มาประยุกต์
ใช้หลักการของแรงลอยตัวและแรงดัน
ของของเหลวและก๊าซกัน
-1- กฎของปาสคาล การเคลื่อนย้ายของหนัก
เมื่อเพิ่มแรงดันกับจุดใด ๆ ของของเหลวหรือก๊าซที่บรรจุในภาชนะปิด ความดันจะกระจายกันต่อไป ทำให้ทุก ๆ ส่วนของของเหลวหรือก๊าซ ได้รับแรงดันเป็นแนวดิ่งเท่ากันหมด—นี่คือกฎของปาสคาล
ตัวอย่างเช่น ดังผังที่ 6-1(1) ใส่น้ำให้เต็มท่อรูปตัว U ที่มีพื้นที่หน้าตัดสองปลายเท่ากัน ลองคิดถึงกรณีที่สวมลูกสูบให้แน่นบนปลายทั้งสองนั้น
เมื่อวางลูกตุ้มลงบนลูกสูบด้านหนึ่ง ผิวน้ำด้านนั้นจะถูกดันลง ในการจะทำให้ผิวน้ำทั้งสองด้านสูงเท่ากันอีกครั้ง ก็แค่วางลูกตุ้มไปบนลูกสูบอีกด้านเท่านั้นเอง
แต่ดัง(2) ของผังเดียวกันกรณีที่พื้นที่หน้าตัดของลูกสูบ A และ B ต่างกันเป็น SA(cm2) และ SB(cm2) ผลรวมของน้ำหนักลูกสูบและน้ำหนักลูกตุ้มให้เป็น WA(kgf) และ WB(kgf)
เมื่อลูกสูบทั้งสองด้านอยู่นิ่ง ตามกฎของปาสคาล แรงดัน PA และ PB จะเท่ากัน
ดังนั้น เมื่อ PA = PB ก็จะได้สมการดังนี้
นั่นก็คือ เมื่อทำให้พื้นที่หน้าตัดของ A เล็ก และทำให้พื้นที่หน้าตัดของ B ใหญ่ ก็จะสามารถเปลี่ยนแรงเล็กให้เป็นแรงใหญ่ได้ ตัวอย่างเช่น ถ้าให้พื้นที่หน้าตัดของ B เป็น 2 เท่าของ A ด้าน B ก็ต้องมีน้ำหนักเมื่อรวมกับน้ำหนักลูกสูบแล้วเป็น 2 เท่าด้วย ไม่เช่นนั้นก็จะไม่ได้สมดุล
- ประยุกต์ใช้กับเครื่องจักรมากมาย
มีสิ่งที่ใช้หลักการนี้จำนวนมาก อย่างเช่น เครื่องกดอัดไฮดรอลิก เบรกรถยนต์
หลักการของเบรกรถยนต์ ดังแสดงในผังที่ 6-2 เมื่อใช้เท้าเหยียบคันเบรก แรงดันที่เกิดจากกระบอกสูบจะส่งผ่านท่อที่มีน้ำมันไปขยายดรัมเบรก ส่งผลให้เกิดแรงหยุดการหมุนของล้อ
นอกจากนี้ ยังมีเครื่องจักรที่ใช้แรงดันเพื่อเคลื่อนย้ายของหนัก หรือลดแรงกระแทกอยู่รอบตัวเราอีกมากมาย
-2- หลักการกาลักน้ำที่ทำให้น้ำไหลออกมาได้ง่ายดาย
เมื่อมีน้ำอยู่เต็มภาชนะใหญ่ การจะเอียงภาชนะเพื่อเทน้ำข้างในออกมา ก็จะหนักมากจนยกไม่ไหว
ทว่า ถ้าเราใช้หลักการกาลักน้ำ ก็จะทำให้น้ำไหลออกมาอย่างง่ายดาย ดังผังที่ 6-3 (1) เอาปลายด้านหนึ่งจุ่มลงในของเหลว A ที่อยู่ในที่สูง และจุ่มปลายอีกด้านหนึ่งลงในของเหลว B หรือปล่อยสู่อากาศที่อยู่ต่ำกว่าผิวหน้าของของเหลว A
สมมุติว่าตอนนี้ของเหลวหยุดนิ่ง เมื่อคิดถึงแรงดันที่จุดสูงสุด C เนื่องจากแรงดันที่กดลงที่ A และ B ทั้งสองด้านเป็นความดันบรรยากาศ
