เฉลย! ขว้างบูเมอแรงในอวกาศ...มันจะกลับมาหาเราไหม?

"ผมต้องประหลาดใจและตื่นเต้นอย่างมากที่เห็นบูเมอแรงกลับมาเช่นเดียวกับบนโลก"

คำเฉลยจากทากาโอ โดอิ (Takao Doi) นักบินอวกาศจากองค์การอวกาศญี่ปุ่น (แจกซา) ผู้ทำการทดลองปาบูเมอแรงบนสถานีอวกาศนานาชาติระหว่างเวลาว่างในช่วงการปฏิบัติภารกิจต่อเติมสถานีอวกาศ เมื่อวันที่ 18 มี.ค.ที่ผ่านมา ทั้งนี้เนื่องจากเขาได้รับการร้องขอจากยาซุฮิโร โทกาอิ (Yasuhiro Togai) นักปาบูเมอแรงแชมป์โลกชาวญี่ปุ่นให้ทำการทดลองดังกล่าว อย่างไรก็ดีไม่มีคำอธิบายเพิ่มเติมจากผลการทดลองนั้นและแจกซาจะได้เผยแพร่ภาพวิดีโอการทดลองในภายหลัง

"ผู้จัดการวิทยาศาสตร์" จึงได้สอบถามไปยังผู้รู้หลายๆ คน ในเบื้องต้น ดร.ประเสริฐ เฉลิมการนนท์ นักวิจัยศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค) ที่ดูแลการแข่งขันปาเครื่องบินกระดาษในงานสัปดาห์วิทยศาสตร์แห่งชาติร่วม 4 ปี อธิบายคร่าวๆ ว่า การที่บูเมอแรงหมุนกลับมาที่เดิมได้เพราะมีแรงลม ซึ่งการปาบูเมอแรงในสถานีอวกาศก็แสดงว่ายังอากาศแต่มีแรงโน้มถ่วงต่ำ

"การกลับมาของบูเมอแรงนั้นน่าจะเกิดจากการหมุนด้วยตัวเองและมีแรงลม ซึ่งการปาบนสถานีอวกาศน่าจะเคลื่อนที่กลับมาเหมือนเดิม แต่ก็ขึ้นอยู่กับระนาบการปาด้วย โดยบนโลกนั้นมีแนวระนาบที่ขนานกับพื้น ส่วนบนสถานีอวกาศน่าจะเคลื่อนที่กลับมาเหมือนกันแต่อาจจะมีระนาบการกลับที่ต่างไป" ดร.ประเสริฐกล่าว

ด้าน ดร.พรรัตน์ วัฒนกสิวิชช์ อาจารย์ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ อธิบายว่าปาบูเมอแรงแล้วกลับมาเพราะบูมเมอแรงใช้หลักการเดียวกับปีกเครื่องบิน โดยปีกเครื่องบินนั้นมี 2 ด้านที่นูนและเรียบต่างกัน เมื่ออากาศเคลื่อนที่ผ่านด้านบนที่นูน โมเลกุลอากาศจะเคลื่อนที่เร็วกว่าปีกด้านล่างที่เรียบ ทำให้ด้านบนมีความหนาแน่นและความดันน้อยกว่าด้านล่างที่มีความเร็วน้อยกว่า และมีความหนาแน่นกับความดันของอากาศมากกว่า จึงเกิดแรงพยุงปีกให้ยกตัวขึ้น

"หลักการดังกล่าวคล้ายกับบูเมอแรงซึ่งหากต้องการให้บูมเมอแรงกลับมาต้องปาในแนวตั้ง โดยตราบใดที่มีโมเลกุลอากาศบูเมอแรงก็จะเลี้ยวโค้ง ซึ่งในสถานีอวกาศนั้นบูเมอแรงได้รับความแตกต่างของความดันจากโมเลกุลอากาศเหมือนกันบนโลกจึงเคลื่อนที่กลับมา"

"แต่ถ้าปาในที่เป็นสุญญากาศ เช่น บนดวงจันทร์ ก็จะเหมือนกันการขว้างก้อนหินที่จะเคลื่อนที่แนว "โปรเจกไทล์" (Projectile) หรือวิถีโค้งและตกลง ซึ่งแรงโน้มถ่วงที่น้อยกว่าก็จะทำให้บูเมอแรง ไปตกไกลกว่าบนโลก แต่ไม่เกิดการหมุนของบูเมอแรงเหมือนบนโลก"

ในส่วนของคอลัมน์ถาม-ตอบของนิตยสารนิวไซแอนทิสต์ (newscientist) นั้นอธิบายว่าบูเมอแรงก็เหมือนปีกเครื่องบินของด้านที่นำมาประกบดัน เมื่อขว้างในลักษณะที่เกือบเป็นแนวตั้งปีกด้านบนจะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าด้านล่างจึงทำให้ปลายด้านหนึ่งกระดกขึ้นแล้วเลี้ยวกลับเช่นเดียวกับการโน้มตัวขณะเลี้ยวจักรยาน

