http://update.se-ed.com     หน้าแรก    ฉบับก่อน      แนะนำ     ติดต่อเรา     สมาชิก     ซีเอ็ด      

ฉบับ 201 มิถุนายน 2547 ประจำฉบับ   o บอกกล่าว   o จดหมายถึงบ.ก.   o มองโลก   o มองไทย   o Space Hotline   o คุยกับชัยคุปต์   o นักวิทย์รุ่นเยาว์   o ประลองปัญญา   o เรื่องจากปก   o บทความ/สารคดี บอกรับจดหมายข่าว โปรดแจ้ง E-Mail ของคุณ Subscribe     Unsubscribe   Powered by YourMailinglist Provider.com   ดูจดหมายข่าวเก่า   Visitors:

สารคดีวิทยาศาสตร์ #201                 หินเหินสะเทินน้ำ...ฟิสิกส์ของการขว้างหิน           ชีวิตที่เปลี่ยนแปลงเพียงชั่วข้าม คืนของ เจอร์ดอน โคลแมน แม็กกี เกิดขึ้นตอนที่เขายืนกำก้อนหินไว้เต็มมือ บนฝั่งทะเลเมดิเตอร์เรเนียน นานนับเดือนที่เขาเดินทอดน่องอยู่บนชายหาดที่เต็มไปด้วยหินชนวน ใกล้เมืองกาดาเกสของสเปนในแถบชายฝั่งโกสตา บราบา กับการขว้างก้อนหินไปยังผิวน้ำในการครุ่นคิดหาคำตอบถึงเรื่อง ความสัมพันธ์ในการจมและเหินของก้อนหินบนผิวน้ำ วันเวลาที่ผ่านไปพ่อยอดชายนายแม็กกีพยายามเดินให้น้อยลง และขว้างก้อนหินให้มากขึ้น ก้อนหินก็กระโดดร่อนไปบนผิวน้ำได้ไกลขึ้น และไกลขึ้นเรื่อยๆ ในเย็นวันหนึ่งขณะที่พื้นน้ำเงียบสงบ และพระอาทิตย์อัสดงลาลับขอบฟ้า ก้อนหินที่ขว้างจากมือของเขาได้เหินละลิ่วละเลียดผิวน้ำไปไกลลิบสุดสายตา และแล้วเสียงปรบมือก็ดังขึ้นกลบความเงียบ เมื่อแม็กกีหันกลับหลังมา เขาก็ได้พบผู้คนมากมายยืนมองอยู่         ในปี 2535 แม็กกีได้สร้างสถิติการร่อนหินไว้ในบันทึกสถิติโลก หินร่อนสะท้อนพื้นน้ำได้ถึง 38 ครั้งที่แม่น้ำบลังโก ในมลรัฐเท็กซัส และแม้ว่าชีวิตที่เดินทางจากแหล่งขุดเจาะน้ำมันแห่งหนึ่งไปยังอีกแห่งหนึ่ง ด้วยอาชีพวิศวกรภาคสนามของ ไซเอ็นทิฟิก ดริลลิ่ง อินเตอร์เนชั่นแนล เขาก็ยังต้องการที่จะกลับบ้านที่เมืองวิมเบอร์ลีย์ มลรัฐเท็กซัส เพื่อเสาะหาก้อนหิน เกือบ 30 ปีที่เขาใช้เวลาอยู่ในสเปน เขาได้ค้นพบว่าทักษะในการร่อนหินนั้นสามารถเรียนรู้ได้อย่างเป็นระบบ โดยเขาได้ประมวลศาสตร์ในการร่อนหินไว้ในหนังสือชื่อ “เคล็ดลับการร่อนหิน” (The Secrets of Stone Skipping) เขาได้ทดลองโดยใช้หินที่มีขนาดและรูปร่างหลากหลายรูปแบบในสถานการณ์ที่แตกต่างไป ได้ทดลองกระเด้งหินในถังน้ำ และทดลองตามคำแนะนำของนักศึกษาในห้องปฏิบัติการโครงการสโทรป ศูนย์เอ็ดเกอร์ตัน ในสถาบันเทคโนโลยี