- แรงดันที่กระทำที่จุด C จากด้าน A = ความดันบรรยากาศ – แรงดันของของเหลวที่ความสูง CD
- แรงดันที่กระทำที่จุด C จากด้าน B = ความดันบรรยากาศ – แรงดันของของเหลวที่ความสูง CE
ในที่นี้ เนื่องจาก แรงดันของของเหลวที่ความสูง CD < แรงดันของของเหลวที่ความสูง CE ทำให้รู้ว่าแรงดันจาก A มากกว่าแรงดันจาก B ดังนั้น ด้วยแรงดันที่ต่างกันของ DE จึงทำให้ของเหลวไหลจากภาชนะ A ไปภาชนะ B
ถ้าระดับของเหลวของ A และ B สูงเท่ากันดังผังที่ 6-3 (2) ของเหลวจะไม่ไหล อีกทั้งการจะทำให้กาลักน้ำทำงาน จำเป็นต้องเติมของเหลวให้เต็มช่วง AC ไว้ก่อน
-
มีใช้ในที่แบบนี้ ! ■
ปั๊มมือที่ใช้ในการเติมน้ำมันก๊าดเข้าในเตาทำความร้อนแบบน้ำมัน ตอนแรกให้กดในส่วนมือจับ พอน้ำมันก๊าดไหลออกจากปั๊ม ก็ปล่อยให้น้ำมันก๊าดไหลเข้าไปในเตาทำความร้อนเอง ซึ่งนี่เป็นการใช้หลักการกาลักน้ำ
สิ่งที่ต้องระวังคือความสูงของระดับน้ำมันในถังน้ำมันก๊าด ต้องสูงกว่าระดับในเตาทำความร้อน ถ้าจะหยุดการไหล ก็เปิดจุกปั๊มให้อากาศเข้า
-
มุมทดลองของโรงเรียน◎
เกลียวของอาร์คิมิดีส
กลไกในการขนถ่ายของเหลวจากที่ต่ำขึ้นที่สูง มีสิ่งที่เรียกว่า “เกลียวของอาร์คิมิดีส”
-
สิ่งที่ต้องเตรียม
สิ่งที่คล้ายอ่างหรือถัง ท่อพีวีซี สายยาง 2 เส้น แท่นค้ำ แหวน ด้ามหมุน
-
วิธีทดลอง
(1) พันสายยาง 2 เส้นรอบท่อพีวีซีให้เป็นรูปเกลียว
(2) ใส่น้ำเข้าไปในอ่างด้านล่าง เอาปลายด้านล่างของท่อพีวีซีจุ่มน้ำ ส่วนปลายด้านบนของท่อพีวีซีให้ลอดผ่านแหวนที่ยึดติดกับแท่นค้ำ ติดตั้งด้ามหมุนเข้ากับท่อเพื่อให้หมุนได้ (ส่วนเกลียวของสายยางให้อยู่ในองศาที่ของเหลวคงอยู่ได้ตลอดเวลา)
(3) เมื่อหมุนด้ามหมุน น้ำจะไต่สายยางที่พันเป็นรูปเกลียวขึ้นมา
หลักการนี้ใช้กันมาตั้งแต่ก่อนคริสตศักราช แม้จะมองว่าเป็นปรากฏการณ์ที่ไม่น่าเชื่อ แต่เมื่อสังเกตดูให้ดี จะรู้ว่าของเหลวที่ค้างอยู่ในด้านล่างของรูปทรงเกลียวของสายยางเคลื่อนย้ายขึ้นด้านบนจากการหมุนท่อ
-3- ความสัมพันธ์ของความลึกของน้ำและแรงดัน
ดังผังที่ 6-4 ใส่น้ำเข้าไปในภาชนะใหญ่และภาชนะแคบสูงจนได้ความสูงเท่ากัน แล้วเจาะรูขนาดเท่ากันตรงบริเวณก้นภาชนะที่มีความลึกเท่ากัน เมื่อทำแบบนั้น น้ำจะพุ่งออกมาอย่างแรง แต่ความแรงของน้ำของทั้งสองภาชนะจะเท่ากัน
อีกทั้ง เมื่อเจาะรูขนาดเท่ากันตรงตำแหน่งที่ความลึกต่างกันที่ภาชนะตัวหนึ่ง ความแรงในการพุ่งของน้ำที่ยิ่งใกล้ก้นภาชนะก็ยิ่งแรง
