เล่นไปรู้ไป หลัก "ฟิสิกส์" ง่ายๆ ในสวนสนุก

รถไฟเหาะ "สกายโคสเตอร์" บิดเกลียว 90 องศาพาผู้เล่นที่ห้อยต่องแต่งทะยานไปข้างหน้าตามรางโค้งด้วยพลังงานจลน์, เรือไวกิงส์สุดเสียวไส้แกว่งตัวตามคาบการแกว่งพร้อมสร้างสภาพไร้แรงโน้มถ่วงในชั่วขณะ, รถบัมพ์ชนกันอุตลุตพิสูจน์กฎข้อที่สามของไอแซค นิวตัน...นอกเหนือจากความสนุกสุดเหวี่ยงเรียกเสียงกรี๊ดกร๊าดจนแทบหยุดหายใจแล้ว ในสวนสนุกยังมีฟิสิกส์มากมายซ่อนอยู่ด้วย...

ความสนุกข้างต้นนี้รวมอยู่ในค่ายวิทยาศาสตร์ฤดูร้อน พสวท.ระดับมัธยมศึกษาตอนปลาย ประจำปีการศึกษา 2550 ของสถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) ระหว่างวันที่ 2-8 เม.ย.51 เพื่อเชื่อมโยงความรู้วิทยาศาสตร์ในห้องเรียนมาสู่ชีวิตจริงของสมาชิก พสวท.รุ่นใหม่ทั้ง 90 ชีวิต โดยมี ดร.วิศิษฐ์ สิงห์สมโรจน์ อาจารย์ประจำภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล ศิษย์เก่า พสวท.รุ่น 7 และคณะเป็นผู้สร้างสีสันความสนุกของฟิสิกส์กันที่สวนสนุก "ดรีมเวิร์ลด์"

รถไฟเหาะ "สกายโคสเตอร์"

ดร.วิศิษฐ์ ให้ความรู้ว่า รถไฟเหาะ "สกายโคสเตอร์" ทำงานโดยอาศัยกฎพลังงานที่บอกว่าพลังงานภายในระบบต้องคงที่ถ้าพลังงานไม่มีการไหลเข้าหรือออกจากระบบ สำหรับกรณีนี้จึงหมายถึงพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ที่การเคลื่อนที่ของสกายโคสเตอร์ทั้งหมดจะเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนพลังงานศักย์บางส่วนหลังจากถูกลากขึ้นไปบนจุดสูงสุดประมาณ 9 เมตรจากพื้นดินให้กลายรูปมาเป็นพลังงานจลน์
 
ตลอดการเคลื่อนที่ประมาณ 30 วินาทีจะไม่มีเครื่องจักรอื่นใดมาช่วยเสริมแรงเลย ความเร็วของสกายโคสเตอร์แต่ละจุดจึงขึ้นอยู่กับระดับความสูงของจุดนั้นๆ เทียบกับตำแหน่งอ้างอิง โดยเมื่อสกายโคสเตอร์เคลื่อนที่มาถึงจุดต่ำที่สุดด้วยความเร็วสูงก็จะทำให้ผู้เล่นรู้สึกถึงแรงโน้มถ่วงที่มากกว่าปกติ เช่น อาจมากถึง 5 เท่าของแรงโน้มถ่วงทีเดียว

"แต่ในความเป็นจริงแล้ว ระบบการเคลื่อนที่ของสกายโคสเตอร์จะมีแรงเสียดทานที่ระบบล้อและราง รวมถึงแรงต้านอากาศ ทำให้พลังงานในระบบค่อยๆ ลดลงเมื่อสกายโคสเตอร์เคลื่อนที่ไปตามราง ถ้าเราทำการวัดจริงๆ เราควรจะพบว่าพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ของระบบลดลงตามระยะทางที่เคลื่อนที่ โดยพลังงานที่หายไปจะกลายไปเป็นความร้อนที่เกิดขึ้นจากการเสียดสีและเสียงดังที่เราได้ยิน" ดร.วิศิษฐ์ว่า

เคเบิลคาร์

ต่อมาที่ "เคเบิลคาร์" ก็มีหลักการทำงานง่ายๆ เช่นกัน โดยการทำให้ลวดสลิงที่สามารถรับน้ำหนักได้มากพอเคลื่อนที่ไปเรื่อยๆ เมื่อเคเบิลคาร์คันใดพร้อมที่จะเดินทาง เจ้าหน้าที่ก็เพียงนำที่เกี่ยวด้านบนของเคเบิลคาร์มาพาดเอาไว้กับลวดสลิงและยึดติดไว้ไม่ให้ไถล เมื่อถึงจุดหมายแล้วตัวยึดก็จะคลายออก ทำให้ตัวรถและลวดสลิงแยกออกจากกัน ตัวรถจึงหยุดเคลื่อนที่ ในขณะที่ลวดสลิงยังคงเคลื่อนที่ของมันต่อไป

