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

ฉบับ 225 มิถุนายน 2549 ประจำฉบับ   o บอกกล่าว   o จดหมายถึงบ.ก.   o มองโลก   o มองไทย   o Space Hotline   o คุยกับชัยคุปต์   o นักวิทย์รุ่นเยาว์   o ประลองปัญญา   o เรื่องจากปก   o บทความ/สารคดี โปรดแจ้ง E-Mail ของคุณ เพื่อรับจดหมายข่าว Subscribe     Unsubscribe   Powered by YourMailinglist Provider.com

บทความวิทยาศาสตร์ #225                 ฟิสิกส์ในสวนน้ำ : เก๋ไก๋สไลเดอร์   เมื่อปล่อยตัวให้แล่นฉิวลงมากับสไลเดอร์ในสวนน้ำ ไม่มี นักวิทยาศาสตร์คนใดคาดเดาได้ว่าพฤติกรรมอย่างใดจะอุบัติขึ้น เพราะเมื่อมีสิ่งเจือปนมาตามสายน้ำแม้เพียงเล็กน้อย อย่างเช่น เศษดิน หรือเศษใบหญ้า ก็เป็นสาเหตุที่ทำให้การไหลของน้ำในวอเตอร์สไลด์ถูกรบกวน          เครื่องเล่นในสวนน้ำที่เป็นสุดยอดฮอตฮิตติดชาร์ตเล่นได้สะใจทุกเพศวัยเห็นจะได้แก่ เครื่องเล่นที่คนไทยนิยมเรียกว่า สไลเดอร์ ซึ่งฝรั่งเรียกชื่อเต็มว่า วอเตอร์สไลด์ หรือเรียกชื่อย่อว่า สไลด์        ตั้งตระหง่านในความสูงราว 23 เมตร โดดเด่นในย่านออร์ลันโด ฟลอริดา เป็นเครื่องเล่นแสนสุขสันต์หรรษาที่มีชื่อว่า บลูไนแองการา (Blue Niangara) ซึ่งนับว่าเป็นเครื่องเล่นที่โดดเด่นแห่งสวนน้ำเว็ตเอ็นไวด์ (Wet'n Wild Water Park) วินาทีเร้าใจเริ่มต้นด้วยเครื่องสูบน้ำอันทรงพลังที่ส่งให้สายน้ำที่หมุนวนพวยพุ่งจากด้านบนของวอเตอร์สไลด์ เสียงอื้ออึงของกระแสน้ำที่พวยพุ่งจากระดับความสูงของตึกเจ็ดชั้นลงสู่พื้นน้ำเบื้องล่าง สายน้ำได้นำพาร่างของผู้เล่นให้เคลื่อนที่ดุจเดียวกับตอร์ปีโด เร่งให้มีความเร็วสูงสุดถึง 12 เมตรต่อวินาที ไปตามรางที่วกวนไปมาตลอดระยะทางถึง 90 เมตร         เครื่องเล่นวอเตอร์สไลด์ในตระกูลลินกา (Hlynka Works) โดยวิศวกรผู้สร้างความตื่นเต้นเร้าใจอย่าง มาร์วิน ลินกา (Marvin Hlynka) หนึ่งในผลงานของบริษัท ไวท์วอเตอร์ เวสต์อินดัสตรีส์ มีที่ตั้งโรงงานในริชมอนต์ มลรัฐบริติชโคลัมเบีย เป็นโรงงานผู้ออกแบบสร้าง เครื่องเล่นวอเตอร์สไลด์ที่มีชื่อเสียงอย่างบลูไนแองการา และเครื่องเล่นวอเตอร์สไลด์ตัวเด่นๆ งานของวิศวกรผู้สร้างประดิษฐกรรมเครื่องเล่นที่ตื่นเต้นเร้าใจคือการใช้วิทยาการเพื่อค้นหาวิถีทางที่แปลกใหม่ แต่ยังคงพบว่ามีข้อจำกัดบางอย่างที่สมการทางคณิตศาสตร์และโปรแกรมคอมพิวเตอร์ยังไม่อาจช่วยไขปมปัญหาได้ทั้งหมด ทางเลือกของการออกแบบวอเตอร์สไลด์ที่เป็นสากล อย่างเช่น รูปแบบนิวตัน (Newtonian models) นั้น ไม่ได้ให้คำตอบอย่างครบถ้วนสมบูรณ์แบบ เพราะพบว่ายังมีบางสิ่งบางอย่างซุกซ่อนอยู่ ซึ่งหลินกาได้แสดงทัศนะว่า “อย่างกรณีการคาดการณ์เรื่องระยะเวลาในการตกของกระแสน้ำที่ไหลมากับรางก็ไม่สามารถหยั่งรู้ได้แน่ชัด”         เส้นทางการไหลของน้ำที่ผ่านมากับรางนั้น มีที่มาโดยเริ่มต้นจาก ปริมาตร รูปร่างของรางน้ำ ความลาดชัน และลักษณะความเรียบหรือขรุขระของผิวราง ในขณะที่น้ำได้เพิ่มอัตราเร็วในการไหล นั้นมันได้เริ่มก่อให้เกิดลักษณะการม้วนตัวเป็นเกลียว (eddies) ซึ่งทำให้เกิดกระแสน้ำในลักษณะยึกยักไปทางซ้ายขวาหรือฉวัดเฉวียนสลับไปมาทางด้านบนและล่าง ลักษณะอาการอย่างนี้แหละขอรับที่ทำให้ คาดการณ์ลักษณะการไหลได้ค่อนข้างยาก ความเร็วของสายน้ำที่ไหลอย่างราบเรียบที่ก่อให้เกิดการม้วนตัวนั้นขึ้นอยู่กับความหนืดของน้ำ ขนาดความโตของรางน้ำ และตัวแปรอื่นๆ โดยไม่มีใครที่เข้าใจอย่างแน่ชัดถึงความปั่นป่วน (turbulence) นักฟิสิกส์อย่าง เวอร์เนอร์ ไฮเซ็นเบิร์ก ได้กล่าวติดตลกในเรื่องนี้   ว่า “หากได้พบกับพระเจ้า ผมจะถามพระองค์สองคำถาม คำถามแรกจะถามถึงปริศนาแห่งสัมพัทธภาพ และอีกคำถามจะถามถึงปริศนาการไหลหมุนวนแบบปั่นป่วน ซึ่งเชื่อว่าพระองค์คงจะตอบเฉพาะคำถามแรกเท่านั้น”         การไหลหมุนวนของสายน้ำ คล้ายกับการเกิดพายุ ฝนฟ้าคะนองหรือระบบที่ยุ่งเหยิง (chaotic system) ทั้งหลาย แน่นอนว่ามันมีความอ่อนไหวและพร้อมที่จะแปรปรวนได้โดยง่าย ตรงนี้คงจะเหมือนกับอารมณ์ปรวนแปรของแม่ทรามวัยใจ สะออน เมื่อมีสิ่งเจือปนมาตามสายน้ำแม้เพียงเล็กน้อย อย่างเช่น เศษดิน หรือเศษหญ้า ก็เป็นสาเหตุการไหลของน้ำในวอเตอร์สไลด์ถูกรบกวน ก่อให้เกิดการประทะฉุดรั้ง และอี่นๆ ได้ เรื่องราวเหล่านี้ดูเหมือนว่าจะไม่มีผลอย่างสลักสำคัญหากพิจารณาโดยอาศัยหลักการนิวตัน แต่สำหรับการพิจารณาในเชิงระบบที่ยุ่งเหยิงแล้ว พาร์วิส มอน (Parvis Moin) ผู้อำนวยการศูนย์วิจัยความปั่นป่วนแห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (Center for Turbulence Research