แรงและการเคลื่อนที่
วงแหวนแห่งควัน
วงแหวนแห่งควันนั้นเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในธรรมชาติต่อเนื่องกับการเกิดวอร์เทกซ์วงแหวน (Ring vortex) ที่มีส่วนคล้ายคลึงกับพายุหมุน หรือการม้วนกลับของลม ซึ่งแทนที่แกนกลางจะเป็นแนวตรง กลับเป็นวงกลมแทน เช่นบางครั้งขณะที่ภูเขาไฟกำลังปะทุ มีเถ้าถ่านและฝุ่นควันออกมาจากปากปล่องภูเขาไฟ ก็จะเป็นเป็นวงแหวนเกิดขึ้นด้วย อากาศจะถูกอัดและกระเด็นออกมาจากปล่องภูเขาไฟด้วยความแรง เมื่อผ่านควันก็จะม้วนรวมควันเข้าไปในตัวด้วย จีงเรียกว่า วงแหวนแห่งควัน (smoke ring vortex)
ภาพแสดงการเกิด วอร์เทกซ์วงแหวน จากการระเบิดของภูเขาไฟในอิตตาลี
ที่มา http://vrf.wpengine.netdna-cdn.com/wp-content/uploads/2014/02/7-Y4m0sDn.jpg
ในธรรมชาตินั้นการเกิดวงแหวนแห่งควันจะเกิดขึ้นโดยเห็นได้ชัดเจน และมีความสูงมาก ในอากาศนั้นจุดศูนย์กลางของการเกิดของวงแหวนจะเกิดขึ้นเร็วมาก บางครั้งอาจจะดูเหมือนขนมโดนัทที่ค่อยๆ ขยายออกเรื่อยๆ และหมุนอยู่บริเวณปากปล่องของภูเขาไฟ
ภาพแสดงวงแหวนแห่งควันที่เกิดขึ้นธรรมชาติสูงกว่าผิวโลกที่ระยะทางครึ่งไมล์
ที่มา http://vrf.wpengine.netdna-cdn.com/wp-content/uploads/2014/02/3-gTl3jM0.jpg
การรักษาสภาพของวงแหวนแห่งควันนั้นอาจจะคงสภาพได้ถึง 10 นาที ก่อนที่รูปวงแหวนจะค่อยๆ จากหายไป
การค้นคว้าวงแหวนแห่งควัน
T.T. Lim ทำวิจัยศึกษาเรื่องวงแหวนแห่งควันที่มหาวิทยาลัยสิงคโปร์ (National University of Singapore) โดยการศึกษาแบบต่างๆ เช่น การชนกันของวงแหวน การกระโดดของวงแหวน มีภาพการทดลองวงแหวนแห่งควัร แสดงให้เห็นว่า ขนาดของวงแหวนจะใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ ตามระยะทางที่มันเคลื่อนที่ไปออกไป เรายังพบว่าการเกิดวงแหวนวอร์เทกซ์เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ขึ้นลงของเฮลิคอปเตอร์ด้วย
เมื่อหลายปีที่ผ่านมาในงานมหกรรมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ผู้เข้าชมงานหลายคนจะเกิดความประหลาดใจว่าได้เห็นควันรูปคล้ายขนมโดนัทหลายลูก วิ่งออกไปหลายทิศทาง เร็วบ้างช้าบ้าง ทั้งขนาดเล็กและขนาดใหญ่ บางลูกชนกันแล้วสลายตัวไป ในขณะที่บางลูกโดนชนแล้วเบี้ยวไปมา ดูแล้วน่าสนุก ซึ่งปรากฏการณ์ที่เห็นนั้น เป็นการจำลองการเกิดปรากฏการณ์ทางธรรมชาติอย่างหนึ่งที่หาดูได้ยากยิ่ง ซึ่งคือ วงแหวนแห่งควัน นั่นเอง