"ความสมดุลเป็นสิ่งสำคัญของเคเบิลคาร์เนื่องจากแรงที่ยกให้เคเบิลคาร์ลอยอยู่ในอากาศได้มีแค่องค์ประกอบของแรงตึงเชือกในแนวตั้งเท่านั้น และเพื่อให้เคเบิลคาร์สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างปลอดภัย ตัวรถจึงต้องได้รับการออกแบบมาให้ศูนย์กลางมวลอยู่บนแกนตั้งที่ผ่านตรงกลางตัวรถเพื่อไม่ให้รถเอียงขณะเคลื่อนที่ นั่นคือโมเมนต์ทวนเข็มนาฬิกาและโมเมนต์ตามเข็มนาฬิกาบนทุกๆ ระนาบแนวตั้งมีขนาดเท่ากัน" อาจารย์รายเดิมเสริม

รถบัมพ์

รถบัมพ์ถือเป็นเครื่องเล่นอีกชนิดหนึ่งที่คุณหนูๆ ไม่ยอมพลาด ดร.วิศิษฐ์ เผยว่ารถบัมพ์เป็นตัวอย่างที่ใช้อธิบายกฎข้อที่สามของนิวตันได้เป็นอย่างดี ซึ่งกล่าวว่าแรงกิริยาจะมีค่าเท่ากับแรงปฏิกิริยา กล่าวคือในขณะที่ขับรถบัมพ์อยู่ถ้าเราขับไปชนคันอื่นแรงเท่าไร รถที่ถูกชนก็จะส่งแรงกลับมาหาเรามากขึ้นเท่านั้นในทิศตรงกันข้าม ดังนั้นเพื่อไม่ให้เกิดอาการบาดเจ็บ เราจะสังเกตได้ว่ารถบัมพ์แต่ละคันจะมีกันชนยางดูดซับแรงจากการชนไว้ โดยทำให้เวลาในการชนมากขึ้น แรงที่เกิดจากการชน หรือ "แรงดล" จึงน้อยลงทำให้เราไม่ถูกชนแรงเกินไป

หากสังเกตเพิ่มไปอีกจะพบด้วยว่าเมื่อแรงบัมพ์ชนกัน ความเฉื่อยจะทำให้ผู้เล่นเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดิมในขณะที่รถหยุดเคลื่อนที่แล้ว นี่เองที่เป็นสาเหตุว่าทำไมเวลาขับรถจริงบนท้องถนน เราถึงต้องคาดเข็มขัดนิรภัยไว้ เนื่องจากการชนคือการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมซึ่งมีค่าแปรผันตรงกับมวล คนที่มีน้ำหนักมากจึงรู้สึกถึงแรงกระแทกมากกว่าคนที่มีน้ำหนักน้อยกว่าเมื่อรถบัมพ์สองคันโคจรมาปะทะกัน

แกรนด์แคนยอน

ด้านใครที่ชอบความเย็นจากสายน้ำ แกรนด์แคนยอนอาจเป็นคำตอบที่ดี ซึ่งจากรูปร่างที่เป็นรูปวงกลมของเรือและการไหลไปตามน้ำจากที่สูงลงสู่ที่ต่ำ เมื่อไหลไปตามน้ำเรือจะหมุนไปรอบๆ ตามการชนที่เกิดขึ้นกับสิ่งภายนอกและกระแสน้ำที่ไหลแบบไม่สม่ำเสมออันเป็นความสนุกตื่นเต้นของเครื่องเล่นชิ้นนี้ น้ำหนักและตำแหน่งที่เรานั่งอาจมีผลบ้างเล็กน้อยในการหมุนของเรือ เช่น หากทุกคนมารวมกันอยู่ที่ขอบด้านใดด้านหนึ่งของเรือ ขอบด้านนั้นก็จะจมน้ำมากกว่าด้านอื่นๆ ทำให้จุดหมุนของเรือย้ายมาอยู่ใกล้ขอบด้านนี้แทนที่จะอยู่ตรงกลางเรือ แต่หากเป็นการชนกับตลิ่ง จุดที่ชนก็จะเป็นจุดหมุน ซึ่งจะเป็นคนละกรณีกัน

"อัตราเร็วของเรือก็ไม่จำเป็นจะต้องมากขึ้นเรื่อยๆ เหมือนวัตถุที่ตกอย่างอิสระ ทั้งนี้เพราะพื้นที่หน้าตัดของลำธารไม่จำเป็นต้องคงที่ ตัวอย่างถ้าลำธารใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากปริมาตรน้ำที่ไหลผ่านหน้าตัดใดๆ ต่อหน่วยเวลาที่เวลาเดียวกันต้องเท่ากัน อัตราเร็วตรงบริเวณที่มีพื้นที่หน้าตัดใหญ่ก็จะน้อยกว่าบริเวณที่มีพื้นที่หน้าตัดเล็ก" แกนหลักการจัดกิจกรรมว่า
 