นั่นก็คือ เราจะรู้ว่า แรงดันของน้ำ “ยิ่งลึกยิ่งแรง โดยไม่เกี่ยวข้องกับปริมาณน้ำ” เมื่อแสดงเป็นสูตรจะได้
แรงดันของของเหลว = ความลึก X ความหนาแน่น
-
มาตรวัดแรงดันน้ำอย่างง่าย ๆ ที่ใช้ประโยชน์จากแรงดัน
เราสามารถทำมาตรวัดแรงดันน้ำอย่างง่าย ๆ ได้ดังผังที่ 6-5 เมื่อนำกรวยที่ติดแผ่นยางบาง ๆ ลงในน้ำ แผ่นยางจะยุบตัวลงเล็กน้อยเนื่องจากแรงดันน้ำ ความแรงของแรงดันในตอนนั้น ทำให้สามารถอ่านความดันได้ด้วยความต่างของระดับน้ำในหลอดรูปตัว U เมื่อคิดว่าความต่างของระดับน้ำนี้เท่ากับความต่างของแรงดันในน้ำ จะรู้ถึงความสัมพันธ์ของความลึกของน้ำและแรงดัน
-
หลักการของอาร์คิมิดีส
น้ำหนักของวัตถุจะต่างกันในอากาศและในน้ำ นั่นเพราะมีแรงลอยตัว ซึ่งสัมพันธ์กับปริมาตรของวัตถุและน้ำหนักของของเหลว
นั่นก็คือ “วัตถุที่อยู่ในของเหลวจะได้รับแรงลอยตัวเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่วัตถุนั้นเข้าไปแทนที่ (= ปริมาตรของวัตถุนั้น) นี่เป็นหลักการของอาร์คิมิดีส
ตัวอย่างเช่น เมื่อใส่วัตถุ 10 ลูกบาศก์เซนติเมตรน้ำหนัก 50 กรัมลงไปในน้ำ แรงลอยตัวจะเท่ากับน้ำหนักของน้ำ 10 ลูกบาศก์เซนติเมตร คือ 10 กรัม เมื่อชั่งน้ำหนักของวัตถุจะเป็น 50 – 10 = 40 กรัม
-
การจมและลอยของวัตถุ
แรงลอยตัวที่กระทำกับวัตถุ หากมากกว่าน้ำหนักของวัตถุ วัตถุก็จะลอยตัวขึ้นบนผิวน้ำ หากน้อยกว่าก็จะจม
ตัวอย่างเช่น ถุงพลาสติกน้ำหนักเบาที่ใส่น้ำเอาไว้ เมื่อใส่เข้าไปในภาชนะแต่ละอย่าง คือ ภาชนะที่ใส่น้ำเกลือ น้ำ และน้ำมัน ถุงที่อยู่ในน้ำเกลือจะลอย ถุงที่อยู่ในน้ำจะหยุดนิ่ง และถุงที่อยู่ในน้ำมันจะจมลงก้นภาชนะ (ผังที่ 6-6) นั่นเป็นเพราะ น้ำที่อยู่ในถุง จะมีความหนาแน่นสูงกว่าน้ำเกลือ และมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำมัน
หลักการของอาร์คิมิดีสใช้ได้กับก๊าซด้วยเช่นกัน กล่าวคือ วัตถุที่อยู่กลางอากาศจะได้รับแรงลอยตัวเท่ากับน้ำหนักของอากาศในปริมาตรที่เท่ากับปริมาตรของวัตถุนั้น
ตัวอย่างเช่น ลูกโป่งยางที่มีไนโตรเจนอยู่ข้างใน เมื่อปล่อยมือลูกโป่งจะลอยขึ้นข้างบน เพราะแรงลอยตัวมากกว่าน้ำหนักของลูกโป่งยาง
อากาศเมื่อร้อนขึ้นจะขยายตัวมีปริมาตรมากขึ้น นั่นคือ น้ำหนักในปริมาตรที่เท่ากันจะเบาลง จึงเกิดแรงลอยตัวให้ลอยขึ้น บอลลูนก็ใช้หลักการนี้
-4- ลองมาประยุกต์ใช้หลักการของแรงลอยตัวและแรงดัน
