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

ฉบับ 208 มกราคม 2548 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

สารคดีวิทยาศาสตร์ #208                 จากจานร่อนหฤหรรษ์..สู่ฝัน..จานบินขนส่ง   การร่อนฟริสบี ดูจะเป็นเรื่องที่ธรรมดาสามัญ แต่รูปแบบการร่อนไปของมันมีความ ซับซ้อนและน่าศึกษาเกินกว่าที่คาดคิด         การร่อนจานฟริสบีอย่างถูกวิธีเหมาะเหม็ง จะทำให้จานร่อนไปได้ไกลในท้อง ฟ้าก่อนที่จะถลาลงสู่พื้นดินเป็นระยะทางไกลหลายสิบเมตร แต่หากว่าการหมุนข้อมือในการร่อนจานหรือจังหวะในการขว้างผิดเพี้ยนไป เราก็อาจจะได้เห็นภาพจานร่อนที่แกว่งนิดๆ ก่อนที่จะบิดตัวพลิกตกลงสู่พื้นในท่าทางที่ไม่สวยสดงดงาม  เราจะมาดูกันว่าเหตุใดอาการเคลื่อนที่ของจานฟริสบีจึงมีโอกาสที่จะผิดเพี้ยนไปได้โดยง่าย         ก่อนอื่นต้องยอมรับกันอย่างหน้าชื่นตาบานกันก่อนว่า ยังไม่มีขาโจ๋วัยจ๊าบ หรือใครหน้าไหนที่รู้จริงว่า ทำไมหนอการ ร่อนจานฟริสบีให้แล่นไปได้ในแนวเส้นตรง สวยและแม่นยำ จึงช่างยากเย็นเข็ญใจเสียนี่กระไร เพราะมันดูจะออกตัวไปในทิศทางและรูปแบบที่แตกต่างกันได้หลากหลาย จึงนับว่าเป็นปัญหาที่ยุ่งยากยิ่งนักในการศึกษาถึงรูปแบบในการเคลื่อนตัวของวัตถุ รูปทรงจานร่อน รวมไปถึงความพยายามส่ง เครื่องมือเพื่อการสำรวจไปยังดวงดาว ไกลโพ้น ว่าจะสามารถใช้การส่งด้วยยานในรูปแบบจานหมุนได้หรือไม่ พลศาสตร์การเคลื่อนที่ของจานร่อนฟริสบีนั้นน่า สนใจ และมีความเป็นไปได้ในการนำไปประยุกต์ในงานสร้างยานอวกาศเพื่อการขนส่งได้หรือไม่เพียงใด        ชื่อของจานร่อนฟริสบีนั้นเป็นที่รู้จักกันมานานถึง 130 ปีมาแล้ว โดยเรียกตามชื่อของคนทำขนมปังในมลรัฐคอนเน็กติกัต ในช่วงศตวรรษที่ 19 นามว่า วิลเลียม ฟริสบี ผู้ผลิตขนมพายใส่ถาดโลหะ เมื่อกินขนมหมดแล้ว ก็พลิกจานให้คว่ำลง กลายเป็นจานร่อนยอดนิยม และเรียกชื่อจานขนมพายของนายฟริสบี ว่า จานร่อนฟริสบีตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา         ปัจจัยที่เป็นเหตุให้จานร่อนฟริสบี  ร่อนได้เป็นอย่างดีคงเป็นที่รูปร่าง ด้วยลักษณะจานกลมแบนที่มีขอบโดยรอบ และโค้งเว้าลง เมื่อจานฟริสบีเคลื่อนที่ไป ข้างหน้า อากาศที่ไหลผ่านรอบขอบจาน จะเกิดการอั้นกระจุกตัวในช่วงสั้นๆ ในขณะที่อากาศทางด้านบนจะไหลได้สะดวกกว่า และไปได้เร็วกว่ามวลอากาศที่ไหลทางด้านล่าง ทำให้แรงดันทางด้านบนมีค่าต่ำ กว่า และเกิดแรงยกทางด้านล่างเป็นปรากฏ การณ์ทางอากาศพลศาสตร์ (aerodynamics)  ช่วยพยุงให้จานร่อนฟริสบีลอยตัวอยู่ได้ในขณะเคลื่อนที่ไปในอากาศ         การร่อนจานยังมีความซับซ้อนตรงที่จานร่อนจะเชิดหัวขึ้นทางด้านหน้าในขณะเคลื่อนที่ไปในอากาศ ลักษณะอาการเช่น นี้เลยทำให้การเคลื่อนที่ของจานดูจะวูบวาบ ไม่ค่อยมั่นคง ต่างจากเครื่องบินที่มีส่วนหาง ช่วยให้การเคลื่อนที่มีเสถียรภาพมั่นคงกว่า จานร่อนฟริสบีไม่มีส่วนที่ควบคุมการกระจายของแรงบนจานให้เท่าเทียมกัน จึงมักจะเกิดอาการแฉลบหรือพลิกได้โดยง่าย แต่จานร่อนก็มีลักษณะการเคลื่อนที่พิเศษที่แตกต่างจากเครื่องบิน คือ  การเคลื่อนที่หมุนรอบตัวในแนวแกนดิ่ง ซึ่งถือเป็นหัวใจสำคัญในการร่อนจาน  ฟริสบีให้เคลื่อนที่ได้อย่างดีสมใจหรือไม่เพียงใด หลักการเช่นว่านี้เป็นหลักการ เดียวกับที่เราปั่นลูกข่าง หากเราปั่นหรือหมุนลูกข่างในความแรงมุมและพิกัด  ระยะที่พอดี ลูกข่างก็จะหมุนฉิวและทรงตัวอยู่ได้เป็นนานสองนาน แต่ถ้าหากว่าเราปั่นหรือหมุนลูกข่างในมุมหรือระยะที่ขาดๆ เกินๆ แม้จะปั่นได้แรงแค่ไหน  ลูกข่างก็อาจจะเสียศูนย์เซแซ่ดๆ ทรงตัว อยู่ได้ไม่นาน อันนี้แหละเรียกว่าฝีมือถึงขั้นหรือไม่ การร่อนจานฟริสบีก็เช่นเดียว กัน หากในขณะที่จานร่อนหมุนรอบตัว และเกิดแรงยกที่ไม่เสมอกัน ก็อาจเป็น  เหตุให้จานเอียงกระเท่ไปทางด้านใดมาก  กว่า แล้วก็พาลพลิกหกคะมำหล่นเอาดื้อๆ        จุดเด่นที่สำคัญประการต่อมาของ จานร่อนฟริสบีคือมีขอบที่หนา ทำให้มี  มวลโดยรอบมากกว่าบริเวณตรงกลางจาน ซึ่งทำให้มันมีเสถียรภาพในขณะ  เคลื่อนที่ดีขึ้นกว่าจานร่อนแบบเรียบกลม ทั่วไป ในการร่อนจานฟริสบีจึงเกิดแรงฉุดทางอากาศพลศาสตร์ (aerdynamic drag) สูงกว่าจานร่อนแบบเรียบกลม วิศวกรการบินโดยทั่วไปอาจมองว่าแรงฉุดทางอากาศพลศาสตร์ส่งผลเสียต่อการบิน เพราะจะไปทำให้เครื่องบินเคลื่อนที่ได้ช้าลง แต่สำหรับจานร่อนฟริสบีนั้น แรงฉุดทางพลศาสตร์ดังกล่าวจะเป็นการกระจายแรง บนผิวจานร่อนได้ดียิ่งขึ้น อากาศที่เคลื่อน ตัวผ่านจานร่อนทางด้านล่างจะจับตัวกัน เป็นกลุ่มและสร้างแรงยกที่ถ่วงดุลกับทางด้าน หน้าไม่ให้เกิดอาการพลิกของจานในขณะร่อนและการทรงตัวที่ดีมีเสถียรภาพกว่า และมีการเจาะร่องจานร่อนฟริสบีไว้ที่ตรงกลางทางด้านบน ซึ่งจะช่วยลดแรงฉุดทางอากาศพลศาสตร์ ที่คอยรั้งไม่ให้จานเคลื่อนที่เร็ว        แรงยกและแรงฉุดขณะเคลื่อนที่ของจานร่อนฟริสบี