ภาพการจำลองการเกิดวงแหวนแห่งควัน
ที่มา http://tesladownunder.com/VortexPhysicsRedOneRingMe_small.jpg
ทำไมถึงกล่าวว่าเป็นปรากฏการณ์ที่หาดูได้ยากเพราะวงแหวนแห่งควันนี้จะเกิดขึ้นในช่วงการระเบิดของภูเขาไฟ ในช่วงที่สภาวการณ์อำนวยเท่านั้น การระเบิดจะทำให้มวลของอากาศที่อยู่ในปล่องภูเขาไฟให้หลุดกระเด็นออกมาด้วยความเร็ว มวลอากาศที่ว่านี้เมื่อเกิดในบริเวณที่มีควัน ก็จะม้วนรวมเอาควันให้เคลื่อนที่ไปด้วยกัน ในลักษณะที่เสถียรที่สุด ซึ่งก็คือรูปแบบของวงแหวนนั่นเอง
ทำไมจึงมีแต่รูปวงแหวน
วงแหวนวอร์เทกซ์ต้องเป็นรูปวงแหวนอย่างเดียวเท่านั้นหรือ ทำไมไม่เป็นรูปอื่นๆ บ้าง เช่น ก้อนกลม หรือ สี่เหลี่ยมลูกบาศก์ สาเหตุก็เพราะว่าเมื่อก้อนอากาศเดินทางผ่านอากาศ มวลอากาศที่อยู่ด้านในก้อน จะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่ามวลอากาศที่อยู่รอบนอกของก้อนอากาศ เนื่องจากแรงเสียดทานระหว่างผิวด้านนอกกับอากาศรอบๆ ที่มันเคลื่อนตัวผ่าน เมื่อมวลอากาศตรงกลางเคลื่อนที่ทะลุผ่านออกไป ก็จะถูกม้วนกลับออกทางด้านผิวนอก แล้วกลับเข้ามายังด้านท้ายอีก จนในที่สุดกลายเป็นรูปวงแหวนอย่างที่เราเห็นกัน ภาพการเกิดวอร์เทกซ์วงแหวน
ภาพแสดงทิศทางการม้วนกลับของมวลอากาศทำให้เกิดวงแหวน
ที่มา https://www.howitworksdaily.com/gastric-anatomy
การเกิดวอร์เทกซ์หรือวงแหวนแห่งควันเกิดได้ทั้งในอากาศและในของไหลอื่น เช่น น้ำ โดยเมื่อเกิดวงแหวนของอากาศในน้ำจะเรียกว่า บับเบิ้ลริง (Bubble Ring) โดยหลักการและวิธีการเกิดบับเบิ้ลริง เป็นแบบเดียวกับวงแหวนวอร์เทกซ์แต่แทนที่จะเป็นมวลอากาศม้วนกลับ แต่เป็นน้ำม้วนกลับเป็นวงแทน
ภาพ การเกิดบับเบิ้ลริงในน้ำ
ที่มา https://i.ytimg.com/vi/lnmPm5vGz34/maxresdefault.jpg
จากภาพการเกิดบับเบิ้ลริงในน้ำจะเห็นได้ว่าวงแหวนค่อยๆ ขยายกว้างขึ้นเรื่อยๆ แล้วลอยออกขึ้นไปสูงขึ้น ทั้งนี้การเกิดบับเบิ้ลริงจะมวลน้ำจะม้วนเข้ามาแทนที่ ทำให้เกิดวงกลมและแรงยกตัวให้บับเบิ้ลริงลอยสูงขึ้น
นอกจากบับเบิ้ลริง หรือจะเป็นวงแหวนวอร์เท็กซ์จะเกิดขึ้นเองในธรรมชาติแล้ว เรายังสามารถสร้างบับเบิ้ลริงในน้ำได้เช่นกันและโลมาก็สามารถสร้างบับเบิ้ลริงได้เหมือนกัน ดังแสดงในภาพ
ภาพ การเกิดบับเบิ้ลริงในน้ำโดยนักดำน้ำ
ที่มา https://i.ytimg.com/vi/43fhNNcwioE/maxresdefault.jpg
ภาพการทำบับเบิ้ลริงของโลมา
https://www.howitworksdaily.com/wp-content/uploads/2013/08/42-33052256.jpg