-
ของเล่นนักดำน้ำที่ขึ้นลงด้วยแรงดัน
มีอุปกรณ์ที่เรียกว่าของเล่นนักดำน้ำ (Cartesian Diver) เมื่อกดส่วนของแผ่นยาง “ของเล่นนักดำน้ำ” ที่อยู่ในน้ำ ของเล่นนักดำน้ำจะจมลง แต่เมื่อปล่อยมือก็จะลอยขึ้นมา
หลอดแก้วซึ่งเป็นส่วนประกอบของของเล่นนักดำน้ำมีอากาศอยู่ข้างใน เมื่อเพิ่มแรงดันให้น้ำ อากาศในของเล่นนักดำน้ำก็จะถูกกดให้หดตัว แรงลอยตัวลดลงจนทำให้จม แต่เมื่อเลิกกด ปริมาตรของอากาศข้างในก็กลับมาเหมือนเดิม ทำให้แรงลอยตัวเพิ่มขึ้นจนลอยขึ้นมา
-
ที่ดื่มน้ำของนก
หลายคนคงเคยเห็นภาชนะสำหรับให้น้ำแก่นกหรือสัตว์อื่น ๆ ดังผังที่ 5-8
ถ้าแค่ใส่น้ำลงในภาชนะตามปกติ เมื่อดื่มน้ำไป ปริมาณน้ำจะลดลงจนดื่มได้ยาก เติมก็ลำบาก ดังนั้นจึงเกิดภาชนะที่น้ำจะเพิ่มขึ้นเท่ากับปริมาณที่ดื่มไป
ตอนแรก ตอนน้ำอยู่สูงกว่าจุด A น้ำในขวดแก้วจะได้สมดุลกับความดันบรรยากาศ ก็จะเป็นดังด้านซ้ายของผังเดียวกัน แต่เมื่อดื่มน้ำไปจนระดับน้ำอยู่ต่ำกว่าจุด A จะมีอากาศเข้ามาเท่ากับปริมาณที่ลดลง ทำให้น้ำในขวดแก้วไหลออกมาจนกลับมาอยู่ที่ระดับจุด A อีกครั้ง
ดังนั้น จนกว่าน้ำในขวดแก้วจะหมด แม้จะไม่ต้องเติมน้ำ น้ำก็จะรักษาระดับให้คงที่ (จุด A) เสมอ
จากจุดที่สามารถรักษาปริมาณของเหลวให้คงที่ จึงประยุกต์ใช้ได้อุปกรณ์เติมน้ำมันหล่อลื่น เป็นต้น
-
มีใช้ในที่แบบนี้ ! ■
ตัวอย่าง: [อูกิอูกิสไลม์] อูเอดะ คัตสึยูกิ กลุ่มลิเบอรัล สำนักการผลิตโรงงานอัตสึงิ บริษัท Unisia Jecs
ไคเซ็นนี้เป็นการใช้ประโยชน์จากหลักการของของเล่นนักดำน้ำ ที่แล้วมา เครื่อง Coolant ขนาดใหญ่ การตรวจสอบแรงดันของ Bag Filter อยู่ในตำแหน่งที่ไกล ทำให้ลำบากมาก
พอ Bag Filter อุดตัน แรงดันน้ำของ Coolant ก็ตกลง ลูกบอลจะขยายตัวและลอยขึ้นมา เมื่อเปลี่ยน Filter แล้วแรงดันน้ำจะสูงขึ้น อากาศในลูกบอลก็หดตัว ทำให้ปริมาตรเล็กลงจึงจมลงด้านล่าง
-
มีใช้ในที่แบบนี้ ! ■
ตัวอย่าง: [อุปกรณ์เติมน้ำยา KCI อัตโนมัติ] นิชิยามะ โทชิโนริ กลุ่ม PH เช็คเกอร์ ศูนย์ระบบขับเคลื่อนที่ 1 สำนักงานมัตสึยามะ บริษัทเทยิน
ไคเซ็นนี้เป็นการใช้หลักการของที่ดื่มน้ำของนก มาตรวัด pH ต้องมีการเติมน้ำยา KCI ด้วยมือ 3 วันครั้ง
ดังนั้น จึงสร้างกลไกที่สามารถเติมน้ำยาอัตโนมัติเมื่อระดับน้ำยาลดลง โดยใช้ขวดน้ำพลาสติก (ขวด PET)
-5- ความอัศจรรย์ของแรงดัน
-
ใช้ลมหายใจของคนยกเด็กขึ้นมาได้ ?
