xs
xsm
sm
md
lg

อธิบายด้วยหลักฟิสิกส์ “เครื่องปั่นไฟพลังมือ” ทำได้จริงไหม?

เผยแพร่:   ปรับปรุง:   โดย: ผู้จัดการออนไลน์

ทำได้จริงไหม “เครื่องปั่นไฟพลังมือ” ที่กำลังเป็นกระแสในขณะนี้ ฟังนักฟิสิกส์อธิบายด้วยหลักการทางฟิสิกส์พื้นฐานระดับ ม.ปลาย

เป็นกระแสร้อนแรงทีเดียวสำหรับเครื่องผลิตไฟฟ้าปั่นมือของนักประดิษฐ์ท่านหนึ่งที่อ้างว่า ให้แรงไฟฟ้าขนาด 200 โวลต์ (ขนาดเท่าไฟฟ้าที่ใช้ตามบ้านเรือน) และให้กำลังไฟฟ้า 500 วัตต์ โดยอาศัยเพียงการปั่นไฟด้วยมือ 15 นาที และสามารถนำไปใช้งานได้ถึง 6-8 ชั่วโมง

ทีมข่าวผู้จัดการวิทยาศาสตร์ได้ขอให้ ดร.ดริศ สามารถ นักฟิสิกส์ทฤษฎีและนักวิจัยหลังปริญญาเอกทางด้านฟิสิกส์จากจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย อธิบายถึงความเป็นไปได้ในการทำงานของเครื่องผลิตไฟฟ้าปั่นมือดังกล่าว โดยหลักการที่อธิบายถึงเรื่องนี้อาศัยเพียงความรู้ฟิสิกส์ระดับ ม.ปลายเท่านั้น

ดร.ดริศระบุว่า เครื่องปั่นไฟพลังมือนี้ได้รับกระแสฮือฮาแก่ผู้รับรู้ข่าวเรื่องนี้จำนวนมาก โดยเขาทราบข่าวจากเพื่อนๆ นักฟิสิกส์ด้วยกันบนโลก แต่ก็มีการตั้งข้อสงสัยเกี่ยวกับการทำงานของเครื่องปั่นไฟดังกล่าวในสื่อโซเชียลและกระทู้ออนไลน์จำนวนมาก และคอมเมนต์หลักๆ จะเอ่ยถึงหลักการอนุรักษ์พลังงาน (ไม่ใช่การประหยัดพลังงานแต่อย่างใด)

"วันนี้เราจะมาใช้หลักการฟิสิกส์ระดับ ม.ปลาย มาคำนวณง่ายๆ เกี่ยวกับเครื่องปั่นไฟดังกล่าวกัน โดยเราจะใช้วิเคราะห์ด้วยหลักการทางฟิสิกส์ 2 เรื่องคือ 1. อนุรักษ์พลังงานจากกฏของอุณหพลศาสตร์ 2. เครื่องแรงดันไฟฟ้าจากการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก”

ในส่วนของหลักการอนุรักษ์พลังงานจากกฏของอุณหพลศาสตร์นั้น ดร.ดริศไล่เรียงว่า อุณหพลศาสตร์เป็นเสาหลักของสาขาหนึ่งของฟิสิกส์มาตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 มาจนถึงปัจจุบัน และเป็นสาขาวิชาที่ว่าด้วย อุณหภูมิ ความดัน ความร้อน พลังงานและเครื่องจักรกล ซึ่งอุณหพลศาสตร์นั้นมีกฎข้อหนึ่งที่ว่าด้วยกฏการอนุรักษ์พลังงาน โดยพลังงาน คือ ความสามารถในการทำงานได้ของวัตถุ เป็นกำลังงานที่ใช้ในช่วงเวลาหนึ่ง หรือระยะทางหนึ่ง มีหน่วยการวัดที่เรียกว่า จูล (Joule)

