สวัสดีครับน้องๆ และคุณพ่อคุณแม่ทุกท่าน! ช่วงนี้หลายคนคงกำลังเตรียมตัวสอบเข้า ม.1 กันอย่างเต็มที่ใช่ไหมครับ? วิชาที่หลายคนแอบกังวลคงหนีไม่พ้นวิชาวิทยาศาสตร์ เพราะมีเนื้อหาหลากหลายและดูเหมือนจะซับซ้อนไปหมดเลยใช่ไหมล่ะครับ?
มีเรื่องหนึ่งที่น้องๆ มักจะเจอในข้อสอบวิทยาศาสตร์อยู่บ่อยๆ นั่นก็คือเรื่องของ "แรงลอยตัว" และ "หลักการของอาร์คิมีดีส" ครับ พี่ๆ เข้าใจดีว่าพอได้ยินชื่อนักวิทยาศาสตร์ หรือศัพท์แสงวิชาการ น้องๆ อาจจะรู้สึกว่ามันยากจังเลย ไม่เข้าใจว่าจะเอาไปใช้ทำอะไรได้บ้าง
แต่ไม่ต้องกังวลไปนะครับ! บทความนี้พี่ๆ ทีมงาน TidMor1 จะมาช่วยอธิบายเรื่อง แรงลอยตัว และ หลักการอาร์คิมีดีส ให้เข้าใจง่ายๆ เหมือนเล่านิทานสนุกๆ ที่ใช้ได้จริงในชีวิตประจำวัน และแน่นอนว่าช่วยให้น้องๆ พร้อมสำหรับการสอบเข้า ม.1 ได้อย่างมั่นใจแน่นอนครับ รับรองว่าอ่านจบแล้ว น้องๆ จะร้องอ๋อ! และบอกว่า "อ้าว! มันก็ไม่ได้ยากอย่างที่คิดนี่นา!"
แรงลอยตัวคืออะไรกันนะ?
ก่อนอื่นเลย เรามาทำความรู้จักกับคำว่า "แรงลอยตัว" กันก่อนนะครับ น้องๆ เคยลองสังเกตไหมว่าเวลาเราลงไปเล่นน้ำในสระ หรืออยู่ในอ่างอาบน้ำ ตัวเราจะรู้สึกเบาขึ้นกว่าอยู่บนบก หรือเวลาที่เราเอาลูกบอลพลาสติกกดลงไปในน้ำ พอปล่อยมือ ลูกบอลก็เด้งกลับขึ้นมาลอยอยู่บนผิวน้ำได้เอง?
นี่แหละครับ คือปรากฏการณ์ของ แรงลอยตัว หรือที่เรียกอีกอย่างว่า แรงพยุง (Buoyancy) ครับ อธิบายง่ายๆ ก็คือ เป็น แรงดันที่ของเหลว (เช่น น้ำ) ออกแรงดันวัตถุที่อยู่ในของเหลวนั้น ให้ลอยขึ้นมาด้านบนนั่นเองครับ
- ลองคิดดูนะ: ทำไมเวลาเรายกเพื่อนในน้ำถึงรู้สึกเบากว่ายกบนบก? นั่นก็เพราะมี แรงลอยตัว จากน้ำมาช่วยพยุงน้ำหนักของเพื่อนเอาไว้นั่นเองครับ
- แล้วถ้าเป็นวัตถุ? เหมือนกันเลยครับ ของเหลวจะออกแรงพยุงวัตถุที่จมลงไปในมัน พยายามดันให้วัตถุนั้นลอยขึ้นมา หรืออย่างน้อยก็ทำให้มันรู้สึกเบาลงครับ
แล้วแรงนี้มันมาจากไหนกันนะ? มันเกิดจากความดันของของเหลวครับ ของเหลวที่อยู่ลึกลงไปจะมีความดันมากกว่าของเหลวที่อยู่ตื้นกว่า แรงดันเหล่านี้จะผลักดันวัตถุจากทุกทิศทาง แต่แรงที่ผลักจากข้างล่างขึ้นข้างบนจะมากกว่าแรงที่ผลักจากข้างบนลงข้างล่าง ทำให้เกิดแรงลัพธ์ที่ดันวัตถุขึ้นนั่นเองครับ
หัวใจสำคัญ: หลักการของอาร์คิมีดีส (Archimedes' Principle)
คราวนี้เรามาทำความรู้จักกับคุณลุงอาร์คิมีดีส (Archimedes) กันบ้างครับ คุณลุงคนนี้เป็นนักวิทยาศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ชาวกรีกโบราณที่เก่งมากๆ เลยครับ เรื่องเล่าที่โด่งดังที่สุดของคุณลุงอาร์คิมีดีสก็คือ ตอนที่พระราชาอยากจะรู้ว่ามงกุฎทองคำของพระองค์ทำจากทองคำบริสุทธิ์จริงหรือเปล่า โดยที่ไม่ทำให้มงกุฎเสียหาย
คุณลุงอาร์คิมีดีสคิดไม่ออกสักทีว่าจะทำยังไง จนกระทั่งวันหนึ่งขณะที่คุณลุงกำลังลงไปอาบน้ำในอ่าง แล้วน้ำก็ล้นออกมาจากอ่างในปริมาณที่เท่ากับปริมาตรตัวของคุณลุงที่ลงไปแทนที่น้ำในอ่างนั่นเองครับ! ทันใดนั้นคุณลุงก็ปิ๊งไอเดียได้ทันทีและตะโกนลั่นว่า "ยูเรก้า! ยูเรก้า!" (Eureka! แปลว่า ฉันเจอแล้ว!)
