คลังเก็บหมวดหมู่: นางสาวขวัญข้าว ตัณฑุลวณิชย์ นางสาวจันทิพย์ อะนันตมี นายธนากร จันทร์พานิชย์

เนื้อเยื่อพืช

เนื้อเยื่อพืช plant tissue

พืชทุกชนิดเป็นสิ่งมีชีวิตที่ประกอบด้วยเนื้อเยื่อ tissue และต้นอ่อน embryo อันเป็นลักษณะที่ไม่มีในสาหร่าย โดยเนื้อเยื่อเกิดจากการที่เซลล์ต่างๆมาอยู่และทำงานร่วมกัน เซลล์ต่างๆเหล่านี้จะดำเนินกิจกรรมต่างๆเพื่อให้ดำรงอยู่ได้ ซึ่งเซลล์ที่มาประกอบมีลักษณะแตกต่างกันออกไป แต่มีลักษณะร่วมที่สำคัญประการหนึ่งของเซลล์พืชคือ การมีผนังเซลล์     cell wall ที่เป็นกรอบล้อมอยู่รอบนอกและให้ความแข็งแรงต่อโครงสร้างเซลล์พืช เซลล์พืชทุกชนิดมีผนังเซลล์ที่เรียกว่า  ผนังเซลล์ปฐมภูมิ primary cell wall อยู่ด้านนอกสุด เกิดขึ้นเมื่อเซลล์กำลังเจริญเติบโต ซึ่งมีองค์ประกอบสำคัญเป็น เซลลูโลส เฮมิเซลลูโลส เพคตินและไกลโคโปรตีน ผนังเซลล์ปฐมภูมิของเซลล์ที่อยู่ติดกันจะถูกยึดไว้ด้วยมิดเดิลลาเมลลา middle lamella โดยมิดเดิลลาเมลลา เป็นตัวยึดติดระหว่างเซลล์ ประกอบด้วยเพคตินที่อยู่ในรูปแคลเซียมเพคเตต และแมกนีเซียมเพคเตด อยู่ตรงกลางระหว่างผนังเซลล์ขั้นแรกหรือผนังเซลล์ปฐมภูมิของเซลล์ 2 เซลล์ จึงมีทำหน้าที่ช่วยยึดเซลล์ข้างเคียง นอกจากนั้นเซลล์บางชนิดของพืชยังสะสมผนังเซลล์ทุติยภูมิ secondary cell wall เพิ่มเติมขึ้นเป็นผนังชั้นในสุด สร้างขึ้นหลังจากที่เซลล์หยุดขยายขาดแล้ว โดยมีการสะสมแบบแทรกอยู่ในผนังเซลล์ปฐมภูมิและเยื่อหุ้มเซลล์ มีสารที่เป็นองค์ประกอบสำคัญคือ ลิกนิน คิวติน ซูเบอริน ซึ่งเป็นสารที่เพิ่มความแข็งแรง จึงทำให้มีความหนาและแข็งแรงกว่าผนังเซลล์ปฐมภูมิ ในชั้นนี้ไม่พบไกลโคโปรตีน

7875 1

ภาพแสดงเนื้อเยื่อเจริญ (Meristematic tissue) และ เนื้อเยื่อถาวร (Permanent tissue)

คลิก  hd-people-mobile-image-750x352px

ที่มา: http://www.biology-pages.info/P/PlantTissues.html

เนื้อเยื่อของพืชชั้นสูงพวกพืชดอก flower plant หรือ angiosperm เมื่อพิจารณาตามลักษณะการเจริญของเนื้อเยื่อ สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ

1.เนื้อเยื่อเจริญ meristematic tissue เป็นเนื้อเยื่อที่ประกอบด้วยเซลล์เจริญ meristematic cell ซึ่งเป็นกลุ่มเซลล์ที่มีผนังเซลล์ปฐมภูมิซึ่งมีลักษณะบางสม่ำเสมอกัน มักมี nucleus ใหญ่มองเห็นได้ชัด มี vacuole เล็ก ไม่มีช่องว่างระหว่างเซลล์ intercellular spaces และกลุ่มเซลล์เจริญนี้สามารถแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสได้ตลอดชีวิตของเซลล์จึงเป็นเหตุทำให้เนื้อเยื่อเจริญมีการแบ่งตัวแบบไมโทซิสได้ตลอดชีวิต

เราสามารถจำแนกตามตำแหน่งที่อยู่ในส่วนต่างๆของพืชได้ 3 ชนิด

1.เนื้อเยื่อเจริญส่วนปลาย apical meristem เมื่อแบ่งเซลล์จะทำให้ลำต้นยืดยาวออกไป ช่วยเพิ่มความยาว ความสูงของพืชจัดเป็นการเจริญเติบโตปฐมภูมิ primary growth เราสามารถพบได้ที่ ยอด ราก จะเรียกชื่อตามตำแหน่งที่พบนั้นๆคือ ที่รากจะเรียกว่าเนื้อเยื่อเจริญส่วนปลายราก apical root meristem พบที่ยอด เรียกว่า เนื้อเยื่อเจริญส่วนปลายยอด apical shoot meristem

2.เนื้อเยื่อเจริญเหนือข้อ intercalary meristem อยู่ระหว่างข้อตรงบริเวณเหนือข้อล่างหรือโคนของปล้อง มีการแบ่งเซลล์ได้ยาวนานกว่าเนื้อเยื่อบริเวณอื่นในปล้องเดียวกันทำให้ปล้องยาวขึ้น เป็นการเจริญเติบโตปฐมภูมิ พบในพืชใบเลี้ยงเดี่ยว เช่น หญ้า ข้าว ข้าวโพด อ้อย และไผ่ เป็นต้น

3.เนื้อเยื่อเจริญด้านข้าง lateral meristem อยู่ในแนวขนานกับเส้นรอบวงมีการแบ่งเซลล์เพิ่มจำนวนออกทางด้านข้าง เพื่อเพิ่มขนาดความกว้างหรือเส้นผ่านศูนย์กลางของลำต้นและราก ทำให้ลำต้นและรากขยายขนาดใหญ่ขึ้น เป็นการเจริญเติบโตขั้นที่สอง secondary growth พบได้ในพืชใบเลี้ยงคู่ทุกชนิด และพืชใบเลี้ยงเดี่ยวบางชนิด เช่น หมากผู้หมากเมีย จันทน์ผา เป็นต้น เนื้อเยื่อเจริญชนิดนี้เรียกอีกอย่างว่า แคมเบียม cambium แบ่งเป็น 2 ชนิด คือ ถ้าพบอยู่ระหว่างเนื้อเยื่อท่อลำเลียงน้ำและเนื้อเยื่อท่อลำเลียงอาหารจะเรียกว่า วาสคิวลาร์แคมเบียม vascular cambium ซึ่งเมื่อแบ่งเซลล์ทำให้เกิดเนื้อเยื่อท่อลำเลียงเพิ่มมากขึ้น vascular tissue และถ้าพบอยู่ในเนื้อเยื่อชั้นผิวหรือเอพิสเดอร์มิสepidermis หรือพบถัดเข้าไป เรียกว่า คอร์กแคมเบียม cork cambium ซึ่งเมื่อแบ่งเซลล์ทำให้เกิดเนื้อเยื่อคอร์ก cork

เราสามารถจำแนกตามการกำเนิดและการเจริญได้ 3 แบบคือ

1.promeristem เป็นเนื้อเยื่อแรกเริ่มที่เกิดขึ้นใหม่ๆ ของเนื้อเยื่อเจริญส่วนปลายสุดของราก ยอด

2.primary meristem เนื้อเยื่อเจริญระยะปฐมภูมิ เจริญมาจาก promeristem ได้แก่

2.1protoderm เจริญต่อไปเป็นเนื้อเยื่อถาวรในชั้น epidermis

2.2ground meristem เจริญต่อไปเป็นเนื้อเยื่อถาวรในส่วน pith ,pith ray ,cortex และ

endodermis

2.3procambium ปรากฏอยู่เป็นแถบๆ ระหว่าง ground meristem

– เจริญต่อไปเป็นเนื้อเยื่อถาวรส่วน stele เช่น ไซเล็มปฐมภูมิ โฟลเอ็มปฐมภูมิ

– เจริญต่อไปเป็น secondary meristem ได้แก่ vascular cambium cork cambium

3.secondary meristem เนื้อเยื่อเจริญระยะทุติยภูมิ เจริญมาจากเนื้อเยื่อเจริญระยะปฐมภูมิ

3.1 vascular cambium เจริญแบ่งตัวได้เป็น ไซเล็มทุติยภูมิ โฟลเอ็มทุติยภูมิ

3.2 cork cambium เจริญแบ่งตัวได้เป็น cork

2.เนื้อเยื่อถาวร permanent tissue เป็นเนื้อเยื่อที่ประกอบด้วยเซลล์ที่มีการเจริญเต็มที่แล้ว ซึ่งเกิดจากการที่เนื้อเยื่อเจริญมีการเปลี่ยนแปลงเพื่อไปทำหน้าที่เฉพาะที่แตกต่างกันออกไป มีรูปร่างคงที่ เนื้อเยื่อถาวรจะไม่มีการแบ่งเซลล์เพิ่มจำนวนอีกแล้ว ยกเว้นพาเรงคิมา parenchyma สามารถกลับไปแบ่งเซลล์ได้อีกครั้ง ซึ่งเป็นการกลับกลาย redifferentiation เนื้อเยื่อถาวรบางชนิดอาจประกอบมาจากกลุ่มเซลล์ชนิดเดียวกัน ในขณะที่บางชนิดอาจประกอบขึ้นมาจากเซลล์หลายชนิดก็ได้

เนื้อเยื่อเจริญสามารถจำแนกตามลักษณะของเซลล์ที่มาประกอบได้ 2ประเภท

1.เนื้อเยื่อถาวรเชิงเดี่ยว simple permanent tissue คือประกอบขึ้นมาจากกลุ่มเซลล์เดียวกัน ได้แก่

เอพิเดอร์มิส epidermis เป็นเนื้อเยื่อที่ประกอบขึ้นมาจากเซลล์เอพิเดอร์มอล epidermal cell ที่มีลักษณะแบน ซึ่งกลุ่มเซลล์จะเรียงตัวกันเพยงชั้นเดียว โดยมีการเรียงตัวอัดแน่นจนไม่มีช่องว่างระหว่างเซลล์ ไม่มีคลอโรพลาสต์ และมักพบคิวตินมาเคลือบทับเพื่อป้องกันการระเหยของน้ำ แต่จะไม่พบในราก ซึ่งเอพิเดอร์มิสเป็นเนื้อเยื่อที่อยู่รอบนอกสุดของส่วนต่างๆของพืช พบได้ทั่วไปตามส่วนต่างๆของพืชที่มีอายุน้อยๆ ทำหน้าที่ป้องกันเนื้อเยื่อที่อยู่ด้านใน สามารถเปลี่ยนแปลงไปเป็นเซลล์ชนิดอื่นได้เช่น เซลล์คุม guard cell ขนราก root hair ขนหรือหนาม trichome

คอร์ก cork เกิดจากการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสของคอร์กแคมเบียมบริเวณใกล้ๆกับเอพิเดอร์มิส เรามักพบบริเวณนอกสุดของลำต้น กิ่ง ก้าน และพบในพืชที่มีอายุมากแล้ว มีหน้าที่ป้องกันการระเหยของน้ำและเซลล์จะตายเมื่อโตเต็มที่

พาเรงคิมา parenchyma เป็นเนื้อเยื่อที่ประกอบขึ้นมาจากเซลล์พาเรงคิมา parenchyma cell เป็นเซลล์ที่มีชีวิต ผนังเซลล์บางสม่ำเสมอเป็นผนังเซลล์ปฐมภูมิ มีรูปร่างได้หลายแบบ หน้าตัดค่อนข้างกลม มีช่องว่างระหว่างเซลล์ ถ้ามีคอลโรพลาสต์จะเรียกว่า chlorenchyma พารเรงคิมาเป็นเนื้อเยื่อพื้นฐานของพืช มีหน้าที่สะสมอาหาร สังเคราะห์ด้วยแสง หลั่งสารพวกแทนนิน ฮอร์โมน เอนไซม์ เป็นต้น มีความสามารถแปรสภาพกลับกลาย redifferentiation มาแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสได้อีก

คอลเลงคิมา collenchyma เป็นเนื้อเยื่อที่ประกอบขึ้นมาจากเซลล์คอลเลงคิมา                 collenchyma cell เป็นเซลล์ที่มีชีวิต มีลักษณะคล้ายพาเรงคิมา แต่มีผนังเซลล์หนาไม่สม่ำเสมอกัน พบมากบริเวณใต้เอพิเดอร์มิสของก้านใบ เส้นกลางใบ ช่วยเพิ่มความแข็งแรง

สเคอเรงคิมา sclerenchyma เป็นเนื้อเยื่อที่ประกอบขึ้นมาจากเซลล์สเคอเรงคิมา sclerenchyma cell เป็นเซลล์ที่ไม่มีชีวิตแล้วมีผนังเซลล์ทั้งสองขั้นที่ค่อนข้างหนาหรือหนามาก ช่วยพยุงและให้ความแข็งแรงให้กับพืช สามารถจำแนกตามรูปร่างเซลล์ได้เป็น 2 ชนิด คือ ถ้าเป็นเส้นใย รูปร่างเรียวยาว หัวท้ายแหลม                     เรียกว่า ไฟเบอร์ fiber ถ้ารูปร่างไม่ยามมากนัก มีหลายแบบเช่น รูปดาว หลายเหลี่ยม เรียกว่าสเกลอรีด sclereid

