาดเดิม ทำให้แรงลอยตัวมากขึ้นจนหลอดลอยอีก ลักษณะการทำงานของของเล่นเป็นแบบนี้ครับ:

วิธีทำแบบใช้หลอดฉีดยาทำแบบนี้:

ผมเคยบันทึกไว้ในช่องเด็กจิ๋ว & ดร.โก้ด้วยครับ:

กฏเกณฑ์ธรรมชาติเกี่ยวกับการลอย/จมในของเหลวนี้ถูกค้นพบโดยอาคิมีดีสเมื่อ สองพันกว่าปีมาแล้ว เขาเขียนไว้ว่าของที่จุ่มไปในของเหลว(ไม่ว่าจะจุ่มลงไปนิดเดียวหรือจุ่มลงไปมิดเลย)จะมีแรงลอยตัวที่ของเหลวออกแรงดันขึ้น โดยแรงนี้จะมีขนาดเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่ครับ

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล เราเรียนรู้กันเรื่องการขยายตัวและหดตัวของอากาศเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง และการยุบตัว (Implosion) ของกระป๋องด้วยความดันอากาศ

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เป็นกลวิทยุหายครับ:

กิจกรรมหัดอธิบายมายากลนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

เราคุยกันเรื่องการขยายตัวและหดตัวของอากาศเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงครับ

เวลาเราเอาขวดพลาสติกมาปิดฝา อากาศภายในและภายนอกขวดจะดันกันไว้พอดี ทำให้ขวดไม่ยุบตัวหรือพองออก แต่ถ้าเราเอาขวดไปตากแดดให้อากาศในขวดร้อนขึ้น อากาศในขวดจะขยายตัวทำให้ขวดบวม หรือถ้าเราทำให้อากาศในขวดเย็นลง อากาศจะหดตัวทำให้ขวดยุบตัว

การทดลองที่ทำง่ายๆก็คือเอาขวดพลาสติกมาใส่น้ำร้อนเข้าไปเล็กน้อย ปิดฝา แล้วเขย่าๆไปมาให้น้ำร้อนทำให้อากาศในขวดร้อน รีบเทน้ำทิ้งแล้วปิดฝาให้แน่น เมื่อเรารอให้อากาศในขวดเย็นลง (หรือเอาไปแช่น้ำเย็น) อากาศในขวดจะหดตัวทำให้ขวดยุบตัว เชิญดูคลิปที่บันทึกมาได้เลยครับ:

ต่อจากนั้นเราดูการยุบตัวด้วยความดันอากาศ เราต้มน้ำในกระป๋องอลูมิเนียม พอเดือดก็เอาไปคว่ำในกาละมังใส่น้ำ:

กระป๋องจะบี้แบนเหมือนโดนเหยียบ เพราะเมื่อต้มน้ำในกระป๋องเปิดจนน้ำเดือด ภายในกระป๋องจะเต็มไปด้วยไอน้ำร้อนๆ เมื่อเอากระป๋องไปคว่ำในน้ำ ไอน้ำจะเย็นลงและควบแน่นเป็นหยดน้ำ ทำให้ปริมาตรลดลงอย่างมาก ความดันภายในกระป๋องลดลงเกือบเป็นสุญญากาศทำให้อากาศภายนอกบีบกระป๋องให้แบนอย่างรวดเร็ว

ถ้ามีเวลา ผมจะพยายามถามนำให้เด็กๆตอบไปทีละขั้นๆ เมื่อต้มน้ำจนเดือดจะเกิดอะไรขึ้น น้ำเหลวๆเปลี่ยนเป็นไอน้ำใช่ไหม ไอน้ำอยู่ที่ไหน อยู่ในกระป๋องใช่ไหม เมื่อคว่ำกระป๋องลงไปในกาละมังใส่น้ำ อุณหภูมิของไอน้ำในกระป๋องจะเป็นอย่างไร มันจะเย็นลง ไอน้ำเมื่อเย็นลงมันจะเป็นอะไร ควบแน่นเป็นหยดน้ำใช่ไหม อยู่ๆไอน้ำเต็มกระป๋องกลายเป็นหยดน้ำเล็กๆ จะเกิดอะไรขึ้น เกิดสุญญากาศไม่มีความดันสู้กับอากาศภายนอก อากาศภายนอกจึงบีบกระป๋องแบนหมดเลย

เมื่อเสร็จการทดลอง ผมปิดเตาไฟแล้วถอดกระป๋องแก๊สหุงต้มออกมาให้เด็กๆจับ มันเย็นมากครับ เย็นเพราะเชื้อเพลิงที่เป็นของเหลวในกระป๋องขยายตัวออกมาเป็นก๊าซครับ เป็นเรื่องเดียวกับการทำงานของเครื่องปรับอากาศ หรือเวลาตัวเราเปียกแล้วมีลมพัดเราจะรู้สึกเย็น เวลาของเหลวกลายเป็นไอมันจะดูดความร้อนจากรอบๆทำให้บริเวณรอบๆเย็นลงครับ