จากเหตุการณ์นี้เอง ทำให้คุณลุงอาร์คิมีดีสค้นพบหลักการที่สำคัญมากในวิชาวิทยาศาสตร์ นั่นก็คือ "หลักการของอาร์คิมีดีส" ครับ
หลักการของอาร์คิมีดีสกล่าวไว้ว่า:
"แรงลอยตัว (แรงพยุง) ที่กระทำต่อวัตถุที่จมอยู่ในของเหลว จะมีค่าเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่วัตถุนั้นเข้าไปแทนที่"
อ่านแล้วอาจจะรู้สึกว่ายาวจังเลยใช่ไหมครับ? มาครับ พี่จะอธิบายให้ฟังทีละส่วนแบบง่ายๆ ครับ
- "วัตถุที่จมอยู่ในของเหลว": ไม่ว่าจะจมทั้งหมด หรือจมแค่บางส่วนก็ตาม
- "น้ำหนักของของเหลวที่วัตถุนั้นเข้าไปแทนที่": คือน้ำหนักของน้ำ (หรือของเหลวอื่นๆ) ที่กระเด็นออกมาจากภาชนะ หรือที่อยู่ในปริมาตรเท่ากับส่วนของวัตถุที่จมลงไปนั่นเองครับ
พูดง่ายๆ ก็คือ ถ้าวัตถุชิ้นหนึ่งไปอยู่ในน้ำ มันจะผลักน้ำออกไปเท่ากับปริมาตรส่วนที่จมลงไป น้ำหนักของน้ำที่ถูกผลักออกไปนี่แหละครับ คือค่าของ แรงลอยตัว ที่น้ำจะออกแรงดันวัตถุนั้นกลับขึ้นมา!
แล้วหลักการนี้บอกอะไรเราได้บ้าง?
หลักการนี้ช่วยให้เราเข้าใจได้ว่า ทำไมวัตถุบางอย่างถึง ลอย ได้ บางอย่างถึง จม และบางอย่างก็ ลอยปริ่มๆ อยู่ในของเหลวได้
- วัตถุลอย: เกิดขึ้นเมื่อ แรงลอยตัว มีค่ามากกว่า น้ำหนักของวัตถุ ครับ หรืออีกนัยหนึ่งคือ วัตถุมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลว นั่นเองครับ เช่น ไม้ลอยน้ำได้เพราะไม้เบากว่าน้ำในปริมาตรที่เท่ากัน
- วัตถุจม: เกิดขึ้นเมื่อ แรงลอยตัว มีค่าเท่ากับ หรือน้อยกว่า น้ำหนักของวัตถุ ครับ หรืออีกนัยหนึ่งคือ วัตถุมีความหนาแน่นมากกว่าของเหลว เช่น ก้อนหินจมน้ำ เพราะหินหนักกว่าน้ำในปริมาตรที่เท่ากัน
- วัตถุลอยปริ่ม หรือลอยตัวอยู่กลางของเหลว (แขวนลอย): เกิดขึ้นเมื่อ แรงลอยตัว มีค่าเท่ากับ น้ำหนักของวัตถุพอดี ครับ หรืออีกนัยหนึ่งคือ วัตถุมีความหนาแน่นเท่ากับของเหลว พอดีเลยครับ
จะเห็นได้ว่า "ความหนาแน่น" เป็นตัวแปรสำคัญเลยใช่ไหมครับ?