2.เนื้อเยื่อถาวรเชิงซ้อน complex permanent tissue คือประกอบขึ้นมาจากเซลล์หลายชนิด ได้แก่

ไซเล็ม xylem ประกอบขึ้นมาจากเซลล์ 4 ชนิด เป็นเซลล์ที่มีชีวิตคือ พารเรงคิมา ช่วยสะสมอาหาร     และเป็นเซลล์ที่ตายแล้วคือ ไฟเบอร์ ช่วยเพิ่มความแข็งแรง เทรคีต รูปร่างเรียวยาวมีรูพรุน เวสเซลเมมเบอร์ อ้วนสั้น หัวท้ายทะลุถึงกันเหมือนท่อประปา ซึ่งไซเล็มทำหน้าที่ลำเลียงน้ำและแร่ธาตุอาหารจากรากไปสู่ส่วนต่างๆของพืช เรียกว่าconduction

โฟลเอ็ม phloem ประกอบขึ้นมาจากเซลล์ 4 ชนิด คือ พาเรงคิมา ช่วยสะสมอาหาร ไฟเบอร์ ช่วยเพิ่มความแข็งแรง ซีฟทิวบ์เมมเบอร์ sieve tube member เป็นเซลล์ที่มีชีวิต ตอนเกิดใหม่มีนิวเคลียสแต่เมื่อโตได้ถูกสลายไป ซึ่งจะมาเรียงต่อกันเป็นท่อลำเลียงอาหาร และคอมพาเนียนเซลล์ companion cell เป็นเซลล์ติดกับซีฟทิวบ์เมมเบอร์ มีนิวเคลียส เพื่อช่วยซีฟทิวบ์เมมเบอร์ในการขนส่งน้ำตาลไปยังส่วนต่างๆของพืช โฟลเอ็มทำหน้าที่ลำเลียงอาหารสารอินทรีย์จากใบไปส่วนต่างๆ การลำเลียงทางโฟลเอ็ม เรียกว่า ทรานสโลเคชัน translocation

เนื้อเยื่อถาวรสามารถจำแนกตามหน้าที่ ได้ 3 ระบบ

1.ระบบเนื้อเยื่อผิว dermal system : epidermis, cork

2.ระบบเนื้อเยื่อพื้น ground system : parenchyma, collenchyma, sclerenchyma

3.ระบบเนื้อเยื่อลำเลียง vascular system : xylem, phloem

แหล่งที่มา

จิรัสย์ เจนพาณิชย์. (2552). BIOLOGY for high school students. กรุงเทพฯ :
บูมคัลเลอร์ไลน์.

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี. (2554). หนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติมวิทยาศาสตร์ ชีววิทยา เล่ม 3 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 – 6. กรุงเทพฯ :
องค์การค้าของคุรุสภา.

ที่มาhttps://www.scimath.org/lesson-biology/item/7875-2018-02-27-03-09-55

Turbo Jet เร็วแค่ไหน!?

ทำไมเครื่องบินถึงบินได้ ถ้าหากว่าถามคำถามนี้เชื่อว่าจะต้องมีคำตอบว่า เพราะเครื่องบินมีปีกอย่างแน่นอน ซึ่งก็เป็นคำตอบที่ไม่ผิด แต่ว่ายังขาดสิ่งสำคัญอีกสิ่งหนึ่งไป นั่นคือ “ความเร็ว” เป็นเพราะเครื่องบินมีความเร็วจึงทำให้ปีกของเครื่องบินสามารถสร้างแรงยกได้ ยิ่งเครื่องบินมีความเร็วมากเท่าไร ปีกก็จะสามารถสร้างแรงยกได้มากขึ้นเท่านั้น เป็นสัดส่วนซึ่งกันและกัน และสิ่งที่ทำให้เครื่องบินมีความเร็วก็คือ เครื่องยนต์ของเครื่องบินนั่นเอง สำหรับเครื่องบินโดยสารที่เราเห็นโดยทั่วไปตามสนามบินต่าง ๆ ทั้งสุวรรณภูมิหรือสนามบินดอนเมือง เครื่องยนต์จะถูกติดตั้งไว้ที่ใต้ปีก ซึ่งอาจจะมี 2 เครื่องยนต์ หรือ 4 เครื่องยนต์ ก็จะขึ้นอยู่กับขนาดของเครื่องบินลำนั้น ๆ (Airbus A380 มี 4 เครื่องยนต์, Airbus A320 มี 2 เครื่องยนต์) แต่สำหรับเครื่องบินประเภทอื่น ๆ เช่น เครื่องบินรบ เครื่องบินส่วนตัวขนาดเล็ก ก็จะมีวิธีการติดตั้งเครื่องยนต์ที่แตกต่างกันออกไป ขึ้นอยู่กับผู้ผลิตและผู้ออกแบบ ซึ่งการติดตั้งเครื่องยนต์ในตำแหน่งที่ต่างกัน ก็จะส่งผลต่อสมรรถนะของเครื่องบินที่แตกต่างกันด้วย

9097 1

ภาพที่ 1 เครื่องยนต์ Turbo Jet
ที่มา https://pixabay.com/th/ , olafpictures

คลิก  hd-people-mobile-image-750x352px

เครื่องบินโดยสารไม่ได้ใช้ Turbo Jet

เครื่องยนต์ที่ใช้กับเครื่องบินจะมีหลัก ๆ อยู่ 4 ประเภท ได่แก่ Turbo-Jet, Turbo-Fan, Turbo Shaft, Turbo Props ซึ่งในปัจจุบันนี้เครื่องบินโดยสารโดยทั่วไปจะใช้เครื่องยนต์ที่เรียกว่า Turbo-Fan เพราะว่ามีประสิทธิภาพที่สูงกว่าและประหยัดกว่าเครื่องยนต์แบบอื่นเมื่อต้องทำงานในเงื่อนไขหรือสภาวะเดียวกัน ซึ่งเครื่องยนต์ Turbo-Fan ก็ถูกพัฒนามาจากเครื่องยนต์ Turbo-Jet นั่นเอง ส่วนเครื่องยนต์ Turbo-Jet ในปัจจุบันจะใช้ในการทหารเสียส่วนใหญ่ เช่น เป็นเครื่องยนต์ที่เอาไว้ใช้ขับเคลื่อน missile

9097 2

ภาพที่ 2 missile turbo jet
ที่มา https://pixabay.com/th , jia3ep

Turbo-Jet

เป็นเครื่องยนต์ที่เรียกว่า Air breathing jet engine (เป็นเครื่องยนต์ที่ใช้อากาศในการเผาไหม้เช่นเดียวกับเครื่องยนต์ของรถยนต์แต่ว่าอุปกรณ์ในส่วนต่าง ๆ มีความแตกต่างอย่างสิ้นเชิง) ซึ่ง Turbo-Jet นั้นมีความเร็วที่ทำได้ขึ้นอยู่กับหลายเงื่อนไข เช่น รูปร่างของเครื่องบิน ความสูงที่ทำการบิน แต่โดยมากแล้วจะทำการบินที่ 1.5-2.0 มัค และยังเป็นเครื่องยนต์ที่มีการประยุกต์ใข้กฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 3 ของนิวตันที่กล่าวว่า “For every motion there is an equal and opposite reaction” เพราะ Turbo-Jet นั้นใช้แรงดันจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงในการขับเคลื่อนเครื่องบินไปข้างหน้า เครื่องยนต์ Turbo-Jet นั้นมีจุดเด่นอยู่ตรงที่ สามารถทำความเร็วได้สูง มีพื้นที่หน้าตัดที่น้อย (ทำให้เกิดแรงต้านอากาศที่น้อย) และเป็นเครื่องยนต์ที่เรียบง่ายที่สุดในบรรดาเครื่องยนต์ของเครื่องบินทั้ง 4 ประเภท ส่วนจุดด้อยนั้น ก็จะมีเรื่องของเสียงที่ค่อนข้างจะดังมากในขณะที่ทำงาน ส่งผลต่อสุขภาพการได้ยินของผู้ที่ทำงานใกล้กับเครื่องยนต์ เช่น ช่างอากาศยาน, วิศวกรอากาศยาน และข้อเสียที่สำคัญจนทำให้เครื่องยนต์ Turbo-Jet ไม่เป็นที่นิยมในปัจจุบันนั่นคือ มันจะมีประสิทธิภาพที่ต่ำมาก เมื่อทำการบินหรือทำความเร็วที่ต่ำกว่า 2 มัค (1 มัคมีค่าประมาณความเร็วของเสียงที่เดินทางในอากาศ) ซึ่งโดยปกติแล้วเครื่องบินโดยสารจะทำความเร็วที่ 0.8-0.9 มัค ดังนั้น จึงไม่เหมาะหากเลือกเครื่องยนต์ Turbo-Jet มาใช้งาน

ในโลกแห่งวิศวกรรมศาสตร์ไม่มีสิ่งไหนที่ดีที่สุด ไม่มีสิ่งไหนที่สมบูรณ์แบบ ทุก ๆ สิ่งประดิษฐ์เมื่อมีข้อดีก็ต้องต้องมีข้อเสีย ดังนั้นมันจึงมีแต่ความเหมาะสมเมื่อนำมาใช้งาน มนุษย์ก็เช่นกันในชีวิตนี้แน่นอนว่าเราจะต้องทำงานกับผู้อื่นแน่ ๆ จงอย่าคาดหวังว่าทุกคนจะทำในสิ่งที่เราคิดได้ อย่าคาดหวังความสมบูรณ์แบบจากผู้อื่น และอย่าใช้เกณฑ์ของตัวเองในการตัดสินผู้อื่นมากจนเกินไป เพราะทุกคนย่อมแตกต่างกัน ไม่มีใครสมบูรณ์แบบแม้แต่ตัวเราเอง

 

ที่มาhttps://www.scimath.org/article-physics/item/9097-turbo-jet

แบบจำลองอะตอม (Atomic Model)

บทเรียนที่ 1 dolton and thomson model

แบบจำลองอะตอมของจอร์น ดอลตัน

คลิก  hd-people-mobile-image-750x352px

ในปี พ.ศ. 2346 (ค.ศ. 1803) จอห์น ดอลตัน (John Dalton) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษได้เสนอทฤษฎีอะตอม

เพื่อใช้อธิบายเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของสารก่อนและหลังทำปฏิกิริยา รวมทั้งอัตราส่วนโดยมวลของธาตุที่รวมกันเป็นสารประกอบ ซึ่งสรุปได้ดังนี้

1. ธาตุประกอบด้วยอนุภาคเล็กๆหลายอนุภาคเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่า “อะตอม” ซึ่งแบ่งแยกและทำให้สูญหายไม่ได้

2. อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน แต่จะมีสมบัติ แตกต่างจากอะตอมของธาตุอื่น

3. สารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุมากกว่าหนึ่งชนิดทำปฏิกิริยา เคมีกันในอัตราส่วนที่เป็นเลขลงตัวน้อยๆ

จอห์น ดอลตัน ชาวอังกฤษ เสนอทฤษฎีอะตอมของดอลตัน

– อะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุด แบ่งแยกอีกไม่ได้

– อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันมีสมบัติเหมือนกัน

– อะตอมต้องเกิดจากสารประกอบเกิดจากอะตอมของธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมารวมตัวกันทางเคมี

ทฤษฎีอะตอมของดอลตันใช้อธิบายลักษณะและสมบัติของอะตอมได้เพียงระดับหนึ่ง แต่ต่อมานักวิทยาศาสตร์ค้นพบข้อมูลบางประการที่ไม่สอดคล้องกับทฤษฎีอะตอมของ ดอลตัน เช่น พบว่าอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันอาจมีมวลแตกต่างกันได้

ลักษณะแบบจำลองอะตอมของดอลตัน

ทรงกลมตันมีขนาดเล็กที่สุดซึ้งแบ่งแยกอีกไม่ได้

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ทำการศึกษาและทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซโดยใช้หลอดรังสีแคโทด

หลอดรังสีแคโทด 

เป็นเครื่องที่ใช่ทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าโดยหลอดรังสีแคโทดจะมีความดันต่ำมาก และความต่างศักย์สูงมาก วิลเลียม ครูกส์ได้สร้างหลอดรังสีแคโทดขึ้นมาโดยใช้แผ่นโลหะ 2 แผ่นเป็นขั้วไฟฟ้า โดยต่อขั้วไฟฟ้าลบกับขั้วลบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่า แคโทด และต่อขั้วไฟฟ้าบวกเข้ากับขั้วบวกของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่า แอโนด

การค้นพบอิเล็กตรอน 

เซอร์โจเซฟ จอห์น ทอมสัน ดัดแปลงหลอดรังสีใหม่ ดังรูป

รังสีพุ่งจากด้าแคโทดไปยังด้านแอโนด และจะมีรังสีส่วนหนึ่งทะลุออกไปกระทบกับฉากเรืองแสง

หลังจากนั้นทอมสันได้เพิ่มขั้วไฟฟ้าเข้าไปในหลอดรังสีแคโทดดังรูป

ปรากฎว่า รังสีนี้จะเบี่ยงเบนเข้าหาขั้วบวก แสดงว่า รังสีนี้ต้องเป็นประจุลบ แต่ไม่ทราบว่าเกิดจากก๊าซในหลอดรังสีแคโทด หรือเกิดจากขั้วไฟฟ้าทอมสันจึงทำการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าของก๊าซในหลอดรังสีแคโทด พบว่า ไม่ว่าจะใช้ก๊าซใดบรรจุในหลอดหรือใช้โลหะใดเป็นแคโทด จะได้ผลการทดลองเหมือนเดิม จึงสรุปได้ว่า อะตอมทุกชนิดมีอนุภาคที่มีประจุลบเป็นองค์ประกอบ เรียกว่า “อิเล็กตรอน”

การค้นพบโปรตอน 

เนื่องจากอะตอมเป็นกลางทางไฟฟ้า และการที่พบว่าอะตอมของธาตุทุกชนิดประกอบด้วยอิเล็กตรอนซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ทำให้นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าองค์ประกอบอีกส่วนหนึ่งของอะตอม จะต้องมีประจุบวกด้วย ออยแกน โกลด์สไตน์ (Eugen Goldstein) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน ได้ทดลองเกี่ยวกับหลอดรังสีแคโทด โดยดัดแปลงหลอดรังสีแคโทด ดังรูป

ผลการทดลองของโกสไตน์

เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้า ปรากฏว่ามีจุดสว่างเกิดขึ้นทั้งฉากเรืองแสง ก. และฉากเรืองแสง ข.