"พลังงานเป็นปริมาณที่ใช้อธิบายระบบทางกายภาพ หรือสถานะของวัตถุ พลังงานสามารถเปลี่ยนรูปไปอยู่ในพลังงานรูปแบบอื่นได้ จากกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ที่ว่าด้วยการอนุรักษ์พลังงาน ระบุว่า พลังงานของระบบที่เปลี่ยนแปลงในกระบวนการที่ไม่มีการถ่ายเทความร้อน จะไม่ขึ้นกับวิถีทางหรือทิศทางของงานที่กระทำต่อระบบในกระบวนการนั้นๆ พลังงานทั้งหมดในระบบปิดจะไม่เปลี่ยนแปลงในสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้าย หรือกล่าวได้ง่ายๆ ว่าพลังงานจะไม่เพิ่มขึ้นหรือสูญหายไปจากระบบนั้นเอง นอกจากจะมีพลังงานใส่เข้ามาหรือดึงออกไปจากระบบภายนอก"

ส่วนกำลังไฟฟ้าที่ผู้ประดิษฐ์เครื่องปั่นไฟอ้างถึงนั้น คือรูปแบบหนึ่งของปริมาณทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า “กำลัง” ซึ่งเป็นอัตราการทำงานต่อหนึ่งหน่วยเวลา และมีอยู่หลายรูปแบบ เช่น กำลังทางกล กำลังทางไฟฟ้า สามารถเขียนสมการให้อยู่ในรูปอัตราส่วนของพลังงานกับเวลาคือ “กำลัง = พลังงาน/เวลา” และมีหน่วยเรียกว่า “วัตต์” (Watt) ซึ่งพบได้ตามอุปกรณ์ไฟฟ้าทั่วไป

เครื่องปั่นไฟจากข่าวนั้นให้ข้อมูล “กำลัง” และ “เวลา” ซึ่งจากสมการเราสามารถคำนวณหา “พลังงาน” เพื่อนำไปวิเคราะห์ต่อด้วยกฏการอนุรักษ์พลังงานได้ โดยข่าวระบุว่า เครื่องปั่นไฟจะให้กำลังไฟฟ้า 500 วัตต์ เมื่อหมุนปั่นไฟ 15 นาที ซึ่งแปลงเป็นหน่วยชั่วโมงได้ 0.25 ชั่วโมง จากสูตรของกำลังดังกล่าว เราจะได้พลังงาน 500X0.25 = 125 วัตต์ชั่วโมง (หลังจากนี้เราจะใช้หน่วยของพลังงานไฟฟ้าด้วย วัตต์ชั่วโมง แทนที่ จูลเพื่อความสะดวกในการทำความเข้าใจ)

“ตามข่าวยังให้ข้อมูลด้วยว่า เครื่องปั่นไฟสามารถนำไปใช้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าอย่างอื่นได้เป็นเวลา 6-8 ชั่วโมง ซึ่งจากกฏการอนุรักษ์พลังงาน เราสรุปได้ว่าพลังงานจากเครื่องปั่นไฟได้เท่ากับ 125 วัตต์ชั่วโมง ถ้านำไปใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าเป็นเวลา 6 ชั่วโมง เราจะพบว่าอุปกรณ์นั้นจะมีกำลังเป็น 125/6 = 20 วัตต์”

ดร.ดริศอธิบายต่อว่า เครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีกำลัง 20 วัตต์นั้นเป็นเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีกำลังการใช้ไฟน้อยมาก ขณะที่พัดลมตั้งโต๊ะแบบธรรมดานั้นมีกำลังกินไฟอย่างน้อยประมาณ 45 วัตต์ หากใช้ไฟฟ้าจากเครื่องปั่นไฟจะใช้งานได้เพียง 125/45 = 2.8 ชั่วโมงเท่านั้น

“จะเห็นได้ว่าพลังงานไฟฟ้าจากเครื่องปั่นไฟตัวนี้ ไม่สามารถนำไปใช้กับอุปกรณ์อื่นๆ เป็นเวลา 6-8 ชั่วโมงได้เลย เพราะถ้าสมมติว่าเอาไปใช้กับเครื่องซักผ้าที่มีกำลังไฟฟ้าขั้นต่ำ 250 วัตต์ เป็นเวลา 6 ชั่วโมงตามที่อ้าง แสดงว่าจะใช้พลังงานไฟฟ้า 250x6 = 1500 วัตต์ชั่วโมง ซึ่งแน่นอนว่าเป็นพลังงานไฟฟ้าที่มากกว่าจากเครื่องปั่นไฟที่มีเพียง 125 วัตต์ชั่วโมง”