at Stanford University) กล่าวว่า “เจ้าสิ่งรบกวนเพียงน้อยนิดเหล่านี้จะสั่งสมมากขึ้นจน  ไม่อาจคาดการณ์ได้” โดยได้เปรียบเทียบว่า เพียงแค่ผีเสื้อกระพือปีกที่ประเทศจีน ก็จะส่งผลกระทบต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพอากาศในแคลิฟอร์เนียได้ ดังนั้น เรื่องเช่นนี้ก็เกิดขึ้นได้กับวอเตอร์สไลด์ในทำนองเดียวกัน         เนื่องจากไม่มีสมการใดเป็นคำตอบสำเร็จสำหรับการไหลของสายน้ำเบื้องหน้าที่ไหลบ่าสู่วอเตอร์สไลด์ ทันทีที่เปิดสวิตช์ให้สายน้ำพวยพุ่งสู่รางเบี้องหน้า จึงไม่มีใครคาดการณ์ได้อย่างแน่นอนว่าจะเกิดการไหลวกวนของสายน้ำในลักษณะไหน แต่วิศวกรผู้ออกแบบเครื่องเล่นยืนยันได้ว่าการไหลของสายน้ำและแรงโน้มถ่วงที่เกิดขึ้นจะพาให้ผู้คนไหลไปตามรางลงสู่สระน้ำเบื้อง ล่างอย่างปลอดภัย ลินกายังกล่าวถึง การนำโรลเลอร์โคสเตอร์ (roller coaster) ให้มาแล่นบนรางวอเตอร์สไลด์ว่าทำไม่ได้ เพราะระบบการควบคุมของวอเตอร์สไลด์ไม่รองรับอุปกรณ์ดังกล่าว         ยังมีตัวแปรอื่นอีกมากมายที่สร้างความซับซ้อนให้กับสมการไหลวน อย่างเช่น ความแตกต่างของเนื้อผ้าของชุดว่ายน้ำ ซึ่งก่อให้เกิดความแตกต่างของ ความเสียดทานที่ตัวราง และนั่นแสดงว่ามีผลกระทบต่อการก่อตัวของกระแสน้ำที่ไหลวน รวมถึงความเร็วของผู้เล่น การแล่นฉิวละลิ่วลงมาจากวอเตอร์สไลด์บลูไนแองการาในชุดกางเกงขาสั้นผ้าฝ้าย อาจจะได้รสชาติเร้าใจ ไชโย  โห่ฮิ้ว แต่การแล่นละลิ่วลงมาด้วยชุดที่ใช้ใยสแปนเด็กซ์ ต้องมั่นใจว่าเป็นผู้มีสุขภาพดีและใจกล้าพอ โดยเฉพาะหากสวมใส่บิกินีแบบท็อป ชุดก็อาจจะขาดได้         วอเตอร์สไลด์แบบใหม่ของลินกา ยังอาจต้องพึ่งพาเจ้าหน้าที่ความปลอดภัยในการใช้งานจริง ในขณะที่เขาอาศัยประสบการณ์ในการสร้างสรรค์งานและออกแบบรายละเอียด โดยมีเหล่าผู้กล้าอาสาสมัครใจถึงเข้าร่วมในการทดสอบเครื่องเล่นจากประสบการณ์ที่สั่งสมมากว่า 20 ปี เขาพบว่าคนทั่วไปที่สวมใส่ชุดว่ายน้ำธรรมดาสามารถที่จะแล่นละลิ่วลงมากับวอเตอร์สไลด์ที่มีความลาดชัน 9 - 10 เปอร์เซ็นต์ได้โดยไม่มีปัญหาแต่อย่างใด         เพื่อความแน่ใจ ลินกาและทีม งานได้เพิ่มระดับความปลอดภัยในทางวิศวกรรม ซึ่งทดสอบโดยการพ่นควันเพื่อการทดสอบการไหลวน และปรับโค้งด้านในให้มีความสูงเพิ่มขึ้น 0.75 - 1.5 เมตร เพื่อป้องกันผู้เล่นไม่ให้โดนน้ำที่ไหลวนตีกลับและกระแทก นับแต่พ.