โกลสไตน์ได้อธิบายว่า จุดเรืองแสงที่เกิดขึ้นบนฉากเรืองแสง ก. จะต้องเกิดจากที่ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก เคลื่อนที่ผ่านรูตรงกลางของแคโทด ไปยังฉากเรืองแสง แต่ยังไม่ทราบว่ารังสีที่มีประจุไฟฟ้าบวกนี้เกิดจากอะตอมของก๊าซ หรือเกิดจากอะตอมของขั้วไฟฟ้า และมีลักษณะเหมือนกันหรือไม่

โกลสไตน์ได้ทดลองเปลี่ยนชนิดของก๊าซในหลอดแก้วปรากฏว่าอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกเหล่านี้มีอัตราส่วนประจุต่อมวลไม่เท่ากัน ขึ้นอยู่กับชนิดของก๊าซที่ใช้และเมื่อทดลองเปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำเป็นขั้วไฟฟ้าหลายๆชนิดแต่ให้ก๊าซในหลอดแก้วชนิดเดียวกัน ปรากฏว่า ผลการทดลองได้อัตราส่วนประจุต่อมวลเท่ากันแสดงว่าอนุภาคบวกในหลอดรังสีแคโทดเกิดจากก๊าซไม่ได้เกิดจากขั้วไฟฟ้า

สรุปแบบจำลองของทอมสัน 

จากผลการทดลอง ทั้งของทอมสันและโกลด์สไตน์ ทำให้ทอมสันได้ข้อมูลเกี่ยวกับอะตอมมากขึ้น จึงได้เสนอแบบจำลองอะตอม ดังนี้ อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลมประกอบด้วยอนุภาคโปรตอนที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวกและอนุภาคอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบ กระจัดกระจายอย่างสม่ำเสมอในอะตอมอะตอมที่มีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีจำนวนประจุบวกเท่ากับจำนวนประจุลบ

 

 

ที่มาhttps://www.scimath.org/lesson-chemistry/item/7121-atomic-model

กบ..อ๊บ อ๊บ…เป็นนักพยากรณ์อากาศ จริงหรือ??? (forecasting frog)

forecasting frog

คลิก  hd-people-mobile-image-750x352px

กบเอยทำไมจึงร้อง กบเอยทำไมจึงร้อง ? … ที่กบมันร้องก็เพราะว่าท้องมันปวด

ท้องเอยทำไมจึงปวด ท้องเอยทำไมจึงปวด ? … ที่ท้องมันปวดก็เพราะว่าข้าวมันดิบ

ข้าวเอยทำไมจึงดิบ ข้าวเอยทำไมจึงดิบ ? … ที่ข้าวมันดิบก็เพราะว่าไฟมันดับ

ไฟเอยทำไมจึงดับ ไฟเอยทำไมจึงดับ ? … ที่ไฟมันดับก็เพราะว่าฟืนมันเปียก

ฟืนเอยทำไมจึงเปียก ฟืนเอยทำไมจึงเปียก ? … ที่ฟืนมันเปียกก็เพราะว่าฝนมันตก

ฝนเอยทำไมจึงตก ฝนเอยทำไมจึงตก ? … ที่ฝนมันตกก็เพราะว่ากบมันร้อง …

บทเพลงสมัยก่อนนู้นนนนนน ที่สอนให้เราได้เข้าใจว่า ทุกสิ่งในโลกนั้นล้วนเกิดขึ้นจากเหตุปัจจัยที่ทำให้เกิดผลที่ตามมา และวนไปมาเป็นวงจรไม่สิ้นสุด ซึ่งทางพระพุทธศาสนาเรียกว่า “ปฏิจจสมุปบาท”

จากเพลงจะเห็นได้ว่าผู้แต่ง แต่งขึ้นโดยอิงจากเหตุการณ์ธรรมชาติที่พบเห็นได้ทั่วไป ซึ่งบางกรณีก็บอกไม่ได้ว่าเป็นเหตุและผลของเหตุการณ์นั้นๆจริงหรือไม่ อย่างประโยคที่ว่า “ฝนมันตกก็เพราะว่ากบมันร้อง”

แต่เคยสังเกตหรือไม่ว่าในธรรมชาตินั้นเมื่อฝนตกมักจะมาพร้อมๆกับเสียงกบร้องแทบทุกครั้ง ซึ่ง กบ” นั้นถือว่าเป็น 1 ในสัตว์ที่คาดว่าเป็นนักพยากรณ์อากาศหนึ่งของโลกเลยทีเดียว ถ้ามองตามแนวคิดของชารลส์ โรเบิร์ต ดาร์วิน (Charles Robert Darwin) นักธรรมชาติวิทยาชาวอังกฤษนั้น เราก็มองได้ว่ามันเป็นสัญชาตญาณของสัตว์ ที่มีกลไกในการปรับตัวตามสภาพแวดล้อมเพื่อความอยู่รอดนั่นเอง (survival mechanism) หากสัตว์ใดไม่สามารถปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนไปได้ ก็จะสูญพันธ์ไปในที่สุดตามกลไกการคัดเลือกโดยธรรมชาติ Natural selection

Charles Darwin

ชารลส์ ดาร์วิน (Charles Darwin)

เราอาจจะเคยได้ยินว่า “กบ ” ที่เป็นสัตว์ครึ่งน้ำครึ่งบกชนิดที่มีเสียงดังนั้น จะร้องด้วยเสียงต่ำ ยาว และดังกว่าปกติหากสภาพอากาศแปรปรวนในชั้นขอบฟ้า เมื่อเราได้ยินเสียงกบดังขึ้นเรื่อยๆ ก็อาจจะสามารถคาดเดาได้ว่าพายุกำลังก่อตัวขึ้น !!!

หากกบอยู่นิ่งบนต้นไม้ แสดงว่าวันนั้นท้องฟ้าจะปลอดโปร่ง เพราะว่าเมื่อท้องฟ้าโปร่งอากาศจะแห้ง แมลงจึงบินได้ค่อนข้างสูง กบจึงต้องปีนขึ้นไปเพื่อจับแมลงบนต้นไม้ แต่ถ้ากระโดดลงมาจากต้นไม้แล้วนั่งยองๆบนพื้น แสดงวันนั้นท้องฟ้าจะมืดครึ้ม เหตุนี้ก็เพราะว่าเมื่อฝนตกความชื้นในอากาศมีมาก ปีกของแมลงจะมีหยดน้ำเกาะทำให้บินได้ไม่สูง กบจึงรอพวกแมลงอยู่ที่พื้นดิน ด้วยเหตุนี้คนจึงสามารถตัดสินสภาพอากาศได้จากการปีนขึ้นลงต้นไม้ของกบ นอกจากนั้นแล้วกบยังเปลี่ยนสีผิวตามฤดูได้ ฤดูร้อนผิวของกบจะเปลี่ยนเป็นสีอ่อน เมื่อถึงฤดูหนาวผิวจะเปลี่ยนเป็นสีเข้ม นอกจากนั้นกบยังสามารถเปลี่ยนสีผิวตามสิ่งที่มันเกาะได้อีกด้วย

แต่นอกจากกบแล้วก็ยังมีสัตว์อื่นๆอีกที่เรามักจะคาดสภาพอากาศจากมัน เช่น นก วัว ผึ้ง ผีเสื้อ แกะ แมลงเต่าทอง มด Groundhog

frog rainy season

กบในฤดูฝน

ในกวีนิพนธ์ของต่างประเทศก็มีอ้างอิงถึงกบนักพยากรณ์ไว้เช่นกัน กบพยากรณ์ (green tree frog) อยู่ในโหลแก้วที่มีน้ำอยู่ครึ่งโหลและมีบันไดเล็กๆวางพาดอยู่ด้านใน เลียนแบบสภาวะธรรมชาติเพื่อเป็นการพยากรณ์อากาศในวันข้างหน้าอันใกล้

ถ้ากบเกาะบันไดที่อยู่ใต้ผิวน้ำ แสดงว่าอากาศที่แปรปรวนใกล้เข้ามา แต่ถ้าปีนขึ้นไปอยู่บนบันไดเหนือน้ำ แสดงว่าอากาศจะแจ่มใส แต่หากกบเริ่มร้องเสียงดังแล้วเมื่อไหร่ละก็หมายถึงพายุกำลังจะมาแน่ๆ

ในสภาพธรรมชาตินั้นกบจะกระโดดไปมาระหว่างกิ่งไม้เพื่อจับแมลง แต่เมื่อฤดูหนาวเข้ามาถึงกบจะลงมาอยู่ที่พื้นดินระหว่างโคลนกับใบไม้ ไม่ต่างกับเวลาที่อยู่ในขวดโหลเลย

 

frog in jar

กบพยากรณ์ในขวดโหล

 

ฟังมาถึงตรงนี้แล้ว พอตอบกันได้รึยังเอ่ยว่า กบเป็นนักพยากรณ์อากาศจริงหรือเปล่า??

กลไกการคัดเลือกโดยธรรมชาติ หรือ Natural selection นี้ เป็นสิ่งหนึ่งที่ทำให้เกิดวิวัฒนาการในสิ่งมีชีวิต และก่อให้เกิดความหลากหลายในธรรมชาติอย่างทุกวันนี้ ตามทฤษฎีวิวัฒนาการ (Theory of Evolution) ของดาร์วิน ที่กล่าวว่า “สิ่งมีชีวิตทุกชนิดมีความสัมพันธ์กัน และมีบรรพบุรุษมาจากสิ่งเดียวกัน แต่เปลี่ยนกันไปตามกาลเวลา ไม่ว่าจะเป็นสัตว์หรือพืชล้วนแล้วแต่สัมพันธ์กัน” นั่นเอง

12 กุมภาพันธ์ 2558 นี้ ครบ 206 ปี ชารลส์ โรเบิร์ต ดาร์วิน นักวิทยาศาสตร์ผู้ทำการปฏิวัติความเชื่อเดิมๆ เกี่ยวกับที่มาของสิ่งมีชีวิต และเสนอทฤษฎีซึ่งเป็นทั้งรากฐานของทฤษฎีวิวัฒนาการสมัยใหม่ และหลักการพื้นฐานของกลไกการคัดเลือกโดยธรรมชาติ (natural selection) แล้วนะ… ^____^

ชาลส์ ดาร์วิน วัยเจ็ดขวบ เมื่อปี ค.ศ. 1816

ชารลส์ ดาร์วิน วัยเจ็ดขวบ เมื่อปี ค.ศ. 1816

วิทยาศาสตร์ของฟองอากาศ

สีสันที่สดใสและรูปร่างทรงกลมที่ลอยสู่อากาศเป็นสิ่งที่ทำให้เด็กตื่นตาตื่นใจ นั่นจึงทำให้การเป่าฟองอากาศเป็นหนึ่งในกิจกรรมที่สร้างความสนุกเพลิดเพลิน รวมทั้งยังมีส่วนช่วยในการเสริมสร้างพัฒนาการในเรื่องของการเคลื่อนไหวและการมองเห็นให้กับเด็ก ๆ ทั้งนี้จากรูปร่างที่เห็นเป็นทรงกลมนั้นมีเหตุผลทางวิทยาศาสตร์ที่ควรทำความเข้าใจไว้เนื่องด้วยอาจเป็นประโยชน์สำหรับการตอบข้อสงสัยของเด็กน้อยช่างสังเกต

8492 1

ภาพที่  1 เด็ก ๆ ชอบเล่นฟองอากาศ
ที่มา https://pixabay.com , dagon

คลิก  hd-people-mobile-image-750x352px

ในความเป็นจริงแล้วฟองอากาศไม่ได้มีรูปร่างเป็นทรงกลมเพียงอย่างเดียว แต่สามารถมีรูปร่างที่แตกต่างกันออกไปตามอุปกรณ์ที่ใช้สร้างฟองอากาศ อย่างไรก็ดีสำหรับบทความนี้จะอธิบายให้เข้าใจถึงรูปร่างโดยทั่วไปของฟองอากาศที่มีลักษณะเป็นทรงกลม