ตอนยกของหนัก เราจะใช้ประโยชน์จากแรงดันของก๊าซหรือของเหลว แค่เป่าลมเข้าไปในถุงพลาสติกก็สามารถยกเด็กขึ้นมาได้
ก่อนอื่น เตรียมถุงพลาสติกขนาดใหญ่ วางแผ่นไม้ไว้ข้างบน แล้วให้เด็กนั่งบนแผ่นไม้นั้น (ผังที่ 6-9)
ถ้าให้เด็กนั่งบนถุงพลาสติกโดยตรง จะยกไม่ขึ้น แต่ด้วยการวางแผ่นไม้คั่นกลาง น้ำหนักของเด็กจะกระจายไปทั่วแผ่นไม้ แรงดันที่กระทำต่ออากาศในถุงพลาสติกส่วนหนึ่ง อากาศนั้นจะส่งถ่ายไปยังส่วนต่าง ๆ ทำให้เกิดแรงเท่ากันในแนวดิ่งทุกด้าน
ดังนั้น ถ้าแรงดันของลมหายใจมากกว่าน้ำหนักของเด็กที่กระจายออกไป ก็จะสามารถยกเด็กคนนั้นขึ้นมาได้อย่างง่ายดาย
-
ถ้วยที่ใส่ปริมาณเกินกว่าที่กำหนดไม่ได้
ที่เกาะอิชิงากิ จังหวัดโอกินาวะ มีของฝากพิเศษที่เรียกว่า “เคียวกุนชาวัง (ถ้วยสอนบทเรียน : ถ้วยพีทาโกรัส)” เมื่อรินเหล้าสาเกลงไปถึง 8 ส่วนของถ้วยก็จะรินได้เหมือนถ้วยปกติทั่วไป ทว่า ถ้ารินมากกว่านั้น เหล้าสาเกข้างในจะไหลออกมาหมด (เป็นบทเรียนให้รู้ว่าห้ามดื่มมากกว่านั้น)
เป็นการใช้ความดันของบรรยากาศอย่างชาญฉลาด โดยหลักการนั้นจะเป็นดังผังที่ 6-10 เมื่อเหล้าสาเกขึ้นมาถึงส่วนที่เป็นรูปทรงหลอด ด้านในหลอดจะมีเหล้าสาเกเข้าไปอยู่จนเต็ม และด้วยน้ำหนักของเหล้าสาเกนั้นทำให้เหล้าสาเกไหลออกไป
เมื่อเหล้าสาเกเริ่มไหลออก ก็จะลดระดับลงจนถึงระดับปลายหลอดด้วยแรงของความดันบรรยากาศ
-
เท้าของช้างน้ำหนัก 5 ตัน และรองเท้าส้นสูงของหญิงน้ำหนัก 45 กิโล
โดนช้างเหยียบกับโดนผู้หญิงเหยียบ อย่างไหนจะเจ็บกว่ากัน แน่นอนต้องเป็นช้าง ถ้าอย่างนั้น เท้าช้างและรองเท้าส้นสูงของผู้หญิง อย่างไหนจะมีแรงกดต่อพื้นที่มากกว่ากัน
สมมุติว่าช้างมีน้ำหนักราว 5 ตัน และเส้นผ่านศูนย์กลางของเท้าช้างยาวประมาณ 40 เซนติเมตร (พื้นที่หน้าตัด = 1300 ตารางเซนติเมตร) ในยามที่ช้างตัวนี้ยืนอยู่เฉย ๆ แรงกดลงพื้นของเท้าทั้ง 4 จะเป็น
เท้าของคนเวลายืนจะมีแรงกดพื้นประมาณ 0.3 kgf/cm2 ดังนั้น เท้าช้างจึงต้องแบกภาระเป็น 3 เท่าของคน
ว่าแต่แรงกดของรองเท้าส้นสูงของผู้หญิงเป็นเท่าไหร่ สมมุติว่าผู้หญิงน้ำหนัก 45 กิโลกรัมสวมรองเท้าส้นสูงที่ส่วนส้นกว้างยาว 1.5 เซนติเมตร (พื้นที่หน้าตัด = ราว 2 ตารางเซนติเมตร) ถ้าโดนผู้หญิงคนนี้เหยียบ แรงกดของส้นรองเท้าจะอยู่ที่ 22.5 kgf/cm2 ซึ่งสูงถึงมากกว่า 20 เท่าของแรงกดของช้าง