อธิบายให้ง่ายลงมาอีกนิดสำหรับใครที่อาจยังงง กรณีนี้ก็เหมือนกับการที่เราฉีดน้ำจากสายยาง น้ำที่ไหลออกมาจากก๊อกจะไหลออกมาอย่างสม่ำเสมอจึงมีปริมาตรเท่ากัน แต่เมื่อเราเอานิ้วโป้งไปปิดปากสายยางให้แคบลง น้ำก็จะไหลออกจากท่อด้วยอัตราเร็วสูงขึ้น สังเกตได้จากน้ำจะพุ่งออกไปได้แรงกว่าเดิม 

เรือไวกิงส์

สุดท้ายที่เครื่องเล่นสุดเสียวไส้อย่าง "เรือไวกิงส์" ดร.วิศิษฐ์ ไขมุมในเชิงฟิสิกส์ว่า ในการแกว่งเรือไวกิงส์ให้มีช่วงของการแกว่ง (แอมปลิจูด) มากขึ้นเรื่อยๆ ในตอนเริ่มต้นนั้นจะต้องอาศัยปรากฏการณ์ที่เรียกว่า "เรโซแนนซ์" หรือการแทรกสอด เหมือนกับตอนที่เราออกแรงผลักชิงช้าที่มีเพื่อนนั่งอยู่ การออกแรงผลักจะต้องมีความถี่เท่ากับความถี่ธรรมชาติของชิงช้าซึ่งเป็นความถี่ที่ทำให้แอมปลิจูดของการแกว่งเพิ่มมากขึ้น ชิงช้าจึงโล้สูงขึ้นเรื่อยๆ โดยความถี่ธรรมชาติขึ้นอยู่กับค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกและระยะจากจุดหมุนถึงศูนย์กลางมวล

หากสังเกตให้ดีๆ ยังพบอีกว่าเมื่อเรือขึ้นไปอยู่ในตำแหน่งสูงสุดเมื่อสุดปลายด้านหนึ่งของการแกว่งแล้ว แรงที่ที่นั่งมีต่อผู้เล่นในทิศทางสู่จุดหมุนก็จะมีค่าน้อยที่สุดทำให้ผู้เล่นรู้สึกเหมือนอยู่ในสภาพไร้แรงโน้มถ่วงชั่วขณะ และในขณะที่เรือเคลื่อนที่ผ่านจุดที่ใกล้พื้นมากที่สุด แรงที่ที่นั่งมีต่อผู้เล่นก็จะมีค่าสูงสุดและมากกว่าปกติ คือน้ำหนักของเรากดลงบนเก้าอี้และเก้าอี้ก็ออกแรงกลับมาในขนาดที่เท่ากัน

หงายเครื่องเล่น "วิธีการสำคัญกว่าคำตอบ"

อย่างไรก็ดี ไม่เพียงแต่สนุกเพียงอย่างเดียว ดร.วิศิษฐ์และคณะเผยว่า ยังตั้งโจทย์ให้น้องๆ พสวท.ที่แบ่งกลุ่มไว้แล้วช่วยกันหาคำตอบจากเครื่องเล่นด้วย โดยระหว่างเล่นเครื่องเล่น ชาวค่ายจะต้องพกพาอุปกรณ์การวัดที่บางอย่างก็ประดิษฐ์กันเองอย่างง่ายๆ รวม 4 รายการได้แก่ ไม้บรรทัดขนาด 6 นิ้ว ตาชั่งสปริงขนาดเล็กในท่อพลาสติกใส นาฬิกาจับเวลา และครึ่งวงกลมผูกมวลสำหรับวัดมุม ไปเก็บค่าต่างๆ มาใช้ในการคำนวณคำตอบด้วย

"ในการออกแบบเครื่องเล่นแต่ละอย่างขึ้นมา นักฟิสิกส์เขาก็ต้องคิดต้องคำนวณมาแล้วว่าเครื่องเล่นแต่ละชนิดจะทำงานกันแบบไหนอย่างไร การที่น้องๆ มาร่วมกิจกรรมครั้งนี้ก็เป็นการย้อนกระบวนการกลับว่านักฟิสิกส์เขาคำนวณอะไรกันอย่างไรบ้าง" พี่เลี้ยงชาวค่ายว่า ซึ่งบางคำถามก็ดูจะแสนง่ายแค่เดินไปถามเจ้าหน้าที่ก็ได้คำตอบแล้ว แต่บางคำถามน้องๆ ต้องงัดเครื่องไม้เครื่องมือมาวัดและขุดสารพัดสูตรมาคำนวณกันเอง ทว่าก็เพียงไม่กี่อึดใจ พอได้นั่งขีดๆ เขียนๆ สักพัก คำตอบก็เตรียมพร้อมอยู่ตรงหน้า