ฟองอากาศ (Bubbles) หรือฟองสบู่เป็นชั้นฟิล์มบาง ๆ ของน้ำสบู่ที่ห่อหุ้มอากาศไว้และก่อตัวเป็นทรงกลม โดยมีพื้นผิวเป็นสีรุ้ง เมื่อมีแสงตกกระทบพื้นผิวของฟองสบู่จึงจะทำให้มองเห็นสีที่แตกต่างกันออกไป ทั้งนี้สีของพื้นผิวของฟองสบู่จะแตกต่างจากสีรุ้งของรุ้งกินน้ำที่เกิดจากการหักเหของแสงที่ความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน โดยสีที่มองเห็นในฟองสบู่นั้นเกิดขึ้นจากการแทรกสอดของแสงที่สะท้อนออกมาจากแสงที่ตกกระทบชั้นฟิล์มบาง ๆ ของฟองสบู่ทั้งด้านนอกและด้านใน ซึ่งมีทั้งการแทรกสอดแบบหักล้างและเสริมกัน ขึ้นอยู่กับความหนาของชั้นฟิล์มของฟองสบู่และมุมที่แสงตกกระทบ

8492 2

ภาพที่ 2 พื้นผิวของฟองสบู่มีสีรุ้งที่เปลี่ยนแปลงไปมา
ที่มา https://pixabay.com , PublicDomainPictures

โดยทั่วไปในธรรมชาติ เรามักจะพบเห็นหยดน้ำเล็ก ๆ หรือหยดน้ำค้างบนใบไม้ซึ่งมีลักษณะเป็นทรงกลมเช่นเดียวกับฟองสบู่ ลักษณะเช่นนั้นเป็นผลมาจากพื้นผิวของของเหลวมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเข้าด้วยกัน และพยายามที่ดึงพื้นผิวของของเหลวให้ตึง โดยแรงดังกล่าวเรียกว่า แรงตึงผิวของของเหลว

          แรงตึงผิว (Surface Tension Force) เป็นแรงที่เกิดขึ้นบริเวณพื้นผิวของของเหลวที่พยายามดึงโมเลกุลที่ผิวหน้าของของเหลวเพื่อทำให้มีพื้นที่ผิวที่น้อยที่สุดหรือเพื่อไม่ให้พื้นผิวขาดออกจากกัน โดยมีทิศขนานกับผิวของของเหลว และตั้งฉากกับเส้นขอบที่ของเหลวสัมผัส

8492 3

ภาพที่ 3 แรงตึงผิวของของเหลวทำให้หยดน้ำค้างมีลักษณะเป็นทรงกลม
ที่มา https://pixabay.com , ju1959jjj

ในกรณีของฟองของเหลวหรือฟองสบู่นั้นจะประกอบด้วยชั้นของฟิล์มบาง ๆ สองชั้น โดยมีชั้นของของเหลวอยู่ระหว่างพื้นผิวทั้งสอง ทั้งนี้แรงตึงผิวจะดึงโมเลกุลที่ผิวหน้าของของเหลวเข้าหากัน และพยายามทำให้ฟองอากาศมีพื้นที่ผิวที่น้อยที่สุดด้วยการหดตัวลงและบีบอัดอากาศภายในจนถึงจุดสมดุล ซึ่งเป็นจุดที่อากาศภายในฟองสบู่มีแรงดันที่เพิ่มขึ้นและต้านการหดตัวของชั้นฟิล์มทั้งสองในทุกทิศทางเพื่อไม่ให้หดตัวต่อไปได้อีก ด้วยเหตุนี้ฟองสบู่จึงมีลักษณะเป็นทรงกลม อย่างไรก็ตามฟองสบู่จะคงอยู่เพียงไม่กี่วินาที และมักจะระเบิดออกเมื่อสัมผัสกับสิ่งอื่นหรือระเบิดออกด้วยตัวเองเมื่อโมเลกุลของของเหลวที่อยู่ระหว่างผิวชั้นนอกและชั้นในระเหยไปจนหมด

8492 4

ภาพที่ 4 ฟองสบู่
ที่มา https://pixabay.com ,  Alexas_Fotos

แม้ว่าการเป่าฟองสบู่จะกระตุ้นการทำงานร่วมกันระหว่างการเคลื่อนไหวและการมองเห็นได้เป็นอย่างดี แต่สิ่งหนึ่งที่ควรคำนึงถึงคือความสะอาดและสารเคมีที่เป็นส่วนผสมผลิตภัณฑ์หรืออุปกรณ์ที่ใช้ในการสร้างฟองอากาศที่จะต้องไม่ก่อให้เกิดการระคายเคืองต่อผิวหนังที่บอบบางของเด็ก ๆ

ทฤษฎีสัมพัทธภาพ

relativity1

คลิก  hd-people-mobile-image-750x352px

ทฤษฎีสัมพัทธภาพ (Relativity Theory)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพเป็นรากฐานความสำคัญของฟิสิกส์ยุคใหม่ โดยทฤษฎีนี้ได้แยกออกเป็นสองตอน คือทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ และ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity )จะเกี่ยวข้องกับระบบที่มีความเร็วคงที่คือเป็น ระบบที่ไม่มีความเร่ง การอธิบายทฤษฎีนี้อย่างง่ายที่สุดก็เปรียบเทียบให้เห็นว่า เมื่อเรารู้สึกว่าทุกสิ่งกำลังหยุดนิ่งหรือมีความเร็วที่เท่ากันเราไม่สามารถบอกได้ว่าสิ่งใดกำลังเคลื่อนที่ เช่น โลกหมุนรอบตัวเองและรอบดวงอาทิตย์ เรายัง รู้สึกว่าทุกสิ่งกำลังอยู่กับที่ แต่ที่จริงสิ่งที่เรานึกว่าหยุดอยู่กับที่กลับเคลื่อนที่

ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ (Special Relativity) ถูกเสนอขึ้นในปี ค.ศ. 1905 โดยอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ในบทความของเขา “เกี่ยวกับพลศาสตร์ไฟฟ้าของวัตถุซึ่งเคลื่อนที่ (On the Electrodynamics of Moving Bodies)” สามศตวรรษก่อนหน้านั้น หลักสัมพัทธภาพของกาลิเลโอกล่าวไว้ว่า การเคลื่อนที่ ด้วยความเร็วคงที่ทั้งหมดเป็นการสัมพัทธ์ และไม่มีสถานะของการหยุดนิ่งสัมบูรณ์และนิยามได้ คนที่อยู่บนดาดฟ้าเรือคิดว่าตนอยู่นิ่ง แต่คนที่สังเกตบนชายฝั่งกลับบอกว่า ชายบนเรือกำลังเคลื่อนที่ ทฤษฏีของไอน์สไตน์รวมหลักสัมพัทธภาพของกาลิเลโอเข้ากับสมมติฐานที่ว่า ผู้สังเกตทุกคนจะวัดอัตราเร็วของแสงได้เท่ากันเสมอ ไม่ว่าสภาวะการเคลื่อนที่เชิงเส้นด้วยความเร็วคงที่ของพวกเขาจะเป็นอย่างไร

ทฤษฏีนี้มีข้อสรุปอันน่าประหลาดใจหลายอย่างซึ่งขัดกับสามัญสำนึก แต่สามารถพิสูจน์ได้ด้วยการทดลอง ทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษล้มล้างแนวคิดของสเปซสัมบูรณ์และเวลาสัมบูรณ์ของนิวตันโดยการยืนยันว่า ระยะทางและเวลาขึ้นอยู่กับผู้สังเกต และเวลากับสเปซนั้นถูกรับรู้ต่างกันไปขึ้นอยู่กับผู้สังเกต มันนำมาซึ่งหลักการสมมูลของสสารและพลังงาน ซึ่งสามารถแสดงเป็นสมการชื่อดัง E=mc2เมื่อ c คืออัตราเร็วของแสง ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษสอดคล้องกับกลศาสตร์นิวตันในสำนึกทั่วไปและในการทดลองเมื่อความเร็วของสิ่งต่างๆ น้อยมากเมื่อเทียบกับอัตราเร็วแสง

ทฤษฎีนี้เรียกว่า “พิเศษ” เนื่องจากมันประยุกต์หลักสัมพัทธภาพกับกรอบอ้างอิงเฉื่อยเท่านั้น ไอน์สไตน์พัฒนาทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปโดยประยุกต์หลักสัมพัทธภาพให้ใช้ทั่วไปกล่าวคือ ใช้ได้กับทุกกรอบอ้างอิง และทฤษฎีดังกล่าวยังรวมผลของความโน้มถ่วง ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษไม่ได้รวมผลของความโน้มถ่วง แต่มันสามารถจัดการกับความเร่งได้ ถึงแม้ว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพจะทำให้เกิดการสัมพัทธ์กันของปริมาณบางอย่าง เช่น เวลาซึ่งเรามักคิดว่าเป็นปริมาณสัมบูรณ์เนื่องจากประสบการณ์ในชีวิตประจำวัน ถึงกระนั้นมันก็มีปริมาณบางอย่างที่เป็นปริมาณสัมบูรณ์ทั้งๆที่เราคิดว่ามันน่าจะเป็นปริมาณสัมพัทธ์ กล่าวให้ชัดคือว่า อัตราเร็วของแสงจะเท่ากันสำหรับทุกผู้สังเกต แม้ว่าพวกเขาจะเคลื่อนที่สัมพัทธ์กันก็ตาม ทฤษฎีสัมพัทธภาพแสดงให้เห็นว่า c ไม่ใช่แค่ความเร็วของปรากฏการณ์ที่เรียกว่า — แสง — เท่านั้น แต่ยังเป็นค่าพื้นฐานที่เชื่อมสเปซกับเวลาเข้าด้วยกัน กล่าวโดยเจาะจงคือว่าทฤษฎีสัมพัทธภาพยืนยันว่าไม่มีวัตถุใดเคลื่อนที่เร็วเท่ากับแสงได้

1.สมมติฐานข้อที่หนึ่ง – หลักสัมพัทธภาพอย่างพิเศษ – กฎทางฟิสิกส์ย่อมเหมือนกันในทุกกรอบอ้างอิงเฉื่อย กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ไม่มีกรอบอ้างอิงพิเศษใดๆ
2.สมมติฐานข้อที่สอง – ความไม่แปรเปลี่ยนของ c – อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศเป็นค่าคงที่สากล (c) ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดแสงนั้น

พลังของทฤษฎีไอน์สไตน์เกิดขึ้นจากวิธีที่เขาได้มาซึ่งผลลัพธ์อันน่าตื่นตระหนกและดูจะไม่น่าถูกต้องจากข้อสมมุติง่าย ๆ สองอย่างซึ่งค้นพบจากการสังเกต ผู้สังเกตพยายามวัดอัตราเร็วของแสงที่แผ่ออกมา พบว่าได้คำตอบเท่าเดิมไม่ว่าผู้สังเกตหรือองค์ประกอบของระบบวัดจะเคลื่อนที่อย่างไร

หลักสัมพัทธภาพ ซึ่งกล่าวว่าไม่มีกรอบอ้างอิงที่อยู่กับที่ นั้นสืบเนื่องมาจากกาลิเลโอ และถูกรวมเข้ากันฟิสิกส์ของนิวตัน อย่างไรก็ตาม ในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 การมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้นักฟิสิกส์เสนอแนวคิดว่า เอกภพเต็มไปด้วยสารที่รู้จักในนาม “อีเทอร์” ซึ่งทำตัวเป็นตัวกลางยามที่การสั่นของคลื่นเคลื่อนไป อีเทอร์ถูกตั้งขึ้นเพื่อการมีกรอบอ้างอิงสัมบูรณ์ต้านกับหลักที่ว่าอัตราเร็วของกรอบอ้างอิงใดๆ สามารถวัดได้ กล่าวอีกอย่างคือ อีเทอร์เป็นสิ่งเดียวที่ถูกตรึงหรือไม่เคลื่อนที่ในเอกภพ อีเทอร์ถูกสมมุติให้มีคุณสมบัติอันอัศจรรย์: มันยืดหยุ่นพอที่จะรองรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และคลื่นนั้นต้องสามารถมีการกระทำกับสสาร ในขณะที่ตัวอีเทอร์เองต้องไม่มีความต้านทานในการเคลื่อนที่สำหรับวัตถุที่ทะลุผ่านมันไป ผลการทดลองต่างๆ รวมทั้งการทดลองของไมเคิลสันและเมอร์เลย์ ชี้ให้เห็นว่าโลก ‘อยู่กับที่’ — ซึ่งเป็นอะไรที่ยากจะอธิบายได้ เพราะโลกอยู่ในวงโคจรรอบดวงอาทิตย์ ผลลัพธ์อันสละสลวยของไอน์สไตน์ล้มล้างแนวคิดเรื่องอีเทอร์และการอยู่นิ่งสัมบูรณ์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษถูกเขียนขึ้นไม่ใช่แค่ถือว่ากรอบอ้างอิงเฉพาะใดๆนั้นพิเศษ แต่ว่าในสัมพัทธภาพ กรอบหนึ่งๆ ต้องสังเกตพบกฎทางฟิสิกส์แบบเดียวกันโดยไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วของผู้สังเกต กล่าวให้ชัดคือ อัตราเร็วของแสงในสุญญากาศต้องวัดได้ c เสมอ แม้ว่าจะวัดโดยระบบต่าง ๆ ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่าง ๆ (แต่คงที่)