ช้างกับผู้หญิง ดูเผิน ๆ มีน้ำหนักต่างกันมากขนาดไม่น่าจะเป็นปัญหา แต่เมื่อลองคิดเฉพาะส่วน จะเห็นว่ามีแรงกดมากถึงขนาดนี้
-6- ปรากฏการณ์แคพิลลารีที่ซึมซับของเหลว
หยดน้ำบนใบบัวมีรูปร่างใกล้เคียงกับทรงกลม เมื่อใส่น้ำจนเต็มแก้ว ถึงน้ำจะสูงกว่าแก้วน้ำก็ไม่หกออก เพราะมีแรงกระทำที่ผิวหน้าของของเหลวให้มีพื้นที่ผิวเล็กที่สุดเท่าที่จะทำได้ สิ่งนี้เรียกว่าแรงตึงผิว (Surface Tension)
แรงนั้น เกิดเพราะแรงดึงดูด (แรงเชื่อมแน่น Cohesive Force) ระหว่างโมเลกุลของของเหลว โมเลกุลบริเวณใกล้ผิวหน้าของของเหลว เมื่อเทียบกับของเหลวภายในจะมีจำนวนโมเลกุลน้อยกว่า แรงที่เหลือจึงถูกใช้ไปเพื่อพยายามทำให้ผิวหน้าหดตัว
แรงระหว่างโมเลกุล กระทำระหว่างโมเลกุลของสารที่ต่างกัน 2 ชนิดที่พยายามจะให้สารทั้งสองยึดติดกันที่เรียกว่าแรงยึดติด (Adhesive Force) แรงยึดติดกับของแข็งของของเหลว ถ้าสูงกว่าแรงเชื่อมแน่นของของเหลว ของเหลวจะยึดติดกับของแข็ง
เราเรียกสิ่งนี้ว่าของแข็ง “เปียก” ด้วยของเหลว หยดน้ำจะแผ่ตัวไปบนสารที่เปียกง่าย ส่วนของที่เปียกยากอย่างใบบัวหยดน้ำจะเป็นรูปทรงกลม
ผิวของน้ำในภาชนะมีระดับสูงขึ้นได้เพราะแรงยึดติดในส่วนที่สัมผัสกับผนังของภาชนะ
ซึ่งปรากฏการณ์นี้จะเห็นได้ชัดเจนที่สุดในปรากฏการณ์แคพิลลารี เมื่อตั้งหลอดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กในน้ำ ผนังหลอดจะเปียกน้ำ ทำให้ระดับน้ำสูงขึ้นซึมเข้าในผ้าขี้ริ้วหรือกระดาษซับ การที่หมึกไหลออกมาจากปลายปากกาหมึกซึมก็เพราะเหตุนี้
ปรากฏการณ์นี้สามารถนำมาใช้ประโยชน์ในการหล่อลื่นโซ่ เป็นต้น (ผังที่ 5-11)
อีกทั้งถ้าเตรียมน้ำโคลนในแก้วดังผังที่ 5-12 แล้ว นำผ้าก๊อซ เป็นต้น ห้อยจากแก้วน้ำโคลนไปยังแก้วอีกใบหนึ่ง ทันใดนั้นด้วยปรากฏการณ์แคพิลลารี น้ำสะอาดจึงเริ่มไหลมารวมกันที่แก้วเปล่า
- มุมทดลองของโรงเรียน ◎
มหัศจรรย์ของแรงดันและแรงตึงผิว
การทดลองของแรงดันที่ทำได้ในห้องน้ำ
-
สิ่งที่ต้องเตรียม