ส่วนอีกคำตอบอธิบายว่าการกลับมาของบูเมอแรงนั้นอาศัยการทำงานร่วมกันของหลักอากาศพลศาสตร์และปรากฏการณ์รักษาการทรงตัว (gyroscopic effect) โดยเมื่อบูเมอแรงหมุนปีกทั้งสองหรือมากกว่าที่ระนาบแนวตั้งเอียง 20 องศาจะหมุนควงอย่างรวดเร็ว ซึ่งทั่วๆ ไปประมาณ 10 รอบต่อวินาที ปีกด้านบนสุดจะไปในทิศทางเดียวกับการเคลื่อนที่และหมุนผ่านอากาศเร็วกว่าปีกด้านล่าง ดังนั้น ปีกที่เคลื่อนที่เร็วสุดจะยกปีกที่เคลื่อนที่ช้ากว่าขึ้น แรงทั้งหมดจะพุ่งไปทิศทางหมุนกลับ

กลับมาดูที่ผู้อ่านของผู้จัดการวิทยาศาสตร์กันบ้าง มีหลายความเห็นทีเดียวที่คาดเดาผลที่เกิดขึ้นได้น่าสนใจ อาทิ ความเห็นของ คุณ Hongo ที่ทายว่าถ้าขว้างบูเมอแรงในสถานีอวกาศมันจะวนกลับมาเพราะในห้องสถานีมี "ออกซิเจน" (สังเกตจากนักบินอวกาศไม่ได้ใส่เครื่องช่วยหายใจ) ซึ่งหนาแน่นและมีมวลพอที่จะสร้างแรงเสียดทาน

แต่ถ้าขว้างบูเมอแรงนอกสถานีอวกาศมันจะไม่วนกลับเพราะนอกสถานีอวกาศไม่มีมวลสสารที่พอจะสร้างแรงเสียดทานกับบูมเมอแรงจนทำให้มันเปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่

หรือบางความเห็นก็อธิบายว่าปัจจัยที่ทำให้บูเมอแรงกลับมาได้ก็คือ "แรงเสียดทานของอากาศ" ส่วน "แรงดึงดูดหรือแรงโน้มถ่วง" น่าจะเป็นแค่แรงที่ทำให้บูเมอแรง ลดเพดานบินลงต่ำบนพื้นโลกเท่านั้น ซึ่งถ้านำไปขว้างในยานอวกาศ อาจจะบินวนไปวนมาจนกว่าแรงเสียดทานจะหักลบกับแรงที่ขว้างไป (ถ้าไม่มีอะไรขวาง)

แต่ถ้าขว้างในอวกาศที่เป็นสุญญากาศคงไปถึงสุดขอบจักรวาล หากไม่เจอแรงดึงดูดเข้าไปเฉียดดาวอื่นเสียก่อน ก็นับว่าเป็นอีกความคิดที่น่าสนใจซึ่งเราคงต้องมาขบคิดกันต่อว่าแรงของมนุษย์จะสามารถปาบูเมอแรงไปสุดขอบจักรวาลได้หรือไม่

ขณะที่บางความเห็นก็อธิบายว่าด้วยรูปร่างของบูเมอแรงจะทำให้เกิดการหมุนอย่างแน่นอน เนื่องจากการขว้างได้ส่งกำลังไปยังส่วนปลายบูเมอแรงมากกว่าส่วนอื่นที่เกิดแรงเฉื่อยของการหมุน (rotational inertia) และไม่เกี่ยวกับอากาศหรือแรงโน้มถ่วงของโลก โดยแรงต้านอากาศ (drag) น่าจะทำให้มันหยุดหมุนมากกว่าที่จะหมุน แต่ไม่ตอบว่าบูเมอแรงจะกลับมาหรือไม่เพราะมีปัจจัยการเคลื่อนที่ของบูเมอแรงเยอะมาก

"ในกรณีนี้ดูแล้วรูปทรงบูเมอแรงเป็นแบบแบน ดังนั้นเวลาหมุนจะไม่เกิดแรงยกดังที่เกิดกับปีกเครื่องบิน หรือบูเมอแรงที่มีรูปทรงปีกเหมือนปีกเครื่องบิน เพราะในอวกาศไม่จำเป็นต้องพึ่งแรงยกในการต้านแรงโน้มถ่วงของโลก รูปทรงบูเมอแรงก็เป็นแบบ 3 ปีกด้วยอีกต่างหาก ยิ่งงง แต่ผมเดาว่ามันจะกลับนะครับ คิดว่าการเคลื่อนที่ของวัตถุที่หมุนรอบจุดศูนย์กลางมวลของตัวเองในแนวระนาบเดียวกันน่าจะมีผลต่อ trajectory ของวัตถุนั้น"

ยังมีอีกหลายความเห็นที่น่าสนใจแต่ก็ยังไม่มีคำอธิบายโดยตรงจากนักบินอวกาศญี่ปุ่นผู้ดำเนินการทดลองนี้ แต่อย่างน้อยการทดลองที่เกิดขึ้นนี้ก็เป็นตัวอย่างที่ทำให้เราได้ฝึกคิดอย่างมีหลักการและเหตุผล.