ยังขึ้นกับมุมในการร่อน (angle of attack) ซึ่งคือมุมเอียงของ จานทางด้านหน้าและด้านหลัง (ดูภาพ ประกอบ) โดยมุมที่เหมาะสมในการร่อน จานไปข้างหน้าได้ดีไม่มีอาการพลิกหก คะเมนอยู่ที่ประมาณ 10 องศา                  ดูเหมือนการร่อนจานฟริสบีที่กล่าวมา นั้นอาจดูเป็นเรื่องพื้นๆ และยังไม่ได้ให้อรรถาธิบายอย่างลึกซึ้งถึงแก่นการร่อนจานฟริสบีเท่าใดนัก โดยเฉพาะคำอธิบายที่เกี่ยวข้องกับการโอนเอนโซซัดโซเซของจานร่อนภายหลังจากที่มีการเคลื่อนที่ไปได้ระยะหนึ่ง ล่าสุดมีงานวิจัยที่จะช่วยให้ความเข้าใจในศาสตร์การร่อนจานเพิ่มมากขึ้น เมื่อสองปีก่อนวิศวกรอวกาศยานสองคน คือ จอห์น พอตต์ และ บิลล์ โครวเทอร์ จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ในสหราชอาณาจักร ได้สนใจศึกษาการร่อนจานฟริสบีอย่างเอาจริงเอาจัง เพื่อนำไปสู่การสร้างอากาศยานที่ไม่ใช้คนขับ พวกเขาต้องการศึกษาถึงปัจจัยที่ส่งผลต่อการเอียงของจานร่อนในขณะเคลื่อนที่ไปในอากาศ เพื่อค้นหาคำตอบ พวกเขาได้ติดตั้งฟริสบีไว้กับแกนหมุนของมอเตอร์ในอุโมงค์ลม ซึ่งได้แสดงให้เห็นว่าสัดส่วนในการเอียงขึ้นกับสองปัจจัยหลัก ได้แก่ มุมในการร่อน และสัดส่วนความคืบหน้าในการร่อน (advance ratio) ซึ่งวัดจากอัตราความเร็วในการหมุนเทียบกับอัตราความเร็วในการเคลื่อนที่ผ่านอากาศไปข้างหน้า         เมื่อร่อนจานฟริสบีออกไปจากมือ ซึ่งโดยทั่วไปจะมีอัตราความเร็วในการหมุนประมาณ 8 รอบต่อวินาที มันจะคงอัตราความเร็วในการหมุนไว้ที่ค่านี้ในขณะที่อัตราความเร็วในการเคลื่อนตัวไปข้างหน้าของจานร่อนจะช้าลง ซึ่งก็หมายความว่า สัดส่วนความคืบหน้าในการ ร่อนจะเพิ่มสูงขึ้นในขณะที่จานร่อนไป ข้างหน้า ผลลัพธ์ที่ได้คือ อัตราการเอียงของจานร่อนมีการเปลี่ยนแปลงในทุกขณะที่ร่อนจานออกไปในอากาศ        การวัดบันทึกค่าที่ได้จากการ ทดลองของพอตต์และโครวเทอร์ ได้ช่วยเปิดเผยกลเม็ดเคล็ดลับสำคัญใน การร่อนจานฟริสบีให้ได้ดี หลักการคือ เมื่อเรารู้ว่าจะร่อนจานออกไปด้วยอัตราความเร็วในการหมุนเท่าไรแล้ว เราก็ใช้อุโมงค์ลมในการทดสอบเพื่อประเมินค่าให้ได้มุมในการร่อนจานได้อย่างเหมาะสมเพื่อให้สามารถร่อนจานไปได้ไกลสุดๆ        เทคนิคการร่อนจานฟริสบี คงไม่ใช่แค่เพียงเป็นศาสตร์ที่มีไว้เพื่อให้การสำแดงฝีมืออวดการร่อนจานในสวนสาธารณะให้ดีและไกลสุดๆ เท่านั้น เพราะองค์การอวกาศนาซาเองก็ยังส่งยานสำรวจดาวอังคารมาร์สแพทไฟน์เดอร์ ด้วยการส่งอุปกรณ์สำรวจเข้าสู่ชั้นบรรยากาศด้วยวิธีการหมุนร่อน แต่ก็ยังห่างไกลกับกรรมวิธีการส่งแบบการร่อนจานฟริสบี        เพื่อให้ได้คำตอบทางด้านอากาศพลศาสตร์ที่แม่นยำก่อนการส่งเครื่องมือสำรวจอวกาศโดยการหมุนร่อนไปยังดาวเป้าหมายนั้น บรรดาวิศวกรต้องใช้เวลา นานหลายสัปดาห์เพื่อทดสอบต้นแบบในอุโมงค์ลม จากหลากหลายสภาวะความหนาแน่นของมวลอากาศที่ทดสอบ และต้องมีการคำนวณหาค่าสัมประสิทธิ์ทางอากาศพลศาสตร์ (aerodynamic coefficients) ด้วยสมการกลศาสตร์ ของไหล เมื่อทดสอบจนได้ที่แล้วจึงได้  ส่งอุปกรณ์เครื่องมือสำรวจของจริงไปยังเป้าหมาย         ข้อมูลที่ต้องนำมาวิเคราะห์ร่วมกันเพื่อการสังเคราะห์กระบวนการส่งเครื่องมือสำรวจอวกาศไปยังดาวเป้าหมายด้วยกรรมวิธีการร่อน คงเริ่มต้นจากสภาวะ ความหนาแน่นของบรรยากาศที่อาจได้ข้อมูลที่ส่งมาโดยเครื่องมือสำรวจอวกาศและยานสำรวจอวกาศที่ส่งไปก่อนหน้า         ทฤษฎีการส่งยานอวกาศรูปจานร่อนฟริสบีอาจจะส่อเค้าที่สวยสดงดงาม แต่ยังคงต้องตระหนักว่าในทางปฏิบัตินั้น การ ส่งเครื่องมือสำรวจอวกาศไปกับยานที่ หมุนร่อนไปอย่างเร็วนั้นจะส่งผลอย่างไร กับเครื่องไม้เครื่องมือบ้าง ความเพี้ยนของเครื่องมือที่เกิดในขณะที่หมุนติ้วจะมีผลมากน้อยเพียงใด แรงฉุดที่เกิดขึ้นในขณะที่ยานร่อนไปนั้นจะส่งผลกระทบต่อเครื่องมืออุปกรณ์ต่างๆ หรือไม่อย่างไร ทั้งปัญหาจิปาถะในการส่งยานสำรวจอวกาศไปในบรรยากาศของดวงดาวที่อาจแตกต่างอย่างมากกับอุโมงค์ลม จนทำให้ผลการคำนวณทิศทางและความเร็วในการเคลื่อนที่ของยานอวกาศรูปจานร่อนผิดพลาดไป ไม่ลงยังจุดหมายปลายทางที่ต้องการ         ศาสตร์การบินร่อนของจานฟริสบี นั้นเป็นสิ่งที่จะมีคุณค่าเป็นอย่างมากใน แวดวงอากาศยาน เพื่อที่จะให้ได้คำตอบและแนวทางที่ชัดเจนมากขึ้น ต้องมีการติดตั้งอุปกรณ์บันทึกการบิน ซึ่งเทียบได้กับกล่องดำของเครื่องบินไปกับยานแบบ จานร่อนฟริสบีด้วย อุปกรณ์ที่ติดตั้งในกล่องดำประกอบด้วย เครื่องวัดอัตราเร่ง (accelerator) เพื่อที่จะวัดแรงที่เกิดขึ้นบนจานร่อน เครื่องวัดสนามแม่เหล็ก (magnetometer) เพื่อวัดปริมาณความเข้มของสนามแม่เหล็ก เครื่องวัดแสง (light sensor) เพื่อวัดรังสีจากดวงอาทิตย์เพื่อประเมินทิศทางการเคลื่อนที่ ของจาน เครื่องมือคำนวณพลังงานแบตเตอรี่เพื่อเพียงพอต่อการใช้งาน รวมถึงไมโครชิปที่ติดตั้งไว้เพื่อการเก็บบันทึกข้อมูลการบินในแต่ละเที่ยว         