ปัจจัยที่มีผลต่อแรงลอยตัว
น้องๆ เคยสงสัยไหมว่าทำไมเรือเหล็กหนักๆ เป็นตันๆ ถึงลอยน้ำได้ แต่ตะปูตัวเล็กๆ กลับจม? หรือทำไมในทะเลเดดซี (Dead Sea) คนถึงลอยตัวได้ง่ายกว่าในน้ำทะเลปกติ? คำตอบอยู่ในปัจจัยเหล่านี้ครับ
1. ปริมาตรของวัตถุส่วนที่จมในของเหลว
ยิ่งวัตถุมีปริมาตรส่วนที่จมลงไปในของเหลวมากเท่าไหร่ แรงลอยตัวก็จะยิ่งมากเท่านั้นครับ
- ตัวอย่าง: ถ้าเรามีไม้ท่อนหนึ่งจมไปในน้ำครึ่งหนึ่งกับอีกท่อนหนึ่งจมไปในน้ำจนเกือบมิด แรงลอยตัวที่กระทำกับท่อนที่จมเกือบมิดจะมากกว่า เพราะมันแทนที่น้ำไปในปริมาตรที่มากกว่านั่นเอง
- นี่คือเหตุผลว่าทำไมเรือถึงมีรูปทรงเป็นท้องเรือที่กว้างและกลวง เพื่อให้มันสามารถแทนที่น้ำได้ในปริมาตรมากๆ ซึ่งจะสร้างแรงลอยตัวที่มากพอที่จะพยุงน้ำหนักมหาศาลของเรือได้
2. ความหนาแน่นของของเหลว
ของเหลวแต่ละชนิดมีความหนาแน่นไม่เท่ากันครับ ของเหลวที่มีความหนาแน่นมาก จะออกแรงลอยตัวต่อวัตถุที่อยู่ในนั้นได้มากกว่าของเหลวที่มีความหนาแน่นน้อย
- ตัวอย่าง:
- น้องๆ เคยไปเที่ยวทะเลกันไหมครับ? ลองสังเกตดูว่าเวลาเราว่ายน้ำในน้ำทะเล (ซึ่งเป็นน้ำเค็ม) เราจะรู้สึกว่าลอยตัวได้ง่ายกว่าการว่ายในสระน้ำจืด นั่นก็เพราะน้ำเค็มมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำจืดนั่นเองครับ
- ในทะเลเดดซี (Dead Sea) ที่มีเกลือเข้มข้นมากๆ คนสามารถลอยตัวอ่านหนังสือบนผิวน้ำได้อย่างสบายๆ เลย เพราะน้ำที่นั่นมีความหนาแน่นสูงลิ่ว ทำให้แรงลอยตัวมหาศาล!
- จำง่ายๆ ว่า ของเหลวที่ "ข้น" หรือ "หนัก" กว่า จะมีแรงพยุงมากกว่าครับ
3. ความหนาแน่นของวัตถุ เทียบกับ ความหนาแน่นของของเหลว
นี่คือปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการตัดสินว่าวัตถุจะลอยหรือจมครับ!
ความหนาแน่น (Density) คือ ปริมาณมวลสารที่อัดแน่นอยู่ในหนึ่งหน่วยปริมาตร พูดง่ายๆ คือ ความหนักแน่นของวัตถุนั้นๆ ในเนื้อที่ที่เท่ากันครับ
การคำนวณความหนาแน่นทำได้โดยใช้สูตร: ความหนาแน่น = มวล / ปริมาตร
- ถ้า วัตถุมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลว: วัตถุจะ ลอย (เช่น ไม้ หรือน้ำแข็ง ลอยในน้ำเปล่า)
- ถ้า วัตถุมีความหนาแน่นมากกว่าของเหลว: วัตถุจะ จม (เช่น หิน หรือเหล็ก จมในน้ำเปล่า)
- ถ้า วัตถุมีความหนาแน่นเท่ากับของเหลว: วัตถุจะ ลอยตัวอยู่กลางของเหลว หรือ แขวนลอย (เช่น ปลาที่ปรับถุงลมเพื่อให้ลอยนิ่งๆ ได้)
ทีนี้เข้าใจแล้วใช่ไหมครับว่าทำไมเรือเหล็กถึงลอยได้? เพราะถึงแม้ตัวเรือจะทำจากเหล็กที่หนักและหนาแน่น แต่รูปทรงของเรือที่กลวงและกว้าง ทำให้เรือรวมๆ แล้วมีปริมาตรมาก และมีความหนาแน่นเฉลี่ยของเรือ (รวมอากาศข้างใน) น้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ ทำให้เรือสามารถลอยน้ำได้นั่นเองครับ!