มลรัฐแมสซาชูเซตส์ (MIT)         เคิร์สทัน คอทส์ นักศึกษาภาควิชาเคมีจากวิทยาลัยแอมเฮิร์สต์ ได้อธิบายหลักการสำคัญในการร่อนหินบนพื้นน้ำเป็นครั้งแรกเมื่อปี 2511 โดยเขาได้บันทึกภาพลักษณะการร่อนหินไว้สามรูปแบบ คือ การร่อนหินไปบนกระบะทราย การร่อนหินไปบนผ้านวมที่คลุมโต๊ะ และการร่อนหินไปบนพื้นน้ำ คอทส์พบว่าลักษณะที่เกิดขึ้นบนกระบะทรายและบนผ้านวมที่คลุมโต๊ะไว้นั้นคล้ายกันคือ ด้านท้ายจะกระทบกับพื้นก่อนด้านหัวแล้วจึงเชิดสู่อากาศอีกครั้ง ส่วนการร่อนหินไปบนพื้นน้ำนั้น ก้อนหินด้านท้ายจะเกาะผิวน้ำและเชิดทำมุมราว 75 องศา จนเมื่อน้ำเกิดรูปเป็นเกลียวคลื่นด้านหน้ารองรับก้อนหินแล้ว ก้อนหินก็จะเชิดหัวสู่อากาศ ซึ่งจะเป็นเช่นนี้สลับกันไป        การวิเคราะห์ลักษณะการร่อนหินของคอทส์นี้มีมานานกว่า 30 ปีแล้ว จนเมื่อเดือนกุมภาพันธ์ปีที่ผ่านมา วารสารฟิสิกส์อเมริกันได้ตีพิมพ์ บทความเรื่อง “a simplified description of the collision process of the stone with water” ของ ลีเดรีก บ้อกเก นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยโกลด แบร์นาร์ด ลีอง ในเมืองวีลเลอร์บาน ประเทศฝรั่งเศส โดยเขาได้บรรยายผลงานและสร้างแบบฝึกปฏิบัติที่สนุกสนานเร้าใจสำหรับนักศึกษาในระดับปริญญาตรี แต่สมการของเขานั้นค่อนข้างยาก บ้อกเกกล่าวว่า “ในขอบเขตของคนธรรมดานั้น สมการนี้เป็นสมการที่ใกล้เคียงกับการอธิบายตามเรื่องการเล่นสกีบนผิวน้ำ” โดยแต่ละครั้งที่ก้อนหินตกกระทบผิวน้ำ แรงโน้มถ่วงจะดึงก้อนหินให้จมลงสู่ผิวน้ำเพิ่มมากขึ้น และน้ำก็ออกแรงดึงต่อก้อนหินด้วยจนกระทั่งฉุดก้อนหินจมลงใต้ผิวน้ำในที่สุด ก้อนหินสามารถร่อนไปในอากาศได้นานกว่าบนผิวน้ำถึง 100 เท่า แต่อย่าลืมว่าอากาศมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำถึง 1,000 เท่า ดังนั้นการร่อนหินไปในอากาศจึงได้รับผลกระทบน้อยมาก         บ้อกเกบอกว่าหัวใจในการร่อนหินบนน้ำคือการรักษาระดับการหมุนให้คงที่ อย่างการเคลื่อนที่ของก้อนหินบนผิวน้ำนั้น ก้อนหินต้องทรงตัวไปโดยท้ายแตะน้ำสม่ำเสมอโดยไม่มีพลิกกลับ หรือหกคะเมนตีลังกา และเมื่อเหินขึ้นสู่อากาศจะต้องหมุนเพื่อรักษาความสมดุลที่มีชื่อเฉพาะเรียกว่า “ฟริสบี” (Frisbee)  เป็นการปรับการหมุนและการเคลื่อนตัวให้ดีขึ้นเอง หากเริ่มต้นขว้างก้อนหินออกไปไม่ดีนัก การหมุนก็จะปรับให้ได้ตำแหน่งที่ดีก่อนที่จะกระทบผิวน้ำ         