"นั่นก็หมายความว่ากฏการอนุรักษ์พลังงานถูกละเมิดนั่นเอง ซึ่งเป็นไปไม่ได้ สรุปง่ายๆ ได้ว่าเครื่องปั่นไฟมีพลังงานไฟฟ้าเพียง 125 วัตต์ชั่วโมง ไม่สามารถให้พลังงานไฟฟ้าได้มากกว่านี่แน่นอน พลังงานไฟฟ้าจากเครื่องปั่นไฟที่ปรากฏในข่าวไม่สอดคล้องกับกฎพื้นฐานทางฟิสิกส์ที่ได้กล่าวมา นอกจากนี้จะเห็นได้ว่ากฏทางอุณหพลศาสตร์เป็นหลักการทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญในการออกแบบเครื่องจักรหลายประเภท"

ดร.ดริศบอกอีกว่า ก่อนหน้านี้หลายสิบปีได้มีนักประดิษฐ์หลายๆ คนในต่างประเทศไม่ใช่แค่ในประเทศไทยอ้างว่า สามารถสร้างเครื่องจักรที่สามารถทำงานได้เป็นนิรันดร์หรือเพิ่มพลังงานของระบบให้มากขึ้นเพื่อประหยัดต้นทุน แต่เครื่องจักรดังกล่าวไม่มีอยู่จริงเนื่องมันเป็นขัดกับกฏของอุณหพลศาสตร์ (รายละเอียดดูเพิ่มเติมที่ เครื่องจักรที่ไม่สามารถมีอยู่จริงได้ แต่คนคิดกันอยู่ได้ !!

อีกหลักการที่นำมาอธิบายถึงหลักการทำงานและความเป็นไปได้ของเครื่องปั่นไฟพลังงานมืออย่างง่ายๆ คือ เครื่องแรงดันไฟฟ้าจากการเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็ก ตามหลักการแล้วเราสามารถคำนวนแรงดันไฟฟ้าจากเครื่องปั่นไฟพลังมือ ด้วยหลักการเหนี่ยวนำไฟฟ้าจากการเปลี่ยนแปลงของเส้นแรงสนามแม่เหล็กที่ผ่านขดลวด โดยพิจารณาโครงสร้างพื้นฐานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วยวงตัวนำที่หมุนอยู่ในสนามแม่เหล็ก โดยปลายแต่ละด้านของวงตัวนำต่อกับขั้วทั้ง 2 ดังภาพ

เมื่อวงตัวนำรูปสี่เหลี่ยมหมุนในสนามแม่เหล็ก เส้นแรงแม่เหล็กผ่านวงจะเปลี่ยน แปลงอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำกระแสสลับที่ขั้วไฟฟ้าต่อออกมาดังรูป โดยแรงเคลื่อนไฟฟ้า (emf) สูงสุด มีขนาดดังสูตร (อ้างอิง Hugh D. Young and Roder A. Freedman, University physics with modern physics, 14th edition, Pearson, 2016)

emf = N B A ω
เมื่อ emf = แรงเคลื่อนไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า มีหน่วยเป็น โวลต์ (Volt)
N = คือจำนวนรอบของลวดตัวนำ
B = สนามแม่เหล็ก มีหน่วยเป็นเทสลา (Tesla)
A = พื้นที่หน้าตัดของขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมมีหน่วยเป็นตารางเมตร
ω = 2 π f เมื่อ ω คือความเร็วเชิงมุม และ f คือความถี่ในการหมุนของวงลวดตัวนำ