การประยุกต์ใช้แรงลอยตัวในชีวิตประจำวัน
เรื่อง แรงลอยตัว และ หลักการอาร์คิมีดีส ไม่ใช่แค่เรื่องในตำราเรียนนะครับ แต่เป็นหลักการที่เราพบเห็นและใช้ประโยชน์กันอยู่ทุกวันเลยทีเดียว ลองมาดูกันว่ามีอะไรบ้าง:
- เรือเดินสมุทร: อย่างที่พี่อธิบายไปแล้ว เรือเหล็กขนาดใหญ่สามารถบรรทุกสินค้าได้มากมายและยังคงลอยน้ำได้ ก็เพราะมีการออกแบบให้มีปริมาตรมาก ทำให้แทนที่น้ำได้เยอะ เกิดแรงลอยตัวมหาศาล
- เรือดำน้ำ: เรือดำน้ำสามารถลอย, จม, หรือลอยตัวอยู่กลางน้ำได้ตามต้องการ เพราะมีถังพิเศษที่เรียกว่า "ถังอับเฉา" ที่สามารถปล่อยน้ำเข้า หรือเป่าอากาศไล่น้ำออกได้ เมื่อปล่อยน้ำเข้า เรือจะหนักขึ้น (ความหนาแน่นเพิ่มขึ้น) ก็จะจมลง แต่เมื่อเป่าอากาศไล่น้ำออก เรือจะเบาลง (ความหนาแน่นลดลง) ก็จะลอยขึ้น
- บอลลูนอากาศร้อน: บอลลูนไม่ได้ลอยในน้ำ แต่ลอยในอากาศ! หลักการคล้ายกันครับ อากาศร้อนมีความหนาแน่นน้อยกว่าอากาศเย็น ทำให้บอลลูนที่บรรจุอากาศร้อนสามารถลอยขึ้นสู่ท้องฟ้าได้
- เสื้อชูชีพ: เสื้อชูชีพทำจากวัสดุที่มีน้ำหนักเบาและมีปริมาตรมาก เช่น โฟม เมื่อเราสวมเสื้อชูชีพลงไปในน้ำ เสื้อชูชีพจะช่วยเพิ่มปริมาตรส่วนที่เราแทนที่น้ำ ทำให้เกิดแรงลอยตัวมาช่วยพยุงตัวเราไม่ให้จม
- การว่ายน้ำของคนและสัตว์: นักว่ายน้ำสามารถปรับการลอยตัวได้โดยการควบคุมลมหายใจ เมื่อสูดลมหายใจเข้าไปเต็มปอด ร่างกายจะขยายตัว ทำให้มีปริมาตรเพิ่มขึ้น (และความหนาแน่นเฉลี่ยลดลง) ทำให้ลอยตัวได้ง่ายขึ้น
เห็นไหมครับว่าวิทยาศาสตร์อยู่รอบตัวเราจริงๆ ไม่ใช่เรื่องไกลตัวเลย!