บ้อกเกได้พัฒนาสูตรในการประมาณการตกกระทบผิวน้ำของก้อนหินว่าจะเป็นกี่ครั้งเมื่อศึกษาจากการหมุนและความเร็วของก้อนหิน อย่างเช่นเขาคำนวณว่าในการตกกระทบของก้อนหิน 5 ครั้ง ก้อนหินจะต้องหมุน 5 รอบต่อวินาที และจากสถิติที่บันทึกไว้ของบ้อกเก ก้อนหินมีการตกกระทบผิวน้ำ 15 ครั้ง สามารถคำนวณได้ว่าก้อนหินจะต้องหมุนเกือบ 9 รอบต่อวินาที และถ้าไปดูสถิติโลกที่แม็กกีทำได้โดยใช้สูตรนี้คำนวณพบว่ามีการหมุนสูงถึง 14 รอบต่อวินาที และเคลื่อนที่ได้เกือบ 12 เมตรต่อวินาที         เพื่อสร้างสถิติโลกในการร่อนหินได้ไกลและกระทบผิวน้ำได้มากที่สุด แม็กกีเริ่มต้นโดยการคัดสรรก้อนหินจากกองที่มีขนาดและน้ำหนักพอเหมาะ เขาวางก้อนหินที่แบนที่สุดในวงของนิ้วชี้ที่งอเข้า แล้วกำนิ้วอื่นไว้ข้างใต้ เพื่อให้กำหินร่อนได้อย่างถนัดมือ ประการต่อมาคือ ยืนยืดตัว ยกมือที่กำก้อนหินให้ข้อมือตั้งขึ้นด้วยท่วงท่าเหมือนนักเต้นระบำฟลามิงโกที่ถือแคสทาเน็ต (เครื่องดนตรีขนาดเล็กใช้เคาะจังหวะ ใช้กับระบำสเปน - กองบก.) ถึงแม้จะดูเป็นท่าทางที่แปลก แต่ปัจจุบันได้มีการนำไปทำอย่างแพร่หลาย ท้ายสุดคือการกำหนดเป้าหมายแล้วร่อนหินออกไปให้กระทบผิวน้ำตามทิศทางและมุมที่ตั้งใจ อย่างกรณีของแม็กกีเริ่มต้นจากการร่อนหินในระดับที่สูงมากที่สุดก่อนแล้วพยายามให้มันเคลื่อนไปในแนวขนานพื้นน้ำมากที่สุด เขาบอกว่ายิ่งขว้างหินให้ขนานกับพื้นน้ำได้มากเท่าไร พลังงานที่ใช้ในการเหินให้เป็นเส้นตรงยิ่งน้อยลงไปด้วย ซึ่งก้อนหินที่ดูเหมือนจะร่อนได้ดีนั้นจะเป็นก้อนที่มีรูปทรง ไม่ค่อยสมบูรณ์นัก และมีน้ำหนักนิดหน่อย เพราะคลื่นและลมในอากาศจะส่งผลให้ก้อนหินที่ค่อนข้างกลมและเบาเฉออกนอกเส้นทางได้         ไม่ใช่เพียงการสร้างสถิติใหม่ในการร่อนหินได้ไกล และมันอาจดูเหมือนการละเล่นแบบเด็กๆ แต่การร่อนหินมีหลักการเบื้องหลังที่น่าสนใจคือ ในระหว่างสงครามโลกครั้งที่สอง เซอร์ บาร์เนส วัลลิส วิศวกรชาวอังกฤษ ผู้นิยมชมชอบการร่อนหิน เล่นกับหลานได้สร้าง “ระเบิดเด้ง” (Bouncing bombs) สำหรับกองทัพอากาศ เพื่อโจมตีเขื่อนของเยอรมัน อันถือเป็นเป้าหมายสำคัญ แต่จุดยุทธศาสตร์สำคัญนั้นได้รับการป้องกันเป็นอย่างดี ด้วยปืนต่อสู้อากาศยานและตอร์ปิโดใต้น้ำ เขาจึงทำการทดลองก่อนด้วยก้อนหิน เครื่องยิง และถังน้ำ จาก นั้นวัลลิสได้พัฒนาระเบิดทรงกระบอก ซึ่งจะสามารถหมุนไปด้วยขณะปล่อยจากอากาศและเมื่อกระทบพื้นน้ำแล้ว ก็จะเด้งไปสู่เป้าหมาย