การเกิดวงแหวนแห่งควันในประเทศไทย
ในประเทศไทยเป็นที่ตื่นเต้นมากในฉากของละครโทรทัศน์เรื่อง สายโลหิต ก็เคยเกิดปรากฏการณ์วงแหวนแห่งควันขึ้น มีคนเห็นหลายคนและถ่ายภาพไว้ด้วย... หนังสือพิมพ์ข่าวสด วันพุธที่ 29 ตุลาคม 2546 เมื่อครั้งไปถ่ายทำที่ อ.สังขละบุรี จ.กาญจนบุรี ซึ่งเป็นฉากการยิงต่อสู้ด้วยปืนใหญ่ระหว่างทัพไทย กับทัพศัตรู ผลจากการระเบิดของถุงน้ำมันที่ซ่อนไว้ในหลุม ทำให้เกิดวงแหวนแห่งควันสีดำขึ้น เนื่องจากเป็นวันที่ไม่มีลม วงแหวนสีดำดังกล่าวจึงค่อยๆ ลอยขึ้นบนอากาศได้เป็น เวลานาน ให้ผู้คนในกองถ่ายได้ตกตะลึงกันถ้วนหน้า
ภาพการเกิดวงแหวนแห่งควันในการถ่ายทำละครเรื่องสายโลหิต
ที่มา http://cdn.gotoknow.org/assets/media/files/000/193/658/original_Vortex_Ring-6-G2K.jpg?1352595060
ความรู้เรื่อวงแหวนแห่งควันยังคงมีให้ศึกษากันต่อไปเรื่อยๆ ทั้งในการนำไปใช้ประกอบการโฆษณา การแสดงคอนเสิร์ทและอีกมากมาย แต่ถ้าเรารู้ว่าการเกิดวงแหวนแห่งควันนั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร การทำความเข้าใจและเรียนรู้เพื่ออธิบายคงไม่ใช่เรื่องยากที่จะนำมาประยุกต์ใช้
Return to contents
เพนดูลัม อาจจะฟังดูเหมือนเรื่องศาสตร์ลึกลับที่เหมือนมีพลังศาสตร์มืดเข้ามาเกี่ยวข้อง เพราะว่าเดี๋ยวนี้มีเพนดูลัมมาใช้ในการพยากรณ์ หรือ ฝึกพลังจิต แต่จริงๆ แล้วเพนดูลัมมีมานานแล้ว
http://www.pendulumthai.com/pic_pendulum21.jpg
ในการก่อสร้างช่างก่อสร้างจะใช้เพนดูลัมในการกำหนดระยะในการสร้างอาคารให้ตรง หรือการตั้งฉากกับพื้น แต่ช่างจะเรียกว่า ลูกดิ่ง แทนที่จะเรียกเพนดูลัม
ลูกดิ่ง คือ เครื่องมือสำหรับงานช่างชนิดหนึ่ง มีลักษณะเป็นตุ้มน้ำหนักที่มีปลายด้านหนึ่งแหลม และปลายอีกด้านยึดไว้ด้วยเชือก ใช้สำหรับการหาแนวดิ่งที่ตั้งฉากกับพื้นโลก เพื่อใช้เป็นแนว หรือเส้นอ้างอิงสำหรับงานก่อสร้างและงานช่างอื่นๆ
การใช้ลูกดิ่งหาแนวดิ่ง มีมาตั้งแต่สมัยอียิปต์โบราณ ทั้งช่างก่ออิฐ, ช่างแกะสลักหิน หรือช่างไม้ ต่างก็ใช้ลูกดิ่งในการตรวจสอบชิ้นงานต่างๆ ว่าได้แนวดิ่งหรือไม่ ในปัจจุบัน ลูกดิ่งสำหรับงานช่างได้รับการปรับปรุงให้สะดวกต่อการใช้งานยิ่งขึ้น ไม่ว่าจะเป็นการรวมกับปักเต้า และยังถูกนำไปเป็นส่วนประกอบของเครื่องมืออื่น เช่น กล้องวัดระดับ ซึ่งเป็นอุปกรณ์ใช้สำหรับการวัดระดับและแนวสำหรับงานสำรวจ