"จากนั้นเราลองมาคำนวนว่าถ้าเครื่องปั่นไฟสามารถผลิตแรงเคลื่อนไฟฟ้าหรือแรงดันไฟฟ้า emf = 220 โวลต์ได้ตามข่าว ซึ่งเท่ากับไฟบ้านเลย และข้อมูลจากข่าวระบุอีกว่าขนาดของเครื่องปั่นไฟมีตัวถังกว้าง 80 เซ็นติเมตร = 0.8 เมตร ยาว 100 เซ็นติเมตร = 1 เมตร ดังนั้น เมื่อประมาณคร่าวๆขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมที่จะใส่ในเครื่องปั่นไฟเพื่อหมุนได้ก็จะมีพื้นที่หน้าตัดขนาดประมาณ 0.75 เมตร x 0.75 เมตร = 0.5625 ตารางเมตร และจากภาพข่าวสาธิตการหมุนเครื่องปั่นน่าจะประมาณ 1 รอบต่อวินาที นั่นคือ ω = 2 π x1 นอกจากนี้เราสมมติว่ามีขดลวดตัวนำพันเป็นรูปสี่เหลี่ยมประมาณ 10 รอบ

เราสรุปปริมาณที่ได้จากการสมมติตามแบบจำลองเครื่องปั่นไฟในข่าว นั่นคือ

emf = 220 โวลต์, N = 10 รอบ A = 0.5625 ตารางเมตร, ω = 2 π

นำค่าที่ได้ไปแทนค่าในสมการของแรงดันไฟฟ้า เพื่อหาค่าสนามแม่เหล็กถาวรที่ใช้ในการปั่นไฟจะพบว่า

B = emf/(NxAxω) = 220/(10x0.5625x2 π) = 6.2274 ~ 6.23 เทสลา

"จากแบบจำลองเครื่องปั่นไฟตามข่าวจะพบว่า สนามแม่เหล็กมีค่าประมาณที่ใช้เพื่อทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้า 220 โวลต์ดังข่าว จะต้องใช้แม่เหล็กขนาด 6.23 เทสลา ซึ่งต้องเป็นแม่เหล็กที่มีขนาดใหญ่และราคาแพงมาก โดยเครื่อง MRI (magnetic resonance imaging) ซึ่งเป็นเครื่องสร้างภาพด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อใช้ในการตรวจวินิจฉัยรอยโรคของผู้ป่วย ที่ใช้ทั่วไปในปัจจุบันตามโรงพยาบาลใหญ่ๆ ก็มีขนาดแม่เหล็กประมาณ 2-3 เทสลาเท่านั้นเอง"

ดร.ดริศชี้ให้เห็นว่า การจะสร้างเครื่องปั่นไฟที่ผลิตแรงดันไฟฟ้าให้ได้ตามข่าวนั้นเป็นเรื่องที่เป็นไปไม่ได้เลย หรือทำได้ก็ยากมากๆ ซึ่งไม่สอดคล้องกันกับข้อมูลในข่าว แต่ได้ย้ำว่า การคำนวณที่ยกตัวอย่างมานั้น เป็นการคำนวนอย่างคร่าวๆ จากข้อมูลที่อยู่บนพื้นฐานของแบบจำลองฟิสิกส์เชิงอุดมคติซึ่งที่ไม่ได้พิจารณาตัวแปรอื่นๆ ที่อาจจะเกิดขึ้นในสถานะการจริง เช่น แรงเสียดทานหรือความฝืด ที่เกิดจากการทดเพิ่มรอบการหมุน ตามที่ผู้ประดิษฐ์ได้กล่าวอ้าง และประมาณปริมาณต่างๆ แบบหยาบๆ จากข้อมูลแหล่งข่าวเท่านั้น

"ถึงกระนั้นการคำนวนนี้ก็พอทำให้มองให้เห็นภาพขององค์ประกอบต่างๆ ของอุปกรณ์ในเครื่องปั่นไฟที่ได้จากหลักการทางฟิสิกส์ และนำไปเทียบกับเครื่องปั่นไฟในข่าวนั่นเองเพื่อเป็นการพิจารณาข้อมูลจากข่าวว่า มีความเป็นไปได้หรือไม่ หรือมากน้อยเพียงใด จริงๆ แล้วอยากให้มีการสาธิตการทดลองต่อหน้าสาธารณะที่สามารถตรวจสอบทำซ้ำเพื่อตอบคำถามต่อข้อสังเกตในการสร้างและผลผลิตจากเครื่องปั่นไฟนี้ด้วยด้วยหลักการที่ถูกต้องและชัดเจนจะดีมาก”