ตัวอย่างคำถามโหดๆ ที่น้องๆ ต้องช่วยกันหาคำตอบ เช่น การหาค่างานที่ทำโดยแรงเสียดทานและแรงต้านอากาศตลอดการเคลื่อนที่ของสกายโคสเตอร์แต่ละรอบ มวลของสกายโคสเตอร์ ความสูงของจุดศูนย์กลางมวลจากพื้นของเคเบิลคาร์ในขณะที่ไม่มีผู้โดยสาร มวลของรถบัมพ์ที่ไม่มีคนขับ อัตราเร็วเชิงมุมของเรือที่ไหลไปตามลำธารแกรนด์แคนยอน หรือแม้แต่การสร้างกราฟสำหรับคาบการแกว่งที่มุมแอมปลิจูดต่างๆ ของเรือไวกิงส์ตั้งแต่ 0-90 องศา ฯลฯ แม้ว่าในท้ายที่สุดบางคำตอบจะดูห่างไกลจากความเป็นจริงไปบ้าง แต่บางคำตอบก็ดูจะเข้าเค้าไม่น้อยทีเดียว

ดร.วิศิษฐ์ เผยว่า จุดประสงค์จริงๆ ของกิจกรรมก็เพื่อให้รุ่นน้องมีความคิดสร้างสรรค์ในการหาคำตอบด้วยตัวเอง ได้ฝึกการหาคำตอบซึ่งต้องใช้จริงเมื่อเข้าห้องแล็บ ที่เมื่อถึงตอนนั้นแล้วจะไม่มีใครมาคอยบอกเราว่าจะต้องทำอย่างไรอีก แต่ทุกคนจะต้องใช้วิจารณญาณของตัวเอง ส่วนเรื่องความถูก-ผิดของคำตอบนั้นไม่เน้นนัก เพราะต้องการฝึกให้พวกเขามีวิธีคิดและวิธีสร้างกระบวนการทดลองเองมากกว่า ซึ่งก็พบว่าได้ผลน่าพอใจมาก เป็นไปตามจุดประสงค์ "บางวิธีพี่ๆ เองก็ยังคิดไม่ถึงเลย"

"สำหรับกิจกรรมนี้ก็ถือเป็นการประยุกต์ความรู้ในห้องเรียนมาใช้จริง ไม่ใช่ความรู้แค่หนึ่งหรือสองอย่าง แต่จะต้องเอาความรู้ทั้งหมดมาประยุกต์รวมกัน มีการออกแบบการทดลองเอง วิธีการหาคำตอบของแต่ละกลุ่มก็ไม่เหมือนกัน แต่เพื่อให้ได้คำตอบเดียวกัน เครื่องมือที่ใช้ก็เป็นเครื่องมือที่ทำขึ้นเองอาจไม่ได้มาตรฐาน เราก็ต้องวัดหลายๆ ครั้งเพื่อนำมาหาค่าเฉลี่ยที่แม่นยำที่สุด ต้องใช้ไหวพริบ มีการวางแผนให้รอบคอบเพราะเครื่องเล่นแต่ละอย่างก็จะขึ้นได้แค่ครั้งเดียว" น้องลี้ "ทิพเนตร จงจิตสถิตมั่น" พสวท.รุ่น 23 จากโรงเรียนสามเสนวิทยาลัยสะท้อน

"ฟิสิกส์เป็นอะไรที่ต้องเกี่ยวข้องกับเรา ขึ้นอยู่กับว่าเราจะนำมันไปปรับใช้ได้อย่างไร อย่างตอนขึ้นรถเมล์แล้วคนขับเหยียบเบรก เพื่อนเซไปข้างหน้า เราก็แซวเพื่อนว่า นี่ๆ กำลังรักษาความเฉื่อยอยู่ คือเราสามารถนำความรู้ฟิสิกส์ไปเชื่อมโยงและอธิบายสิ่งต่างๆ ในชีวิตประจำวันได้" น้องลี้ยกตัวอย่าง
 
ส่วนใครที่เห็นไอเดียแจ่มๆ จากกิจกรรมฟิสิกส์ในสวนสนุกแล้วอยากลองทำบ้าง เชื่อว่าก็คงไม่มีใครห้าม ชิงช้า ไม้กระดานหก ม้าหมุน หรือจะเป็นไม้ลื่นในสวนสาธารณะหรือโรงเรียนใกล้บ้านก็อาจกำลังรอให้ไปลิ้มลองอยู่เช่นกัน.