ตุ้มน้ำหนักที่ใช้ทำเป็นลูกดิ่ง เดิมทีนิยมใช้ดีบุกเป็นวัสดุหลัก แม้ในปัจจุบันลูกดิ่งมีรูปแบบที่หลากหลาย แต่วัสดุที่ใช้ทำตุ้มน้ำหนักยังนิยมใช้โลหะเป็นวัสดุหลัก
ภาพแสดง ลูกดิ่ง
ที่มา https://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B9%84%E0%B8%9F%E0%B8%A5%E0%B9%8C:Plumb_bob.jpg
ภาพแสดงการใช้ลูกดิ่งในการก่อสร้าง
ที่มา https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/07/US_Navy_081008-N-3560G424_Utilitiesman_3rd_Class_James_Tofil_ensures_that_the_grade_beams_are_plumb_before_the_placement_of_concrete.jpg
การแกว่งเพนดูลัม
เมื่อเพนดูลัมถูกแกว่งให้เคลื่อนที่กลับไปมาทำให้เกิดการเคลื่อนที่อีกแบบหนึ่งเรียกว่าการเคลื่อนที่แบบแกว่ง (Oscillate) กาลิเลโอ เป็นผู้สังเกตการณ์เคลื่อนที่แบบนี้ ในตอนนั้นกาลิเลโอยังเป็นเด็กหนุ่มวัย 19 ในขณะที่เขาได้เข้าไปทำพิธีในโบสถ์ก็ได้สังเกตโคมไฟที่แขวนอยู่บนเพดานของโบสถ์ เมื่อโดนลมพัดโคมไฟที่เคลื่อนที่กลับไปมาพบว่า เวลาที่ใช้ในการเคลื่อนกลับไปมา 1 ครั้ง ครบ 1 รอบ (ตอนนั้นยังไม่มีนาฬิกา แต่กาลิเลโอใช้จำนวนครั้งของการเต้นของชีพจรตนเอง) โดยเขาพบว่าเวลาในการแกว่งของโคมไฟจะเท่าเดิมไม่ว่าโคมไฟนั้นจะแขวนจากเพดานด้วยโซ่ที่สั้นหรือยาวก็จะแกว่งด้วยเวลาที่เท่าเดิม
ภาพแสดง กาลิเลโอสังเกตการแกว่งของโคมไฟ
ที่มา http://www.vcharkarn.com/uploads/153/153965.jpg
กาลิเลโอเป็นคนแรกที่ค้นพบกฎการแกว่งแบบนี้จึงตั้งชื่อการเคลื่อนที่แบบนี้ว่าเพนดูลัม (Pendulum) ในตอนนั้นกาลิเลโอสรุปว่า คาบการแกว่งของเพนดูลัมมีค่าคงที่ ไม่ว่าเพนดูลัมนั้นจะกางทำมุมเท่าใดก็ตามจากแนวสมดุล (ปัจจุบันพบว่ามีข้อผิดพลาดในบางส่วนเพราะแรงเสียดทานทำให้เพนดูลัมเคลื่อนที่ได้ช้า)
แนวความคิดนี้ทำให้กาลิเลโอนำมาประยุกต์ในการใช้จับเวลาในการทดลองใหม่ของเขานั้นในปัจจุบันเราสามารถพิสูจน์ได้ว่าการแกว่งของเพนดูลัมจากแนวสมดุลต้องมีค่ามุมไม่เกิน 15 องศา คาบการเคลื่อนที่จึงจะเป็นไปดังสมการซึ่งส่งผลให้เพนดูลัมมีการเคลื่อนที่ด้วยคาบคงที่เสมอ
ภาพแสดงการประดิษฐ์นาฬิกาแบบลูกตุ้มของฮอยเกนส์
ที่มา http://www.vcharkarn.com/uploads/153/153969.jpg
ต่อมา ช่วงกลางคริสตศตวรรษที่ 16 นักประดิษฐ์ชาวดัชต์ชื่อ คริสเตียน ฮอยเกนส์ ได้ประดิษฐ์นาฬิกาลูกตุ้มขึ้น โดยอาศัยหลักการแกว่งที่คงที่ของลูกตุ้มตามที่กาลิเลโอค้นพบ ผสมผสานกับหลักการที่เคปเลอร์ค้นพบ ทำให้นาฬิกาลูกตุ้มสามารถแกว่งคงที่ได้โดยอิสระปราศจากแรงเสียดทาน ทำให้การบอกเทียบเวลามีความแม่นยำมากขึ้น