จนเมื่อเดือนพฤษภาคมปี 2486 เครื่องบินทิ้งระเบิดของอังกฤษได้ทิ้งระเบิดโจมตีเป้าหมายเขื่อนเมอเนอ ในเมืองรูร์ของเยอรมัน ระเบิดลูกแรกเกิดระเบิดก่อนถึงเป้าหมาย ระเบิดลูกที่สองเด้งข้ามเขื่อนไปยังโรงไฟฟ้าพลังน้ำที่อยู่ด้านล่าง ระเบิดลูกที่สามแฉลบไปทางด้านซ้าย และลูกสุดท้ายเข้าจังๆ ที่เป้าหมาย เรียกว่าเล่นเอาเหนื่อยพอดูที่ระเบิดเด้งจะทำงาน ได้ผล         เมื่อไม่นานมานี้ วิศวกรที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ ลิเวอร์มอร์ ได้เสนอรูปแบบของเครื่องบินร่อนสูงที่มีชื่อว่า “ไฮเปอร์ซอร์” (HyperSoar) ซึ่งจะร่อนเหนือชั้นบรรยากาศโลกด้วยความเร็ว 5-12 เท่าของความเร็วเสียง การทะยานขึ้นของเครื่องบินประเภทนี้จะเหมือนเครื่องบินทั่วไป เมื่อทะยานไปถึงระดับที่สูงกว่า 40 กิโลเมตรจากพื้นโลกในชั้นบรรยากาศที่เบาบาง ก็จะดับเครื่องยนต์แล้วปล่อยให้ลอยร่อนไปในห้วงอวกาศและค่อยๆ หล่นลง จนเมื่อกระทบกับมวลอากาศในชั้นที่มีความหนาแน่นกว่า มันก็จะเด้งขึ้นต่อไปคล้ายกับการที่เราร่อนหินให้เด้งพื้นน้ำ เมื่อเด้งกับมวลอากาศแล้วนักบินก็จะติดเครื่องยนต์อีกครั้ง ส่งให้เครื่องบินเชิดหัวสู่ด้านบน การร่อน กระเด้งที่ขอบอวกาศเช่นนี้ 18 ครั้ง มากพอที่จะส่งให้เครื่องบินไฮเปอร์ซอร์บินจากชิคาโกสู่ยุโรปได้ โดยใช้เวลา เพียง 72 นาที        แม็กกีไม่แปลกใจกับหลักการดังกล่าว แต่ในความเป็นจริง การร่อนที่ต้องใช้แรงมากมายนั้นจะเป็นไปได้แค่ไหนยังไม่อาจประเมินได้ เพราะถ้าทั้งหมดเป็นจริง ก้อนหินก็ดูเหมือนจะเด้งไปไม่มีวันหยุด สุนทรีที่ได้รับจากการร่อนหินเด้งพื้นน้ำที่เร็วจี๋จนนับไม่ทัน อาจจะเป็นสิ่งที่สวยสดงดงามที่สุดเท่าที่เราเคยเห็นมา                                                โดย... เจน วราหะ แปลเรียบเรียงจาก The Physics of Skipping Stones; Walking on Water, Discover, August, 2003 พบกับเรื่องนี้ได้ที่ : http://update.se-ed.com/201/skip_stone.htm กลับไปหน้าบทความ/สารคดี   UpDATE นิตยสารรายเดือน ราคาฉบับละ 60 บาท http://update.se-ed.com อัตราสมาชิก 12 ฉบับ 720 บาท จัดพิมพ์โดย บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด(มหาชน) อาคารเนชั่นทาวเวอร์ ชั้น 19 เลขที่ 46/87-90 ถ.บางนา-ตราด แขวงบางนา เขตบางนา กรุงเทพฯ 10260 โทร.0-2751-5800, 0-2751-4175 โทรสาร 0-2751-5059 E-mail : update@se-ed.com