เคล็ดลับพิชิตโจทย์แรงลอยตัวในการสอบ
น้องๆ อาจจะคิดว่า "โห! เนื้อหาเยอะจัง จะจำได้หมดเหรอเนี่ย?" ไม่ต้องกังวลไปครับ การสอบวิทยาศาสตร์ไม่ได้เน้นการท่องจำเพียงอย่างเดียว แต่เน้นความเข้าใจและการนำไปใช้จริง พี่มีเคล็ดลับดีๆ สำหรับการพิชิตโจทย์ แรงลอยตัว หลักการอาร์คิมีดีส มาฝากครับ
- ทำความเข้าใจหลักการให้แม่น: เน้นที่แนวคิดหลักๆ ว่า แรงลอยตัวคือแรงพยุงที่ดันขึ้น และ มีค่าเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่ รวมไปถึงความสัมพันธ์ระหว่างความหนาแน่นของวัตถุกับของเหลว ถ้าเข้าใจตรงนี้ได้ ที่เหลือก็ง่ายแล้วครับ
- วาดรูปประกอบ: เวลาเจอโจทย์ ลองวาดภาพสถานการณ์นั้นๆ ดูครับ เช่น วาดรูปวัตถุที่ลอยอยู่ในน้ำ แล้วลองจินตนาการว่ามีแรงอะไรบ้างที่กระทำต่อวัตถุนั้น (แรงโน้มถ่วงดึงลง, แรงลอยตัวดันขึ้น) การวาดรูปจะช่วยให้เห็นภาพและเข้าใจโจทย์ได้ดีขึ้นมาก
- เชื่อมโยงกับชีวิตประจำวัน: ลองคิดถึงตัวอย่างที่เราคุยกันไป เช่น เรือ เสื้อชูชีพ การว่ายน้ำ การเชื่อมโยงกับประสบการณ์จริงจะช่วยให้เราจำหลักการได้ดีขึ้นและเข้าใจลึกซึ้งยิ่งขึ้นครับ
- ฝึกทำโจทย์หลากหลาย: สิ่งสำคัญที่สุดคือการฝึกฝนครับ ลองฝึกทำโจทย์จากหลายๆ แหล่ง หลายๆ รูปแบบ ไม่ว่าจะเป็นโจทย์แบบเลือกตอบ หรือโจทย์คำนวณง่ายๆ การฝึกทำบ่อยๆ จะช่วยให้เราคุ้นเคยกับแนวข้อสอบและจับจุดได้ว่าโจทย์ต้องการอะไร
- อย่ากลัวการลองผิดลองถูก: ไม่ต้องกลัวที่จะตอบผิดหรือทำผิดครับ ทุกครั้งที่เราทำผิดพลาดคือโอกาสที่เราจะได้เรียนรู้และแก้ไขข้อผิดพลาดเหล่านั้นเพื่อทำให้เราเก่งขึ้นในครั้งต่อไป
สรุป: แรงลอยตัวไม่ใช่เรื่องน่ากลัวอีกต่อไป!
เป็นยังไงบ้างครับน้องๆ และคุณพ่อคุณแม่? ตอนนี้เรื่อง แรงลอยตัว และ หลักการของอาร์คิมีดีส ดูกระจ่างขึ้นเยอะเลยใช่ไหมครับ?
สิ่งสำคัญที่พี่อยากให้น้องๆ จำไว้ก็คือ "แรงลอยตัว" เป็นแรงที่ของเหลวดันวัตถุขึ้น และมีค่าเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกวัตถุนั้นแทนที่ และไม่ว่าวัตถุจะลอยหรือจมนั้น ขึ้นอยู่กับ "ความหนาแน่น" ของวัตถุเมื่อเทียบกับของเหลวครับ
วิทยาศาสตร์เป็นเรื่องสนุกและน่าค้นหามากๆ ครับ เพียงแค่น้องๆ เปิดใจเรียนรู้ และมองหาสิ่งรอบตัวที่เกี่ยวข้องกับวิชาที่เราเรียน น้องๆ ก็จะพบว่าการเรียนวิทยาศาสตร์เป็นเรื่องที่สนุกและเข้าใจได้ง่ายกว่าที่คิดเยอะเลย
พี่ๆ ทีมงาน TidMor1 อยากให้น้องๆ ทุกคนมั่นใจในตัวเองนะครับ ไม่ว่าเนื้อหาจะดูยากแค่ไหน ถ้าเราตั้งใจทำความเข้าใจอย่างเป็นระบบ และฝึกฝนอยู่เสมอ รับรองว่าน้องๆ จะทำได้ดีแน่นอนครับ ขอเป็นกำลังใจให้น้องๆ ทุกคนประสบความสำเร็จกับการเตรียมสอบเข้า ม.1 นะครับ!
และหากการวางแผนนี้ทำให้น้องๆ หรือคุณพ่อคุณแม่เห็นว่าการตะลุยโจทย์วิทยาศาสตร์คือสิ่งสำคัญ ทีมงาน TidMor1 ขอแนะนำ "ข้อสอบเข้า ม.1 วิทยาศาสตร์ 3,000 ข้อ" ซึ่งเป็นเครื่องมือที่ดีที่สุดในการสร้างความคุ้นเคยกับแนวข้อสอบที่หลากหลาย สามารถดูรายละเอียดเพิ่มเติมและสั่งซื้อได้ที่ TidMor1.com นะครับ