ศ. 2538 คณะกรรมการความปลอดภัยสินค้าอุปโภคบริโภค (Consumer Product Safety Commission) ระบุว่ามีผู้คนในสหรัฐอเมริกาเสียชีวิตเพราะเครื่องเล่นวอเตอร์สไลด์จำนวนแปดคน น้อยกว่าเสียชีวิตเนื่องจากเล่นโรลเลอร์โคสเตอร์ถึงครึ่งหนึ่ง         นักออกแบบสไลเดอร์อาศัยหลักเกณฑ์ทางฟิสิกส์ที่นิยมกันเพื่อสร้างความตื่นเต้นเร้าใจ อย่างในบริษัทไวท์วอเตอร์เวสต์ ผู้สร้างสไลเดอร์ความเร็วสูงมากกว่า 32 ตัว สามารถออกแบบสร้างสไลด์ที่มีโค้งให้ความนุ่มละมุน แต่ทำความเร็วได้สูงกว่า 9 เมตรต่อวินาที ทั้งยังเพิ่มความเร้าใจให้กับผู้เล่นที่สไลด์แบบหมุนตัวด้วยอัตราเร่งสามเท่าของอัตราความเร่งของแรงโน้มถ่วงโลก แน่นอนว่ายิ่งอัตราความเร็วเพิ่มมากขึ้นเท่าใด ก็จะได้รับความเร้าใจจากอัตราเร่งที่เพิ่มมากขึ้น         แม้ว่ารูปแบบของสไลเดอร์จะออกแบบกำหนดตำแหน่งแห่งหนชัดเจนโดยวิศวกรมือดี แต่บางทีก็ไม่ได้เป็นไปตามที่ออกแบบไว้เสมอไป เมื่อสองสาม ปีก่อน เครื่องเล่นไวท์วอเตอร์สไลด์ที่ มินนีอาโพลิส ฮอตฮิตติดกระแสเป็นที่ถูกตาต้องใจเจ้าของสวนสนุก จนต้องเรียกร้องให้มีการสร้างในแบบเดียวกันในที่แห่งอื่น โดยลอกแบบก่อสร้างอย่างเดิมให้ไปสร้างในที่แห่งอื่น เช่น ที่ โอไฮโอ มีรูปแบบเดียวกันเป๊ะ โดยมีพิกัดในการก่อสร้างจริงที่ผิดเพี้ยนต่างกันไม่เกินเศษหนึ่งส่วนสี่นิ้วเท่านั้น  ลินกาและทีมงานระบุว่าการลอกแบบ ก่อสร้างอย่างนี้เท่ากับว่าเป็นงานที่ไม่ได้ใช้สมอง ซึ่งนับเป็นข้อบกพร่องและก่อให้เกิดความผิดพลาดได้โดยง่าย เขายังจำได้ถึงความเพี้ยนที่เกิดขึ้นกับสไลด์เดอร์ที่ดูเหมือนแต่ไม่เหมือนกันนั้นได้ว่า มีผลลัพธ์ที่ต่างกันเกิดขึ้นในตำแหน่งที่ออกแบบไว้ กล่าวคือแทนที่น้ำที่พุ่งมาตามรางจะพุ่งไปทางซ้ายมันกลับย้ายไปทางขวา ในท้ายที่สุดทีมงานออกแบบต้องปรับแก้โดยการใส่รางพลาสติกครอบไว้ในตำแหน่งเพื่อป้องกันเกลียวน้ำล้นกระฉอก นี่แหละคือผลกระทบอันเกิดจากความปรวนแปรไม่แน่นอนแบบที่เรียกว่า ความอลวน         การใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์อย่างใหม่อาจช่วยลดปรากฏการณ์ที่ไม่คาดคิดซึ่งก่อให้เกิดความผิดพลาดได้ พาร์วิส มอน และทีมงานจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ซึ่งได้นำเอาลักษณะการไหลแบบปั่นป่วนใส่เข้าไปในแบบจำลอง แล้วใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ในการประมวลผลความเร็วและแรงดันในของไหลที่เกิดขึ้นในบางตำแหน่งช่วยให้การประมาณลักษณะการไหลได้ใกล้เคียงความเป็นจริงมากยิ่งขึ้น แต่กระนั้นก็ยังมิใช่แบบจำลองที่เสมือนจริงโดยไม่ผิดเพี้ยน เพราะสภาพการณ์ที่เกิดขึ้นในช่วงเวลานั้นขึ้นกับสภาพที่เกิดขึ้นก่อนหน้านั้นซึ่งแปรเปลี่ยนได้ตลอด เรียกว่าถ้าจะให้ได้รูปแบบที่ชัวร์ป้าบไม่มีเพี้ยน คงต้องอาศัยซูเปอร์คอมพิวเตอร์ช่วย คำนวณ และกว่าจะคำนวณเสร็จ ก็คงต้องใช้เวลาอีกหลายร้อยปีเลยทีเดียว         ปัจจุบันลินกายังคงออกแบบสไลด์เดอร์ในรูปแบบที่ไม่มีความแม่นยำเผงทางทฤษฎีที่ไม่อาจคาดเดา แต่เขาก็ไม่ได้หนีจากหลักการทางวิทยาศาสตร์ที่รองรับงานด้านการออกแบบทางวิศวกรรม เขาได้กล่าวทิ้งท้ายไว้น่าฟังว่า “ผมอยากให้คิดว่านักออกแบบวอเตอร์สไลด์ ก็เหมือนกับนักก่อสร้างวิหารในยุคกลาง พวกเขาสรรค์สร้างรูปแบบอาคารที่สวยงามทรงคุณค่า ด้วยภูมิปัญญาที่มี พวกเขาไม่อาจแสดงรายการคำนวณหรือสูตรใดๆในงานออกแบบ แต่เขาได้แสดงผลงานอันล้ำลึกด้วย จักษุสัมผัสและความรู้สึกที่คนทั่วไปได้รับรู้”         ครับ คนแถวบ้านผมที่อำเภอ หนองฉาง จังหวัดอุทัยธานี เมื่อสามสิบปีก่อน เวลารถไถนา เครื่องยนต์กลไก หรือปืนผาหน้าไม้เสียหายหรือใช้การไม่ได้ดี ก็เรียกหา ช่างจวบ ที่จบแค่ ป. 4 แต่ก็สามารถแก้ปัญหาเครื่องยนต์กลไกได้ด้วยภูมิปัญญาของแก ทั้งที่แกไม่รู้ด้วยซ้ำไปว่า กฎของนิวตัน หรือ สมการเบอร์นูลี ว่าไว้ยังไง แปลและเรียบเรียงจาก Hurtling Toward Chao, Discover, July 2005                                                โดย... เจน วราหะ พบกับเรื่องนี้ได้ที่ : http://update.se-ed.com/225/slider.htm กลับไปหน้าบทความ/สารคดี   UpDATE นิตยสารรายเดือน ราคาฉบับละ 75 บาท http://update.se-ed.com อัตราสมาชิก 12 ฉบับ 825 บาท จัดพิมพ์โดย บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จำกัด(มหาชน) อาคารเนชั่นทาวเวอร์ ชั้น 19 เลขที่ 46/87-90 ถ.บางนา-ตราด แขวงบางนา เขตบางนา กรุงเทพฯ 10260 โทร.0 2739 8111 โทรสาร 0 2739 8228 E-mail : update@se-ed.com