ไอน์สไตน์ได้กล่าวไว้ว่าผลที่ตามมาของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษสามารถหาได้จากการพิจารณาการแปลงแบบลอเรนซ์ การแปลงเหล่านี้ รวมทั้งทฤษฏีสัมพัทธภาพพิเศษ นำไปสู่การทำนายลักษณะกายภาพที่ต่างไปจากกลศาสตร์นิวตันเมื่อความเร็วสัมพัทธ์มีค่าเทียบเคียงอัตราเร็วแสง อัตราเร็วแสงนั้นมากกว่าทุกสิ่งที่มนุษย์เคยประสบจนทำให้ผลบางอย่างซึ่งทำนายจากหลักการสัมพัทธ์นั้นจะขัดกับสัญชาตญาณตั้งแต่แรก:

1) การยืดออกของเวลา – เวลาที่ล่วงไประหว่างเหตุการณ์สองอย่างนั้นไม่แปรเปลี่ยนจากผู้สังเกตหนึ่งไปยังผู้สังเกตหนึ่ง แต่มันขึ้นอยู่กับความเร็วสัมพัทธ์ของกรอบอ้างอิงของผู้สังเกต(ตัวอย่างเช่น ปัญหา twin paradox ซึ่งพูดถึงฝาแฝดซึ่งคนหนึ่งบินไปกับยานอวกาศซึ่งเคลื่อนที่ไปด้วยความเร็วใกล้แสง แล้วกลับมาพบว่าแฝดของเขาที่อยู่บนโลกมีอายุมากกว่า)
2) สัมพัทธภาพของความพร้อมกัน – เหตุการณ์สองอย่างเกิดขึ้นในที่ที่ต่างกันสองแห่งอย่างพร้อมกันสำหรับผู้สังเกตหนึ่ง อาจไม่พร้อมกันสำหรับผู้สังเกตคนอื่น (ความบกพร่องของความพร้อมกันสัมบูรณ์)
3) การหดสั้นเชิงลอเรนซ์ – มิติ (เช่น ความยาว) ของวัตถุเมื่อวัดโดยผู้สังเกตคนหนึ่งอาจเล็กลงกว่าผลการวัดของผู้สังเกตอีกคนหนึ่ง (ตัวอย่างเช่น ladder paradox เกี่ยวข้องกับบันไดยาวซึ่งเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วใกล้แสงและเข้าเก็บในห้องซึ่งเล็กกว่า)
4) การรวมความเร็ว – ความเร็ว (และอัตราเร็ว) ไม่ได้ ‘รวม’ กันง่าย ๆ ยกตัวอย่างเช่นถ้าจรวดลำหนึ่งกำลังเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว ? ของอัตราเร็วแสงสัมพัทธ์กับผู้สังเกตคนหนึ่ง แล้วจรวดก็ปล่อยมิซไซล์ที่มีอัตราเร็วเท่ากับกี่เท่าของอัตราเร็วแสงสัมพัทธ์กับจรวด มิซไซล์ไม่ได้มีอัตราเร็วมากกว่าอัตราเร็วแสงสัมพัทธ์กับผู้สังเกต (ในตัวอย่างนี้ ผู้สังเกตจะเห็นมิซไซล์วิ่งไปด้วยอัตราเร็ว 12/13 ของอัตราเร็วแสง)
4) ความเฉื่อยกับโมเมนตัม – เมื่อความเร็วของวัตถุเข้าใกล้อัตราเร็วแสง วัตถุจะเร่งได้ยากขึ้นและยากขึ้นเรื่อย ๆ

การสมมูลของมวลและพลังงาน, E=mc2- มวลและพลังงานสามารถแปลงกลับกันไปมา และมีบทบาทเทียบเท่ากัน (ตัวอย่างเช่น แรงโน้มถ่วงของแอปเปิลที่กำลังหล่น ส่วนหนึ่งเกิดจากพลังงานจลน์ของอนุภาคย่อยซึ่งประกอบเป็นแอปเปิลขึ้นมา)

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับระบบที่มีความเร็วไม่คงที่เมื่อ เทียบกับระบบที่มีความเร่ง เพื่ออธิบายปรากฎการณ์ต่างๆ ในเอกภพโดยใช้พื้นฐานความคิดที่แตกต่างจากฟิสิกส์ดั้งเดิมแบบนิวตัน ส่วนใหญ่ทฤษฎีนี้จะ เกี่ยวข้องกับแรงดึงดูดระหว่างมวลและมีการพิสูจน์ให้เห็นเป็นรูปธรรมได้ด้วย ใจความสำคัญของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมีดังนี้

1.ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปใช้อธิบายกับการเคลื่อนที่ทุกรูปแบบ ไม่ว่าจะเป็นการเร่งความเร็ว หักโค้งหรือหมุนไปรอบๆ
2.แรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งที่สสารทำให้เกิดขึ้นกับระยะทางและเวลา
3.ถ้าคุณตกตึก แรงเฉื่อยที่ชะลอการตกของคุณจะไปหักล้างแรงโน้มถ่วง ทำให้คุณไม่รู้สึกว่ามีแรงโน้มถ่วงอีกต่อไป
4.แสงและวัตถุเคลื่อนที่ตามรูปร่างของกาลอวกาศ (ถ้ามันโค้ง แสงหรือวัตถุก็จะเคลื่อนที่โค้ง)
5.ไม่มีใครพิสูจน์ได้ว่าคุณเคลื่อนที่อย่างราบรื่น หรือแม้แต่จะพิสูจน์ว่าคุณกำลังเร่งอัตราเร็วอยู่หรือไม่ คุณนึกเอาเองจากสิ่งที่คุณเห็น
6.ไม่ว่าแรงโน้มถ่วงจะทำอะไรได้ ความเร่งก็ทำสิ่งนั้นได้เช่นกัน (ทางกลับกันก็ทำได้)
– ความเร่งทำให้แสงโค้งได้ฉันใด แรงโน้มถ่วงก็ทำให้แสงโค้งได้ฉันนั้น
– เมื่อแรงโน้มถ่วงทำให้แสงโค้ง แสงจะเดินทางช้าลง
– เมื่อแสงเดินทางช้าลง เวลาก็ช้าลง
7.จึงสรุปได้ว่าแรงโน้มถ่วงทำให้เวลาช้าลง และทำให้ระยะทางโค้ง

สภาพสัมพัทธ์ (Relativity)

– การบอกตำแหน่งของวัตถุใดๆจะไม่มีความหมาย ชัดเจนถ้าไม่มีสิ่งอื่นเป็นหลักสำหรับเปรียบเทียบ
– เวลาก็เช่นเดียวกันต้องอาศัยเหตุการณ์บางอย่างเป็นหลักในการเปรียบเทียบเวลา
– ความเร็วซึ่งบอกอัตราการเปลี่ยนตำแหน่งย่อมเป็นปริมาณเปรียบเทียบกับแกนอ้างอิง

กรอบอ้างอิง (Frame of Reference)
แกนโคออร์ดิเนตหรือกรอบอ้างอิงที่มีความเร่งเป็นศูนย์อย่างแท้จริงมี ชื่อเรียกกว่า “กรอบเฉื่อย” เพราะฉะนั้นแกนโคออร์ดิเนตอื่นๆ ที่มีความเร็วสัมพัทธ์คงที่เมื่อเทียบกับกรอบเฉื่อยย่อมเป็นกรอบเฉื่อยด้วย

 

เมื่อเราต้องการวัดสิ่งที่ไม่มีตัวตน

 Fire

คลิก  hd-people-mobile-image-750x352px

จำได้ว่าสมัยเรียนฟิสิกส์ในระดับปริญญาตรี วิชาที่เรียนแล้วสร้างความปวดเศียรให้มากที่สุดวิชาหนึ่งนั่นก็คือ วิชาเทอร์โมไดนามิคส์ (Thermodynamic) ซึ่งกล่าวถึงความร้อนและกฎต่างๆที่ศึกษาผลของความร้อน เอาประเด็นแรกเลย คำถามที่ว่า ความร้อนคืออะไร? ก็ยากที่จะตอบให้ถูกต้อง ลองตอบตัวเองกันดูสิครับ ความร้อนคืออะไร…. เมื่อตอบเสร็จลองตอบคำถามต่อไปนะครับว่า แล้วในก้อนน้ำแข็ง มีความร้อนหรือไม่? เอาละสิ ของเย็นๆ อย่างน้ำแข็งมีความร้อนอยู่หรือไม่ ยิ่งไปกว่านั้น ถ้าในก้อนน้ำแข็งมีความร้อนอยู่แล้วมันมีอยู่เท่าไหร่ เราจะวัดได้อย่างไร? ถึงตรงนี้หลายคนอาจจะบอกว่าก็ใช้เทอร์โมมิเตอร์สิ วัดอุณหภูมิออกมาก็จะรู้ว่าร้อนเท่าไหร่  แล้วคุณก็จะพบกับคำถามที่รอคุณอยู่ว่า สิ่งที่เทอร์โมมิเตอร์วัดค่าออกมาได้มันคืออะไรใช่ปริมาณความร้อนหรือไม่ และแท้จริงแล้วอุณหภูมิคืออะไร โอ้ยยยยย เชื่อผมรึยังครับว่าปวดเศียรเป็นที่สุด  ผมได้อ่านบทความที่น่าสนใจเกี่ยวกับการวัดความร้อน จึงนำมาแบ่งปันกันครับ

ชายผู้วัดสิ่งที่ไม่น่าวัดได้

ในวันที่ผมก้ำกึ่งจะรีบออกจากบ้าน คือมีนัดแบบกำหนดช่วงเวลานัดไว้หลวมๆ ไม่ได้กำหนดเวลาที่แน่นอนตายตัว เลยมีเวลาสะสางงานบ้านได้เล็กน้อย ซึ่งผมเลือกไปจัดการกับจานชามที่ใช้อย่างเต็มคราบมาเมื่อวาน ขณะที่กำลังล้างจานอยู่ก็อดไม่ได้ที่จะนึกถึงคำสอนของครูสมัยเด็กว่า “เราควรล้างจานชามที่สกปรกน้อยๆ ก่อน…” ใจความของหลักการข้อนี้คือ ให้ล้างภาชนะที่ไม่ได้ใส่ของมันของคาวเป็นอย่างแรก ส่วนหนึ่งเพื่อให้ฟองน้ำที่เราใช้ล้างไม่ติดกลิ่นคาวมามากนัก และน้ำที่เราใช้แล้วจะได้นำไปล้างจานชามที่เปื้อนคราบมันๆ เป็นน้ำแรกได้อีกต่อหนึ่ง

ทว่าวันนั้นผมกลับเลือกล้างจานใส่ข้าวมันไก่ 5-6 ใบที่สกปรกกว่าแก้วน้ำราวๆ 10 ใบที่กองอยู่ เนื่องจากผมมีเวลาจำกัดในการล้างเลยต้องเลือกล้างบางส่วน และเหตุผลที่เลือกล้างแบบขัดกับตำรา เพราะไม่อยากให้ตอนที่กลับถึงบ้านดึกๆ ต้องเห็นภาพจานที่มีไขมันลอยเกรอะกรังหมักหมมทั้งวัน ซึงพอเห็นแบบนั้นแล้วอาจไม่อยากล้างจานอีกเลยตลอดชีวิต

ดังนั้น หลักที่ครูสอนว่าควรล้างจานชามที่สกปรกน้อยๆก่อนคงไม่ได้เหมาะสมตายตัวไปกับทุกสถานการณ์ อย่างเช่นในช่วงเวลาเร่งด่วยของร้านอาหารที่คนมากินข้าวกันเยอะๆ ห้องล้างจานคงต้องเลือกล้างภาชนะที่ต้องนำไปใช้งานก่อนโดยไม่ได้สนใจจะเรียงลำดับความสกปรกสักเท่าไร

คิดมาถึงตรงนี้รู้สึกตลกนิดๆ เพราะจำได้ว่าเคยเห็นคำถามข้อนี้เป็นข้อสอบในวิชาการงานพื้นฐานอาชีพ (กพอ.) ราวกับว่า “การเลือกล้างจานที่สกปรกน้อยไปหาสกปรกมาก” คือข้อเท็จจริงที่ถูกต้องเสมอ

ลองคิดต่อเล่นๆ ว่า ถ้าเป็นเช่นนั้นโลกเราก็ต้องมีเครื่องมือวัดค่าความสกปรกด้วยจะได้เรียงลำดับการล้างให้ถูกแบบเป๊ะๆ เพราะบางทีจานหลายๆใบที่เลอะต่างกันก็แยกลำบากว่าใบไหนเปื้อนกว่ากัน

แค่แบ่งแยกว่าควาปลาหรือคาวหมูหรือคาวไก่ แบบไหนจะคาวกว่ากัน ก็คิดเห็นไม่ตรงกันแล้ว คุยกันไปคุยกันมาเถียงกันได้ไม่รู้จบ

“นักฟิสิกส์ทำการทดลองด้วยการวัดปริมาณต่างๆ อย่างละเอียดออกมาเป็นตัวเลข ไม่ใช่เพียงแต่”ดู″ว่าร้อนไหม เย็นไหม สูงไหมหรือต่ำไหม” อาจารย์วิทธิพันธุ์   ปรัชญพฤทธิ์ อาจารย์ฟิสิกส์ผู้มากด้วยประสบการณ์การสอนฟิสิกส์กล่าวสอนนักเรียนนักศึกษาไว้แบบนี้

ปริมาณความคาวนั้นสังเกตเห็นได้ง่าย
ปริมาณน้ำหนักก็รับรู้ได้ไม่ยาก
แต่ปริมาณอุณหภูมินั้นวัดได้ลำบาก
ลองนึกดูก็ได้ว่า ถ้าโลกทุกวันนี้ไม่มีเทอร์โมมิเตอร์ เราจะสร้างเครื่องวัดอุณหภูมิอย่างไร?