ดร.ดริศยังเสริมต่อไปอีกว่าการริเริ่มลงมือสร้างหรือประดิษฐ์สิ่งของหรือนวัตกรรมเป็นสิ่งที่น่าชื่นชมเพราะเราไม่สามารถมีนวัตกรรมหรือสิ่งประดิษฐ์ได้เลยถ้าไม่ลงมือทำ แต่ควรต้อง มีหลักการหรือกฏเกณฑ์ทางวิทยาศาสตร์มารองรับเพื่อพิสูจน์และทำซ้ำได้ ไม่เช่นนั้นแล้วสิ่งประดิษฐ์จะกลายเป็นวิทยาศาสตร์เทียม ซึ่งเป็นการง่ายต่อบุคคลที่คิดไม่ซื่อในการฉกฉวยหาผลประโยชน์จากผู้บริโภคที่มีความเข้าใจที่คลาดเคลื่อนและไม่ถูกต้องด้วยวิทยาศาสตร์เทียมเหล่านี้

อย่างไรก็ตาม ดร.ดริศระบุย้ำอีกว่า จากเรื่องราวที่เป็นข่าวของเครื่องปั่นไฟพลังมือนี้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญขององค์ความรู้ทางฟิสิกส์ที่ดูเหมือนว่าเป็นเรื่องไกลตัวและไม่มีประโยชน์ในชีวิตประจำวัน แต่การที่มีความรู้ความเข้าใจหลักการพื้นฐานที่สำคัญทางวิทยาศาสตร์ (ทั้งวิชาเคมี ชีววิทยาไม่ใช่แค่ฟิสิกส์) ที่หนักแน่นและชัดเจน จะทำให้เกิดระบบความคิดแบบตรึกตรอง และมีข้อสงสัย ซึ่งไม่ถูกชักจูงด้วยข้อมูล ที่ดูน่าตื่นตาตื่นใจหวือหวา ที่ดูเหมือนวิทยาศาสตร์ แต่จริงๆ เป็นวิทยาศาสตร์เทียมเพื่อมาหาผลประโยชน์แก่ผู้หลงเชื่อ

“นอกจากนั้น เมื่อเร็วๆ นี้ยังได้มีข่าวเกี่ยวกับบัตรพลังงานประจุไฟฟ้าบางอย่างที่ปรากฏตามข่าว ซึ่งเป็นวิทยาศาสตร์เทียมเช่นกัน ด้วยเหตุนี้เราควรตระหนักถึงความสำคัญของ การศึกษาวิทยาศาสตร์พื้นฐานที่ชัดเจนและถูกต้องในโรงเรียนให้มากขึ้น เพื่อก่อให้เกิดการคิดเชิงวิพากษ์ (critical thinking) และชวนสงสัยกับสิ่งต่างๆ ที่อยู่รอบตัวเรา

“ผมมองว่าเป็นสิ่งที่จำเป็นมากในสังคมบ้านเรา เหตุการณ์หรือข่าวเกี่ยวกับสิ่งประดิษฐ์ที่หลอกลวงผู้บริโภคโดยพยายามใช้จะเกิดขึ้นได้น้อยมากถ้าเราพยายามใตร่ตรองหรือตั้งข้อสงสัยเกี่ยวกับสินค้าและสิ่งต่างๆ ให้มากขึ้น ซึ่งเราสามารถทำได้เพราะปัจจุบันนี้เราเข้าถึงองค์ความรู้ต่างๆจากอินเตอร์เนทได้เป็นส่วนใหญ่เพื่อการเปรียบเทียบและวิเคราะห์ข้อมูลต่างๆที่ถูกต้องและเป็นประโยชน์แก่เราเอง” ดร. ดริศได้ทิ้งท้าย


กำลังโหลดความคิดเห็น...