ขวดพลาสติก ลูกบอลโฟม (เส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าปากขวดพลาสติกเล็กน้อย) น้ำ อ่างล้างหน้า
-
วิธีทดลอง
(1) ใส่น้ำในขวดพลาสติกให้เต็ม คว่ำขวดลงในอ่างล้างหน้าที่มีน้ำเต็ม นำลูกบอลโฟมไปไว้ที่ปากขวด (มันจะพยายามลอยขึ้นจึงมาติดที่ปากขวด) ยกขวดพลาสติกขึ้นจากน้ำในสภาพนี้ เมื่อปากขวดออกจากอ่างล้างหน้า ลูกบอลโฟมและน้ำในขวดจะเป็นอย่างไร
(2) รินน้ำเข้าไปในขวดพลาสติก ให้ลูกบอลโฟมลอยอยู่บริเวณปากขวด (เมื่อจับด้วยนิ้ว จะอยู่ในสภาพที่ลอยขึ้นอย่างสมบูรณ์ขนาดหมุนตัวได้) จากสภาพเช่นนี้ ค่อย ๆ เอียงคว่ำขวดพลาสติกช้า ๆ ลูกบอลโฟมและน้ำในขวดจะเป็นอย่างไร
ทั้งคำตอบ (1) และ (2) ก็คือ “ลูกบอลโฟมจะติดอยู่ที่ปากขวด น้ำจึงไม่หก” จากนั้นจึงลองทำการทดลองต่อ
(3) หลังจากทดลอง (1) หรือ (2) ใช้นิ้วกดตัวขวดพลาสติกที่ยังคว่ำอยู่เบา ๆ น้ำจะหยดจากปากขวดทีละน้อย ในตอนนั้น ลูกบอลโฟมจะเป็นอย่างไร
(4) หลังทดลอง (3) เมื่อผ่อนแรงที่กดตัวขวด อากาศจะเข้าทางปากขวด ในตอนนั้นลูกบอลโฟมจะเป็นอย่างไร
ทั้งการทดลอง (3) และ (4) ลูกบอลโฟมก็ไม่ตก นั่นเป็นผลมาจากแรงดันน้ำและความดันบรรยากาศ
ยกตัวอย่างเช่น เมื่อใส่น้ำลงในขวดที่หงายขึ้น แรงดันน้ำก้นขวดจะมากกว่าความดันบรรยากาศเท่ากับแรงดันที่น้ำหนักน้ำหารด้วยพื้นที่ก้นขวด ความต่างของแรงดันนี้ถูกหนุนด้วยความยืดหยุ่นของก้นขวด
ถ้าเช่นนั้น ลองคิดถึงกรณีที่คว่ำขวด เมื่อขาดแรงหนุน น้ำในขวดจะขยายตัว ทำให้แรงดันน้ำลดลง (กรณีของขวดพลาสติก เมื่อเทียบกับตอนที่ปากขวดอยู่ด้านบน จะเห็นได้ว่าผนังขวดยุบเข้าข้างใน) นั่นก็คือ เมื่อเทียบกับความดันบรรยากาศแถวนั้น แรงดันน้ำด้านบนจะต่ำกว่า 1 ความดันบรรยากาศ บริเวณปากขวดพลาสติกที่คว่ำอยู่ น้ำจะได้แรงหนุนจากความต่างของแรงดัน ผนวกกับแรงตึงผิวของของเหลว ลูกบอลโฟมจึงไม่ตก
เมื่อทำการทดลอง (3) และ (4) หลายครั้ง ไม่ช้าน้ำในขวดก็จะไหลออกไปจนหมด เมื่อน้ำหมด ลูกบอลจะเป็นอย่างไร อีกทั้งกรณีที่มีรูที่ก้นขวดพลาสติก ทำให้ปากขวดเปียกด้วยน้ำ ลองเอาลูกบอลโฟมเข้าใกล้ปากขวดนั้น
ไม่ว่าอย่างไหนลูกบอลจะติดอยู่ที่ขวด ซึ่งเป็นผลจากแรงตึงผิวด้วย
เรียบเรียงโดย อาจารย์ณรงค์เกียรติ นักสอน
ที่ปรึกษา TPM-JIPM