สมัยก่อนมนุษย์เราไม่รู้ด้วยซ้ำว่าอะไรคือสิ่งที่ทำให้เราเกิดความรู้สึกร้อนหรือเย็นกันแน่ พูดง่ายๆ ว่าตัวตนของอุณหภูมิเป็นเรื่องลึกลับ

ในแง่ความยาวนหรือน้ำหนัก เราเพียงกำหนดความยาวมาตรฐานหรือน้ำหนักมาตรฐานขึ้นมาสักค่าหนึ่ง จากนั้นปริมาณอื่น ๆ ก็จะถูกวัดโดยการเปรียบเทียบตามมา (เช่น กำหนดความยาวของแท่งอะไรสักอย่างเป็นมาตรฐานว่า 1 เมตร สิ่งของที่ยาวกว่าแท่งมาตรฐานนั้น 2 เท่า ก็เรียกมา 2 เมตร, ส่วนของที่ยาวกว่าแท่งมาตรฐานนั้น 3.5 เท่า ก็เรียก 3.5 เมตร เป็นต้นอออออ

แต่การมองหามาตรฐานของอุณหภูมินั้นไม่ง่าย ในเมื่อเรายังไม่ชัดเจนกับมัน จะถือขันใส่น้ำเดินไปบอกใครๆว่า อุณหภมิของน้ำในขันนี้ถือเป็นมาตรฐานก็มีปัญหา เพราะเราไม่รู้ชัดๆ ว่าอะไรเป็นปัจจัยให้มันเปลี่ยนแปลงไปบ้าง และที่สำคัญคือ เราไม่รู้ว่า “ร้อนกว่านี้ 3 เท่าเป็นอย่างไร”
อออออในแง่หนึ่ง อุณหภูมิก็คล้ายกับความสกปรกของจานที่กำหนดการวัดยากเสียจนบางทีเราอาจถอดใจว่ามันเป็นปริมาณที่ไม่มีทางวัดออกมาได้เลย ดังนั้น คนที่คิดวัดอุณหภูมิคนแรกของโลกจึงไม่น่าจะเป็นคนที่มีความคิดแบบธรรมดา ๆ เอ้า…ลองทายดูครับว่าสิ่งที่เห็นนี้คืออะไร

[ที่มา : http://en.wikipedia.org/wiki/Galileo_thermometer]

หากของสิ่งนี้ไม่ปรากฎในการการเกมโชว์คงมีคนทายผิดกันเยอะเลย บอกไว้ก่อนว่ามันไม่ได้ถูกสร้างมาเพื่อตั้งโชว์สวยงามเป็นหลัก แต่มันเป็นเครื่องวัดอุณหภูมิแบบโบราณที่คิดค้นโดยยอดอัจฉริยะหลายร้อยปีก่อนแห่งอิตาลี เขาคือกาลิเลโอ กาลิเลอี (Galileo Galilei) นักฟิสิกส์ผู้มีผลงานมากมาย จนแม้แต่คนที่เรียนด้านฟิสิกส์โดยตรงยังยากจะรู้ครบถ้วนว่ากาลิเลโอคิดค้นอะไรออกมาบ้าง หนึ่งในสิ่งที่ไม่ค่อยมีคนรู้คือ เขาเปฌนคนแรกที่ประดิษฐ์เครื่องวัดความต่างของอุณหภูมิขึ้น

จริง ๆ แล้วจะเรียกสิ่งประดิษฐ์ของกาลิเลโอว่าเทอร์โมมิเตอร์ก็ไม่เชิงนักเพราะมันไม่ได้บอกอุณหภูมิออกมาเป็นปริมาณตัวเลขเป๊ะ ๆ อย่างเทอร์โมมิเตอร์ในปัจจุบัน แต่มันเพียงบอกว่าอุณหภูมิของอากาศรอบ ๆ สูงขึ้นหรือต่ำลงกว่าเดิมประมาณไหน เครื่องที่เห็นในรูปนี้ถูกสร้างขึ้นมาในยุคปัจจุบัน แต่หลักการทำงานของมันไม่ต่างจากเมื่อหลายร้อยปีก่อนเลย ลองมาดูก่อนดีกว่าว่ามันใช้งานอย่างไร

หากมองผ่านกระบอกแก้วใสๆ ขนาดใหญ่เข้าไป เราจะเห็นว่ามีกระเปาะเล็กๆ สีสันต่างๆ ลอยอยู่ในของเหลวอย่างสวยงามแฟนตาซี ในสภาพห้องปกติที่อุณหภูมิไม่ค่อยเปลี่ยนแปลง กระเปาะสีๆ เหล่านี้จะลอยนิ่งๆ ไม่ขยับไปไหน แต่ถ้าอุณหภูมิอากาศรอบๆ เครื่องนี้เย็นลง กระเปาะสีเล็ก ๆ ที่อยู่ด้านล่าง จะค่อยๆลอยสูงขึ้นด้านบนทีละใบๆ และในทางกลับกัน ถ้าอุณหภูมิอากาศรอบๆร้อนขึ้น กระเปาะที่ลอยอยู่ด้านบนจะค่อยๆจมลงสู่เบื้องล่าง (ดังนั้น ถ้าเราเอามันไปใส่ในตู้เย็น กระเปาะสีจะค่อยๆลอยสูงขึ้น และถ้าเราเอาไดร์เป่าผมมาเป่า กระเปาะสีเหล่านี้จะค่อยๆจมลง) ใช้งานง่ายจริงๆ เพียงแค่ดูว่ากระเปาะข้างในลอยขึ้นหรือจมลงเท่าไหร่

แต่ของที่ใช้งานง่าย ๆ อาจไม่ได้เข้าใจหลักการทำงานได้ง่าย ๆ เช่นเดียวกับที่ทุกคนรู้ว่าโทรศัพท์มือถือใช้งานอย่างไร แต่ไม่ใช่ง่าย ๆ เลย ที่จะเรียนรู้ว่าโทรศัพท์มือถือทำงานอย่างไร
หลักการพื้นฐานของอุปกรณ์บอกอุณหภูมินี้มี 2 อย่าง คือ

1. เรื่องแรงลอยตัว
หากของที่จมอยู่ในของเหลวมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลวนั้น มันจะลอยขึ้นมา

หากของที่จมอยู่ในของเหลวมีความหนาแน่นมากกว่าของเหลวนั้น มันจะจมลง

2. ของเหลวโดยทั่วไปเมื่อมีอุณหภูมิสูงขึ้นจะเกิดการขยายตัว ซึ่งการขยายตัวนี้ทำให้ความหนาแน่นของมันลดลง (และในทางกลับกัน ของเหลวที่มีอุณหภูมิต่ำลงจะหดตัวและมีความหนาแน่นมากขึ้น)
“หลักการ 2 ข้อ นี้แหละที่เป็นหัวใจของเครื่องวัดอุณหภูมิแบบกาลิเลโอ”

การทำงานของเครื่องวัดอุณหภูมิโบราณสามารถเข้าใจได้ไม่ยาก ดังนี้ แก้วนั้นมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำ ดังนั้น เมื่อแก้วอยู่ในน้ำแก้วจะจมลงไปเรื่อยๆ  แต่หากเราใส่อากาศเข้าไปในกระเปาะแก้วอย่าง “พอเหมาะ” กระเปาะแก้วจะสามารถลอยค้างอยู่ใต้น้ำได้โดยไม่จมลงไป (เพราะอากาศมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ อากาศในกระเปาะจึงพยายามลอยขึ้น แต่กระเปาะแก้วพยายามจมลง เมื่อแรงทั้งสองส่วนหักล้างกัน มันจึงลอยนิ่งๆ ในน้ำได้)

เมื่อเราเอาไดร์เป่าผมมาเป่าด้านนอก”กระบอกแก้ว” ทำให้”กระบอกแก้ว”ร้อนขึ้น ส่งผลให้น้ำที่อยู่ใน”กระบอกแก้ว”ร้อนขึ้นตามไปด้วย เมื่อน้ำใน”กระบอกแก้ว”ร้อนขึ้น มันจะขยายตัวจนมีปริมาตรมากขึ้น ทำให้ความหนาแน่นของมันลดลง   เอาละ มาถึงตรงนี้บางคนอาจสงสัยว่า ทำไมของที่มีปริมาตรเพิ่มขึ้นจึงมีความหนาแน่นลดลง? ลองนึกถึงเด็กนักเรียนที่ยืนเข้าแถวในสนามหน้าเสาธงแบบเบียดชิดกันจนไหล่แทบจะชนไหล่เพื่อนข้างๆ(อย่างอึดอัด) ทันใดนั้นเมื่อครูบอกให้ขยายแถวด้วยการเหยียดแขนแตะไหล่เพื่อนข้างๆ พวกเข้าย่อมยืนกันอย่างสบายมากขึ้น เพราะการขยายแถวทำให้ความหนาแน่นของเด็กๆลดลงนั่นเอง

เมื่อน้ำใน”กระบอกแก้ว” ขยายตัวจนมีความหนาแน่นลดลง กระเปาะแก้วที่อยู่ในนั้นค่อยๆจมลงไป เพราะกระเปาะแก้วมีความหนาแน่นเท่าเดิม เนื่องจากมันไม่ได้เปลี่ยนแปลงปริมาตรตามไปด้วย ทำไมกระเปาะแก้วที่จมอยู่ในน้ำจึงไม่ขยายตัว? เพราะกระเปาะแก้วเป็นของแข็ง มันจึงขยายตัวเนื่องจากความร้อนเยอะมาก (พูดง่ายๆ ว่า ถึงแม้น้ำในกระเปาะแก้วจะเกิดการขยายตัวไปบ้างก็ไม่ทำให้ปริมาตรโดยรวมเปลี่ยนแปลง ดังนั้น ความหนาแน่นของกระเปาะแก้วจึงเท่าเดิม)

สรุปสั้นๆ ว่า เมื่ออากาศด้านนอก”กระบอกแก้ว”ร้อนขึ้น ของเหลวใน”กระบอกแก้ว” ก็จะค่อยๆ ร้อนขึ้น และขยายตัวทำให้กระเปาะสีๆค่อยๆจมลงมาทีละกระเปาะๆ (กระเปาะสีๆจะมีความหนาแน่นไล่เรียงกันไป โดยกระเปาะบนสุดจะมีความหนาแน่นน้อยที่สุด จึงจมลงมาหลังสุด) ส่วนเมื่ออุณหภูมิรอบๆ กระบอกแก้วลดลง การทำงานก็เป็นไปในทางตรงกันข้าม คือ ของเหลวในกระบอกแก้วหดตัวลงและมีความหนาแน่นมากขึ้น จนกระเปาะภายในค่อยๆ ถูกดันให้ลอยขึ้นทีละกระเปาะๆ

เบื้องหลังอุปกรณ์อันน่าทึ่ง มีหลักการอันน่าทึ่งไม่แพ้กันแฝงอยู่ และเบื้องหลังหลักการอันน่าทึ่งยังมีแนวคิดที่น่าทึ่งสุดๆ แฝงไว้
อะไรทำให้คนคนหนึ่งคิดจะสร้างเครื่องมือวัดอุณหภูมิ? ทั้งที่มันอาจไม่ได้ทำเงินให้เขาเป็นกอบเป็นกำ ทั้งที่มันอาจไม่ได้ทำให้เขามีชื่อเสียงเลื่องลือ ทั้งที่มันอาจไม่ได้ทำให้เขามีอำนาจยิ่งใหญ่ บางทีสำหรับคนที่พยายามตอบคำถามของธรรมชาติ คำถามเหล่านี้อาจไม่ได้น่าสนนักก็ได้

ที่มา : หนังสือเรื่องลึกลับธรรมดา, อาจวรงค์  จันทมาศ  สำนักพิมพ์มติชน

ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติของไฟฟ้า

ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติของไฟฟ้า

ในชีวิตประจำวันเราได้พบเห็นปรากฎการณ์ทางธรรมชาติที่เกี่ยวข้องกับไฟฟ้าสถิต เช่น ฟ้าแลบ ฟ้าผ่า ซึ่งในสมัยโบราณคนไทยเชื่อว่า เกิดจากนางเมขลาล่อแก้ว แล้วรามสูรขว้างขวานใส่ เมื่อขว้างพลาดก็เกิดปรากฏการฟ้าผ่าตามมา ซึ่งในภายหลังเราทราบว่าปรากฏการณ์ฟ้าแลบ ฟ้าผ่า เกิดจากการถ่ายโอนประจุไฟฟ้าในบรรยากาศ

นอกจากนี้ในช่วงฤดูหนาว ในวันที่อากาศแห้ง เมื่อเราหวีผมนานๆ จะสังเกตเห็นว่าเส้นผมของเราจะไม่เรียบ แต่เหมือนกับหวีมีแรงดึงดูดเส้นผมของเรา อีกตัวอย่างหนึ่ง คือ ปลาไหลไฟฟ้า ชาวประมงจะคุ้นเคยดี เมื่อสัมผัสโดนตัวปลาไหล เราจะรู้สึกชา เป็นอันตรายต่อผู้สัมผัส ซึ่งชาวอียิบต์โบราณเรียกปลาไฟฟ้าที่พวกเขาพบว่า สายฟ้าแห่งแม่น้ำไนล์ (Thunderer of the Nile)