การเคลื่อนที่แบบ Simple Harmonic
การเคลื่อนที่ของเพนดูลัม เป็นการเคลื่อนที่กลับไปกลับมาผ่านจุดสมดุลแรงลัพธ์จะมีทิศเข้าสู่แนวสมดุลเสมอ จึงทำให้เรียกการเคลื่อนที่แบบนี้ว่า simple harmonic การเคลื่อนที่ของเพนดูลัมเกิดจากผลรวมของแรงตึงเชือกและแรงน้ำหนักของตุ้ม กลายเป็นแรงลัพธ์ที่ดึงลูกตุ้มเข้าสู่แนวสมดุลและสามารถเคลื่อนกลับไปกลับมาได้โดยเวลาที่ใช้ในการเคลื่อนไปและกลับ 1 รอบ จะมีค่าเท่าเดิมเสมอและเวลาที่ได้จะเท่ากันในแต่ละรอบ แม้ว่าจะแกว่งกว้างเท่าไหนก็ตามก็ไม่ได้ขึ้นอยู่กับมวลลูกตุ้มนั้นหรือระยะในการดึงออกจากแนวสมดุลเลยแต่จะขึ้นอยู่กับความยาวเชือกที่แขวนลูกตุ้มนั้นเพียงอย่างเดียว หรืออาจะกล่าวได้ว่า ถ้าเชือกสั้นจะแกว่งเร็วกว่าเชือกยาว แต่ที่จริง คือ มุมของเชือกเทียบแนวสมดุล (q) ต้องไม่เกิน 15 องศา)
ภาพแสดง นาฬิกาลูกตุ้ม
ที่มา http://q.lnwfile.com/_/q/_raw/cb/7o/c4.jpg
เพนดูลัมคลิปหนีบกระดาษ
เมื่อทราบหลักการของเพนดูลัมแล้ว กิจกรรมง่ายๆ ที่พิสูจน์การทดลองของกาลิเลโอ โดยใช้คลิปหนีบกระดาษ 1 กล่อง เริ่มจากการนำคลิป 10 ตัว มาต่อกันเป็นโซ่ยาวแล้วแกว่ง จับเวลาที่คลิปแกว่งไปกลับจำนวน 20 รอบ แล้วบันทึกผล
ภาพการแกว่งคลิปหนีบกระดาษคลิป 10 ตัว
เพิ่มจำนวนคลิปหนีบกระดาษเป็น 15 , 20 , 25 และ 30 ตัว จับเวลาที่คลิปแกว่งไปกลับจำนวน 20 รอบ แล้วบันทึกผล คำนวณหาเวลาเฉลี่ยต่อรอบในการแกว่งคลิบแต่ละครั้งและเขียนกราฟ ซึ่งอาจจะได้ความสัมพันธ์ดังแสดงในตาราง
จากตัวอย่างการทดลองเมื่อเพิ่มจำนวนคลิบให้ยาวขึ้น ค่าคาบเฉลี่ยไม่แตกต่างกันมาก จำนวนคลิบยาวมากขึ้นค่าเฉลี่ยของคาบเพิ่มมากขึ้น ทั้งนี้เป็นเพราะอาจจะมีแรงเสียดทานระหว่างการแกว่ง คลิบหนีบกระดาษเป็นตัวแทนของการแกว่งที่มีการเคลื่อนที่แบบกลับไป กลับมาอย่างสม่ำเสมอ ช่วงของลูกตุ้มขึ้นอยู่กับความยาวของคลิบหนีบกระดาษ ลูกตุ้มยาวขึ้นอีกต่อไปและลูกตุ้มที่สั้นกว่าจะสั้นลง ยิ่งช่วงเวลาของลูกตุ้มมีสัดส่วนกับรากที่สองของความยาว
การแกว่งแบบเพนดูลัมจะหยุดลงเมื่อแรงเสียดทานมีค่ามากกว่าแรงดึงกลับของลูกตุ้มหรือคลิปหนีบกระดาษ การแกว่งของคลิปหนีบกระดาษจึงเสมือนว่าเป็นการแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกา ซึ่งเป็นการจำลองการศึกษาของกาลิเลโอนั่นเอง
Return to contents
ม.5
ม.6
(20590) 
(9484) 