สิ่งหนึ่งที่ได้จากการทดสอบการบินแบบจานร่อนฟริสบีคือ พบว่าเกิดแรงฉุดอย่างมากในการบินแบบนี้ โดยแรงฉุดจะเพิ่มในอัตราส่วนยกกำลังสองของมุมในการร่อนที่เปลี่ยนแปลงไป นั่นย่อมแสดง ให้เห็นอย่างชัดเจนว่าจะอาศัยเพียงการ ควบคุมมุมในการร่อนแต่เพียงอย่างเดียวคงยากที่จะควบคุมการร่อนให้ไปถึงเป้าหมาย เพราะมุมในการร่อนเป็นตัวแปรที่ ส่งผลอย่างมากและรวดเร็ว ความเสถียรของยานแบบจานร่อนจึงต้องพิจารณาถึงสภาพบรรยากาศที่จะส่งยานขนส่งนี้ผ่านไปให้ถ่องแท้เสียก่อน เรียกว่าถึงขนาดต้อง จัดทำแผนที่นำทางจากสภาพบรรยากาศ ที่ยานจะเคลื่อนผ่านกันอย่างละเอียดยิบ กันเลยทีเดียวเพื่อให้ยานเคลื่อนที่ไปได้อย่างฉลุย         คงไม่อาจปฏิเสธได้ว่า การออกไปทดสอบการบินด้วยจานร่อนฟริสบีใน  สวนมองดูแล้วเป็นเรื่องความรื่นเริง บันเทิงใจ แต่ก็ถือได้ว่าเป็นการทดสอบการบินต้นแบบที่มีความประหยัด สามารถนำไปวิเคราะห์ก่อนออกแบบสร้างยานจริง เพื่อเตรียมความพร้อมในการแก้ปัญหา รวมถึงเมื่อมีการออกแบบสร้างจริงจะได้เครื่องมืออุปกรณ์ที่กะทัดรัดใช้งานได้ดี และติดตั้งได้โดยไม่มีปัญหา         ก้าวต่อไปคือการค้นหาคำตอบที่เกี่ยวเนื่องด้วยสภาวะบรรยากาศที่ใกล้เคียงกับสภาพจริง โดยเฉพาะการหาค่าสัมประสิทธิ์ทางอากาศพลศาสตร์ และการประเมินค่าความดันที่เกิดขึ้นในขณะที่ยานรูปจานร่อนไป ซึ่งจะทำให้สามารถควบคุมการเคลื่อนที่ของจานได้ดีขึ้นในอนาคต         ราล์ฟ ลอเรนซ์ ผู้เชี่ยวชาญจาก ห้องปฏิบัติการดวงจันทร์และดาว เคราะห์ แห่งมหาวิทยาลัยอะริโซนา ที่เมืองทูซอน ผู้เขียนเรื่องนี้ และเป็นหนึ่งในผู้ที่เพียรเฝ้าหาแนวทางในการสร้างยานขนส่งยานอวกาศแบบจานร่อน  ฟริสบี ได้กล่าวในตอนท้ายว่า เขาเอง ยังไม่มีฝีมือที่เจ๋งพอในการร่อนจาน  พลาสติกฟริสบีให้ทะยานไกลได้สุดๆ  เขาปรารภว่าหากได้รู้ค่าสัมประสิทธิ์ทางอากาศพลศาสตร์อย่างแม่นยำแล้ว เขา จะสามารถสร้างแบบจำลองการร่อนของจานฟริสบีและสามารถทำนายทิศทาง การเคลื่อนที่ได้อย่างแม่นยำ แต่รูปแบบจำลองบนจอคอมพิวเตอร์หรือจะน่าสนใจเท่ากับได้ออกไปร่อนจานจริงๆ กลางแจ้ง                                                โดย... เจน วราหะ แปลและเรียบเรียงจาก Flying  Saucers, New Scientist, 19 June 2004 พบกับเรื่องนี้ได้ที่ : http://update.se-ed.com/208/frisbee.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