ปรากฏการณ์ฟ้าผ่าการถ่ายโอนประจุไฟฟ้าในบรรยากาศ

ปลาไหลไฟฟ้าไฟฟ้าสถิตในชีวิตประจำวัน

คลิก  hd-people-mobile-image-750x352px

ประวัติการศึกษาไฟฟ้า

เธลีส แห่ง มิเลทัส(Thales of Miletus) 640-546 ปี ก่อนคริสต์ศักราช

ภาพจาก:http://en.wikipedia.org/

 

New layer…

การค้นพบไฟฟ้าสถิตเริ่มจาก เธลิส (Thales, 624-546 ปีก่อนคริสต์ศักราช) นักคณิตศาสตร์ นักดาราศาสตร์ และนักปรัชญาชาวกรีก ได้นำแท่งอำพันมาถูกับผ้าขนสัตว์ แล้วพบว่าแท่งอำพันดูดวัตถุเบาๆ ได้ โดยเธลิสเชื่อว่าการขัดถูแท่งอำพันจะทำให้แท่งอำพันแสดงความเป็นแม่เหล็กได้ ในขณะที่มีหินแร่ (minerals) บางชนิดที่แสดงความเป็นแม่เหล็กได้โดยไม่ต้องขัดถู แต่ความเชื่อของเธลิสนั้นผิด เนื่องจากการขัดถูอำพันไม่ได้แสดงความเป็นแม่เหล็กของอำพัน แต่เป็นการถ่ายโอนประจุไฟฟ้าระหว่างผ้าขนสัตว์กับอำพัน อย่างไรก็ตามในภายหลังนักวิทยาศาสตร์สามารถพิสูจน์ได้ว่ามีความเชื่อมโยงกันระหว่างความเป็นแม่เหล็กกับความเป็นไฟฟ้า

ปี ค.ศ. 1936 มีการค้นพบแบตเตอรี่แบกแดด (Baghdad Battery) ในตะวันออกกลาง สมัยราชวงศ์ปาร์เธีย (Parthia) โดยใช้ความรู้ทางด้านแผ่นโลหะไฟฟ้า (Electroplating) ซึ่งคล้ายคลึงกับเซลล์ไฟฟ้าเคมี แต่ยังไม่แน่ชัดว่าเป็นการใช้ไฟฟ้าจากธรรมชาติหรือไม่

หลังจากนั้นความรู้เกี่ยวกับธรรมชาติของไฟฟ้าได้พัฒนาอีกเล็กน้อย จนกระทั่งประมาณปี ค.ศ. 1600 เมื่อ วิลเลี่ยม กิลเบิร์ต (William Gilbert) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ศึกษาแม่เหล็กและไฟฟ้าอย่างละเอียด โดยศึกษาผลกระทบของแท่งเหล็กจากไฟฟ้าสถิตที่เกิดจากการขัดถูของอำพัน เขาบัญญัติศัพท์จากการค้นพบใหม่เป็นภาษาละตินใหม่ว่า “electricus” (แปลว่าอำพันในภาษากรีก) ซึ่งหมายถึงคุณสมบัติของการดึงดูดวัตถุเล็กๆ หลังจากการขัดสี และตรงกับคำในภาษาอังกฤษว่า “electric” และ “electricity” โดยปรากฏขึ้นครั้งแรกในงานเขียนเรื่อง Pseudodoia Epidemica ของโธมัส บราวน์ (Thomas Browne) เมื่อปี ค.ศ. 1646 และมีชิ้นงานที่ให้การสนับสนุนต่อๆ มานำโดยอ็อตโต ฟอน เกียริก (Otto von Guericke), โรเบิร์ต บอยล์ (Robert Boyle), สตีเฟน เกรย์ (Stephen Gray) และชาร์ล เอฟ. ดู เฟย์ (C. F. du Fay)

ในคริตศตวรรษที่ 18 เบนจามิน แฟรงคลิน (Benjamin Franklin) ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับไฟฟ้าอย่างจริงจัง เขาขายทรัพย์สมบัติที่มีเพื่อเป็นทุนวิจัยของเขา ลือกันว่าเขาทำการทดลองในเดือนมิถุนายน ค.ศ. 1752 โดยติดลูกกุญแจโลหะไว้ที่ด้านล่างของเชือกว่าวที่เปียกน้ำ แล้วปล่อยว่าวลอยขึ้นฟ้าในวันที่ท้องฟ้ามีลมพายุรุนแรง เขาสังเกตเห็นประกายไฟที่ประโดดจากลูกกุญแจโลหะสู่หลังมือของเขา มันมีแสงเหมือนฟ้าแลบ ซึ่งก็คือไฟฟ้าในธรรมชาตินั่นเอง

ในปี ค.ศ. 1791 ลุยจิ กัลวานี (Luigi Galvani) นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี ได้ตีพิมพ์การค้นพบไฟฟ้าชีวภาพ พิสูจน์ให้เห็นว่าไฟฟ้าเป็นตัวกลางของการส่งสัญญาณจากเซลล์ประสาทปสู่กล้ามเนื้อ

อเล็กซานโดร โวลต้า (Alessandro Volta) ได้ประดิษฐ์แบตเตอรี่ที่ทำมาจากแผ่นเซลล์ที่ซ้อนทับกันของสังกะสีและทองแดง นับว่าเป็นความสำเร็จของนักวิทยาศาสตร์ที่สามารถพัฒนาแหล่งจ่ายไฟฟ้า ที่ดีกว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิต (Electrostatic Generator) ที่เคยใช้กันมาก่อนหน้านี้

ประมาณปี ค.ศ. 1819 – 1820 ได้มีการนำเสนอทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetism) เป็นทฤษฎีที่ศึกษาเกี่ยวกับปรากฏการณ์ไฟฟ้าและแม่เหล็ก โดยฮันส์ คริสเตียน เออสเตด (Hans Christian Orsted) และอังเดร มารี แอมแปร์ (Andre-Marie Ampere)

ปี ค.ศ. 1821 ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) ได้ประดิษฐ์มอเตอร์ไฟฟ้า (ไดนาโม)

ปี ค.ศ. 1827 จอร์จ ไซมอน โอห์ม (Georg Simon Ohm) ได้ใช้คณิตศาสตร์วิเคราะห์วงจรไฟฟ้า หรือเป็นที่รู้จักในชื่อ “กฎของโอห์ม (Ohm’s law)”

ปี ค.ศ. 1861 และ 1862 เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Mawell) ได้นำเสนอทฤฎีแม่เหล็กไฟฟ้า อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ในงานเขียนของเขา ชื่อ “On Physical Lines of Force” และ “Treatise on Electricity and Magnetism”

ในศตววรษต่อมาวิทยาศาสตร์ด้านไฟฟ้าเจริญรุดหน้าอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะเห็นความก้าวหน้าของวิศวกรรมไฟฟ้าอย่างมาก บุคคลสำคัญที่ร่วมกันพัฒนาความรู้เกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า ได้แก่ นิโคลา เทสลา (Nikola Tesla), โทมัส อัลวา เอดิสัน (Thomas Edison), อ็อตโต บราธี (Otto Blathy), เอินสท์ เวอเทอ ฟอน ซีเมนส์ (Ernst Werner von Siemens), อเล็กซานเดอร์ เกรแฮม เบลล์ (Aleander Graham Bell) และวิลเลียม ทอมสัน บารอนเคลวินที่ 1 (Lord Kelvin) ไฟฟ้าได้แปลงโฉมหน้าวิถีชีวิตของคนสมัยใหม่ มีความจำเป็นและสมควรกับการเป็นแรงขับเคลื่อนในการปฏิวัติอุตสาหกรรมครั้งที่ 2

 

 

ที่มาhttps://www.scimath.org/lesson-physics/item/7206-2017-06-11-03-15-48

ความลึกของสายรุ้ง

คลิก  hd-people-mobile-image-750x352px

รุ้งเป็นปรากฏการณ์ทางแสงที่สวยงาม ในวัยเด็กผมมักจะพบเจอความเชื่อที่ผิดๆ มากมายเกี่ยวกับรุ้ง บ้างก็เกิดจากจินตนาการแบบเด็กๆ อย่างรุ้งคือสะพานสู่สวรรค์ แต่บางความเชื่อก็ยังหาคำอธิบายไม่ได้เช่น ผู้ใหญ่มักจะหลอกเด็กๆ ว่าอย่าใช้มือชี้รุ้ง ประเดี๋ยวนิ้วจะกุด อืม…จนทุกวันนี้ผมก็ยังไม่สามารถหาคำอธิบายใดๆมารองรับความเชื่อนี้ได้ (หนึ่งในคำอธิบายที่ดูเข้าท่าก็คือ กลัวเด็กๆ จะดูรุ้งจนเพลินจนเดินไปสะดุดอะไรเข้า … มั้ง???) จนโตขึ้นมาก็รู้ว่ารูุ้งเกิดจากการหักเหของแสง ก็อืม.. จบแค่นั้น จนกระทั่งวันหนึ่งได้อ่านบทความเกี่ยวกับรุ้ง ซึ่งชี้ให้เห็นว่าจริงๆแล้ว เบื้องหลังความสวยงามของรุ้งนั้น มีคำอธิบายที่มากกว่าแค่การหักเกของแสงเท่านั้น เลยเอามาฝากกันครับ เผื่อว่าดูรุ้งครั้งต่อไป อาจมองเห็นรุ้งมีมิติที่ลึกกว่าที่เคยเป็นมา

ความลึกของสายรุ้ง

“เป็นไปได้ไหมที่จะเข้าใจเรื่องราวต่าง ๆ ในฟิสิกส์โดยไม่ต้องใช้คณิตศาสตร์ ”

นักวิทยาศาสตร์แต่ละสาขามีความพยายามจะอธิบายงานวิจัยและความรู้ที่พวกเขาคลุกคลีอยู่ด้วยภาษาง่ายๆ และการยกตัวอย่างเปรียบเทียบให้คนจำนวนมากเข้าใจอยู่เสมอ ซึ่งคนจำนวนมากไม่ได้เรียนมาทางด้านวิทยาศาสตร์ ทำให้คำอธิบายด้วยภาษาง่ายๆ มีขีดจำกัดอยู่เหมือนกัน

สมัยที่อย่อนุบาล หลังเรียนเรื่องรุ้งกินน้ำจบ ผม(Mister Tompkin) กลับมาทำการทดลอง “สร้างรุ้ง” ที่บ้านหลังการแปรงฟันในตอนเช้า โดยการอมน้ำไว้เต็มกระพุ้งแก้มแล้วเป่าพรวดแรงๆ ให้น้ำกระจายฝอยเป็นละออง อพละอองน้ำต้องแสงแดดก็มีสายรุ้งปรากฎอยู่ในนั้น คิดว่าหลายๆคนคงเคยเล่นแบบนี้แน่ แต่การเล่นเลอะๆ แบบนี้ทำให้ผมรู้สึกทึ่งที่รุ้งกินน้ำไม่ได้เกิดบนท้องฟ้า และไม่จำเป็นต้องเกิดหลังฝนตก เราสามารถสร้างมันได้เอง ถึงแม้จะชั่วพริบตาเดียวก็เถอะ

รุ้งกินน้ำที่เห็นหลังฝนตกนั้นเกิดจากแสงอาทิตย์สาดกระทบละอองฝนเล็กๆ ที่กระจายอยู่เต็มอากาศ แสงที่ส่องกระทบเกิดการหักเหผ่านเข้าไปข้างในหยดน้ำ และวิ่งไปสะท้อนที่ผิวด้านหลังแล้ววกกลับมาหักเหด้านหน้าอีกครั้ง จึงออกมาสู่สายตาเรา

 

รูปแสดงการหักเหของแสงผ่านหยดน้ำ

คำอธิบายนี้ทำให้เราเข้าใจการเกิดรุ้งกินน้ำได้ในระดับหนึ่ง แต่หากจะเข้าใจว่าทำไมรุ้งกินน้ำต้องปรากฏอยู่เหนือระดับสายตาเราด้วยมุมราวๆ 42 องศา แถมยังปรากฏเป็นรูปครึ่งวงกลมด้วย ไม่ใช่รูปสามเหลี่ยม สี่เหลี่ยม  เรื่องแบบนี้ต้องออกแรงคำนวณกันล่ะ

คนที่คำนวณมุมปรากฏของสายรุ้งได้คนแรก คือ เรอเน เดการ์ต (Rene Descartes, 1956-1650) เมื่อราวๆเกือบสี่ร้อยปีก่อน ทำไมเขาต้องลำบากลำบนคิดคำนวณออกมาด้วย เพราะถ้าเราอธิบายว่าสายรุ้งเกิดจากการสะท้อนและหักเหของแสงแล้วจบ คำอธิบายนี้ก็ไม่ได้ต่างจากการอธิบายว่า สายรุ้งคือสัญลักษณ์ที่ปรากฏจากสรวงสวรรค์ หรือสะพานที่เชื่อมโลกมนุษย์กับดินแดนศักดิ์สิทธิ์ ใครๆก็พูดได้ทั้งนั้นแหละว่ารุ้งเกิดขึ้นจากอะไร แต่การคำนวณด้วยกฎการหักเหและสะท้อนทำให้เราทำนายได้ว่า สายรุ้งจะเกิดปรากฏที่มุมราว 42 องศา และปรากฏเป็นครึ่งวงกลม ดังรูป เรียกว่ามีหลักฐานพิสูจน์ยืนยันคำอธิบายของเราอย่างชัดเจนขึ้นไปอีก แถมยังทำให้เราขยายไปอธิบายเรื่องอื่นๆ ได้อีกด้วย

รูปแสดงการเกิดรุ้งที่มุม 42 องศา

หากใครสังเกตดีๆ จะพบว่า เหนือรุ้งกินน้ำที่เราเห็นบ่อยๆ จะมีรุ้งอีกสายปรากฏจางๆอยู่ด้วย สายรุ้งจางๆที่ว่า จะเป็นครึ่งวงกลมขนานไปกับสายรุ้งแรก เราเรียกรุ้งสายจางๆนี้ว่า รุ้งสายที่สอง (secondary rainbow) หลักการทางฟิสิกส์และคณิตศาสตร์คำนวณได้ว่า ทำไมจึงมีรุ้งสายที่สองที่จางกว่าปรากฎเหนือรุ้งสายแรก (ที่มุมราวๆ 50 องศา) แถมรุ้งสายที่สองนี้ยังปรากฏสีตรงข้ามกับรุ้งสายแรกอีกต่างหาก

รุ้งสายแรกที่เราเห็นชัดๆ จะปรากฏสีม่วง-คราม-น้ำเงิน-เขียว-เหลือง-แสด-แดง ไล่จากวงชั้นในไปยังวงชั้นนอก แต่รุ้งสายที่สองจะมีสีสลับกัน คือ วงชั้นในจะเป็นสีแดงแล้วไล่ไปหาม่วงที่ชั้นนอกสุด แถมเราอาจไม่เคยสังเกตเลยว่า พื้นที่ของท้องฟ้าที่ปรากฏเหนือรุ้งสายแรกที่เราเห็นบ่อยๆ จะมีสีเข้มทึบทึมกว่าใต้สายรุ้ง!!! ไม่เชื่อเข้าไปค้นในกูเกิ้ลหารูปรุ้งมาดูได้จะพบว่าเหนือรุ้งกินน้ำ ท้องฟ้าจะมืดกว่าใต้รุ้งจริงๆ (ลองกลับไปดูรูปสายรุ้งด้านบนสุดดูนะครับ)

ทั้งหมดที่กล่าวมานี้เราสามารถคำนวณได้ แต่ก็ยุ่งยากซับซ้อนยิ่งนัก ในแง่หนึ่งคณิตศาสตร์ทำให้เราทำนายปรากฏการณืต่างๆ ที่เกิดขึ้นได้อย่างชัดเจน แต่การคำนวณยุ่งยากทั้งหลายและความชัดเจนดังกล่าวอาจไม่จำเป็นกับชีวิตประจำวันของเราเลย พูดง่ายๆว่า ถึงจะไม่เข้าใจหลักคณิตศาสตร์ก็มองเห็นรุ้งได้สวยงามเหมือนเดิม แต่จะมองเห็นลึกลงไปแค่ไหนก็เป็นอีกเรื่อง

หลักการคงตัวของโมเมนตัมเชิง…แมว

หลายๆคนคงเคยได้ยินคำว่า แมวเก้าชีวิตใช่มั้ยครับ ที่มาของคำนี้ส่วนหนึ่งนั้นเกิดจากการสังเกตที่พบว่า เจ้าเหหมียวพวกนี้ ตกจากที่สูงแล้วไม่ตาย รอดมาได้อย่างปาฏิหาริย์ ความสงสัยเรื่องนี้ไม่ใช่เป็นเพียงเรื่องเล่นๆ ถึงกับมีการนำไปเป็นหัวข้องานวิจัยกันเลยทีเดียว

คลิก  hd-people-mobile-image-750x352px

“แมวตกจากที่สูงแค่ไหนถึงจะตาย?” ในปี 2532 นักวิทยาศาสตร์ชื่อ Jared Diamond ได้ตีพิมพ์ผลการศึกษาเรื่องนี้ในวารสาร Nature โดยใช้ชื่อเรื่องว่า Why cats have nine lives (ทำไมแมวถึงมี 9 ชีวิต) เป็นผลการศึกษาจากแมว 115 ตัว ซึ่งตกจากตึกความสูงต่างๆ ตั้งแต่ 2 ชั้น จนถึง 32 ชั้น! พบว่าแมว 104 ตัว (90%) มีชีวิตรอด และได้รับบาดเจ็บไม่มากนัก หลายคนคงเดาว่าแมวที่ตายนั้น คงเป็นตัวที่ตกมาจากตึกชั้น 31-32 แต่เปล่าเลย แมวที่ตายส่วนใหญ่ตกลงมาจากชั้น 7 ! และที่ได้รับบาดเจ็บค่อนข้างมาก ส่วนใหญ่ตกลงมาจากชั้น 4-9! ในขณะที่แมวที่ตกมาจากชั้นสูงๆ (20-32) กลับได้รับบาดเจ็บน้อยกว่า เป็นผลการศึกษาที่ขัดแย้งกับความรู้สึกทั่วไปอย่างมาก เพราะฉะนั้นสำหรับคำถามที่ว่า แมวตกจากที่สูงแค่ไหนถึงจะตาย? คำตอบคือ ไม่ว่าตกจากที่สูงขนาดไหนแมวก็ไม่ตาย ตราบใดที่ยังมีอากาศให้แมวหายใจและเป็นการปล่อยให้ตกอย่างอิสระ (ไม่ใช่จับทุ่มลงมา)

กุญแจสำคัญที่ทำให้แมวรอดตายหรือไม่ หรือจะบาดเจ็บมากหรือน้อยเมื่อตกจากที่สูง คือ การที่แมวสามารถกลับตัวมาอยู่ในตำแหน่งที่ดีที่สุดได้ทัน ซึ่งจะช่วยชะลอความเร็วจนไม่ทำให้ถึงตาย ความสามารถนี้เป็นสิ่งที่น่าอัศจรรย์อย่างมาก เพราะไม่ว่าแมวจะตกจากตึกด้วยท่าทางแบบไหน สุดท้ายก็จะสามารถจัดท่าทางให้เหมาะสมได้หากมีเวลาพอสมควร นักวิทยาศาสตร์ทึ่งในความสามารถในการกลับตัวของแมวถึงขนาดศึกษาเรื่องนี้กัน อย่างจริงจัง จนมีวิชาที่เรียกว่า “feline pesematology” (feline = แมว, pesema = ตก) ถ้าแปลเป็นไทยก็น่าจะเป็น แมวตกวิทยา หรือ แมวดิ่งพสุธาวิทยา แต่คิดว่าอย่าแปลจะดีกว่า

วันนี้ผมมีบทความดี ๆ เกี่ยวกับแมวดิ่งพสุธาวิทยามาให้อ่านกันครับ

จอมยุทธ์แมว

ธรรมชาตินั้นเต็มไปด้วยเรื่องน่าอัศจรรย์ แล้วมันน่าอัศจรรย์ตรงไหน เห็นพูดกันจัง จริงๆแล้วอาจไม่ต้องยกตัวอย่างใหญ่โตอลังการไปถึงหลุมดำ บิ๊กแบงก็ได้ เพราะเรื่องน่าอัศจรรย์นั้นเห็นกันได้ง่ายๆ ตั้งแต่การข้ามถนนแล้ว

ลองนึกถึงตอนที่ยืนรอข้ามถนนตามซอยเล็กๆ หรือถนนที่ห่างไกลจากไฟเขียวไฟแดง แล้วต้องกะข้ามถนนอย่างว่องไว ในขณะที่แสงอาทิตย์ส่องกระทบรถที่วิ่งอยู่บนถนนแล้วสะท้อนเข้าสู่ตาของเรา ดวงตาจะมีการเคลื่อนไหวตั้งแต่ม่านตาที่ย่อ-ขยาย ปรับแสงให้เข้ามาในปริมาณเหมาะสม และเมื่อแสงเดินทางมาตกกระทบจอประสาทตาด้านใน กระแสประสาทจะถูกส่งไปประมวลผลด้วยความเร็วสูงจนเรามองเห็นรถยนต์และกะความเร็วรถที่วิ่งได้ จากนั้นสมองจะสั่งการผ่านกลไกต่างๆ ในร่างกายให้เราก้าวขาและเหวี่ยงแขนเดินเร็วๆ เพื่อก้าวข้ามถนน ในขณะที่เดินร่างกายจะรักษาสมดุลไว้ทุกย่างก้าว ส่วนสายตาก็ยังจับจ้องไปยังรถที่แล่นมา เพื่อเตรียมรับกับสถานการณ์ที่นอกเหนือความคาดหมายที่อาจเกิดขึ้นได้ตลอดเวลา

ไม่ใช่เรื่อง่ายเลย หากจะสร้างหุ่นยนต์สักตัวให้เกิดการรับภาพ ประมวลผลภาพแล้วเคลื่อนไหวข้ามถนนได้อย่างคน ต้องมีการคิดคำนวณและออกแบบระบบที่ซับซ้อนอย่างสุดๆ

ทำไมแมวตกจากที่สูงถึงไม่เป็นอะไร?

ก็ไม่ถึงกับไม่เป็นอะไรหรอก เพราะบางทีแมวที่ตกจากระเบียงหรือหน้าต่างก็บาดเจ็บได้เหมือนกัน แต่ที่แน่ๆ คือ หากแมว ตกจากที่สูงเกินกว่า 1 เมตร มันจะสามารถกลับตัวกลางอากาศได้อย่างรวดเร็ว โดยไม่ต้องมีการตะกุยหรือถีบผลักอะไรเพื่อหมุนตัวเลย ความสามารถนี้ทำให้มันเอาขาลงสู่พื้นในท่าที่เหมาะสมได้อย่างปลอดภัยยิ่งขึ้น ราวกับมีวรยุทธ

เรื่องนี้มีประเด็นน่าคิดอยู่ คือ ทำไมมันกลับตัวกลางอากาศได้ ทั้งที่ไม่มีใครออกแรงผลักให้มันหมุน ลองคิดดูดีๆ จะพบว่า ถ้าเราลอยเท้งเต้งอยู่ในยายอวกาศเราจะหมุนตัวได้อย่างไร

ในชีวิตประจำวัน หากเราจะหมุนตัวเราต้องใช้แรงส่งจากอะไรสักอย่าง นั่นคือ เราอาจถีบหรือจับหรือดันอะไรสักอย่างให้ร่างกายเราหมุนได้ แต่แมวไม่ต้อง!!! มาดูรูปถ่ายแมวตกกัน

รูปแสดงการหมุนตัวของแมวขณะตกจากที่สูง

พอดูภาพแล้วคงเข้าใจได่ว่าที่แมวสามารถกลับตัวกลางอากาศได้นั้น เป็นเพราะมันค่อยๆ บิดร่างกายทีละส่วน ลองคิดว่าตัวแมวประกอบจากร่างกายสองส่วนมาต่อกัน ร่างกายส่วนหัว + ร่างกายส่วนหาง

เราพบว่าในขณะที่แมวตกลงมาจากที่สูง

1. มันจะซุกขาหน้าไว้กับตัวทำให้ร่างกายส่วนหัวหมุนได้ง่าย ในขณะเดียวกันก็กางแข็งขาหลังออกเพื่อให้ร่างกายส่วนล่างหมุนยาก จากนั้นมันจะบิดส่วนหัวให้หันหน้าเข้าหาพื้น ในขณะที่ร่างกายส่วนหางจะบิดเอี้ยวไปในทิศทางตรงกันข้ามเพียงเล็กน้อย

2. แล้วมันจะทำตรงข้ามกับขั้นแรก โดยเก็บรวบรวมแข็งขาส่วนล่างไว้ให้หมุนง่ายๆ แล้วกางขาหน้าออกให้ร่างกายส่วนหัวหมุนได้ยาก จากนั้นก็จะบิดร่างกายส่วนล่างตามมา จนกระทั่งส่วนล่างหันหาพื้น ในขณะที่ร่างกายส่วนหัวจะบิดเอี้ยวกลับมาในทิศทางตรงกันข้ามเพียงเล็กน้อย เป็นอันเสร็จพิธี

แล้วทำไมแมวต้องบิดร่างกายทีละส่วนให้วุ่นขนาดนั้น คนที่ชอบฟิสิกส์จะพบว่า การบิดตัวของแมวในทุกขั้นตอนต้องไม่ละเมิด “หลักการคงตัวของโมเมนตัมเชิงมุม” ทำให้ทันทีที่มันบิดร่างกายส่วนหนึ่ง ร่างกายอีกส่วนของมันจะต้องบิดในทิศทางตรงกันข้ามเสมอ

ลองถึงถึงที่ออกกำลังกายแบบแป้นหมุน ที่เราต้องขึ้นไปเหยียบแล้วบิดเอวให้ร่างกายท่อนบนและท่อนล่างบิดไปคนละทาง

ชั่วพริบตาที่แมวตกถึงพื้น กลไกร่างกายอันซับซ้อนและกระบวนการตอบสนองต่างๆ ของแมวล้วนเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วต่อเนื่องจนแทบมองไม่ทัน เรื่องอัศจรรย์ไม่ใช่เพียงกลไก ความซับซ้อนเหล่านั้นหรอก แต่อยู่ที่ สิ่งที่ซับซ้อนเหล่านั้นเกิดขึ้นอย่างเรียบง่ายและเป็นธรรมชาติอย่างที่สุด

อ่านบทความนี้แล้วรู้สึกอย่างไรกันบ้างครับ “หลักการคงตัวของดมเมนตัมเชิงมุม” ที่เรามักมองเป้นเรื่องยาก แต่เจ้าเหมียวนั้นกลับเข้าใจอย่างลึกซึ้งและใช้ประโยชน์จากมัน จนได้รับสมญานามว่า แมวเก้าชีวิต ….. ข้าน้อยขอคารวะ