JuSci

Subscribe to JuSci  feed JuSci
Updated: 2 hours 54 min ago

นักฟิสิกส์ไขคำตอบ "ทำไมกระเป๋าเดินทางถึงชอบล้มคว่ำ"

Sun, 06/25/2017 - 19:45

เคยสังเกตกันบ้างหรือไม่ว่าเวลาลากกระเป๋าเดินทางใบใหญ่ๆ เลี้ยงโค้งหรือสะดุดอะไรสักอย่าง กระเป๋ามันจะส่ายแกว่งโยกไปมาจนล้มหรือเกือบล้ม ทีมนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสที่นำโดย Sylvain Courrech du Pont จาก Universite Paris-Diderot เห็นว่าปัญหานี้เป็นปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ในชีวิตประจำวันที่น่าสนใจ พวกเขาจึงอาศัยหลักการฟิสิกส์มาสร้างสมการและทดลองโดยใช้แบบจำลองเป็นคานตุ้มน้ำหนักกับล้อวิ่งบนสายพาน

สมการที่พวกเขาสร้างขึ้นมานั้นอาศัยหลักการที่ว่าคันชักของด้ามจับกระเป๋าเดินทางเป็นแกนตรงที่ต่อตั้งฉากออกมาจากเพลาที่ยึดล้อทั้งสองข้าง เมื่อล้อข้างหนึ่งถูกยกขึ้นจากพื้น (ซึ่งเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นในตอนเข้าโค้งหรือสะดุดสิ่งกีดขวางบนพื้น) แรงควบที่เกิดจากการหมุนของล้อและการวิ่งไปข้างหน้าของกระเป๋าจะทำให้ล้ออีกฝั่งวิ่งเฉเข้าด้านใน (เฉเข้าหาแนวเส้นตรงของการเคลื่อนที่ไปข้างหน้า) ส่งผลให้ล้อฝั่งที่ยกลอยกลางอากาศอยู่แล้วถูกดันให้ยกสูงขึ้นไปอีก จากนั้นแรงโน้มถ่วงก็จะดึงล้อที่ลอยให้ร่วงกลับลงมา แต่มันไม่ได้หล่นลงมาตรงๆ แล้วกระแทกพื้นปังหยุดแค่ตรงนั้น มันหล่นส่ายลงมาแบบเอียงเฉเข้าด้านในด้วยเพราะมือของเราที่จับด้ามจับกระเป๋าไว้แน่นนั้นทำหน้าที่เหมือนจุดหมุนของลูกตุ้มนาฬิกา ผลคือคราวนี้ล้อฝั่งตรงข้ามก็จะถูกยกขึ้นไปลอยแทน แรงควบจากล้อฝั่งที่แตะพื้นก็จะส่งให้มันลอยสูงขึ้นไปกว่าเดิม แล้วก็ตกลงมาอีก ส่ายสลับกันขึ้นสลับกันตกอย่างนี้วนไปเรื่อยๆ จนในที่สุดล้อฝั่งใดฝั่งหนึ่งยกสูงจนจุดศูนย์ถ่วงของกระเป๋าลอยข้ามแนวระนาบที่ตั้งฉากกับพื้น กระเป๋าก็จะเอียงข้างล้มคว่ำกะเท่เร่

อย่างไรก็ตามการทดลองแสดงให้เห็นว่ากระเป๋าไม่จำเป็นต้องแกว่งสูงขึ้นเรื่อยๆ จนล้มคว่ำลงทุกครั้ง เพราะเมื่อล้อหล่นกระแทกพื้น มันจะสูญเสียพลังงานไป ทำให้แรงส่งที่จะไปดันล้ออีกข้างในลอยขึ้นในแต่ละรอบเจือจางลงไปบางส่วน หากแรงรบกวนที่ดันล้อให้ลอยขึ้นจากพื้นในตอนแรกไม่มากเกินค่าวิกฤติของระบบ การแกว่งก็จะต่ำลงๆ จนในที่สุดล้อทั้งสองข้างก็กลับมาแตะพื้นและวิ่งต่อไปตรงๆ ได้เอง ในกรณีที่แรงรบกวนเท่ากับค่าวิกฤติ กระเป๋าก็จะแกว่งด้วยความสูงอยู่เท่าเดิมไปเรื่อยๆ จนกว่าจะมีตัวแปรตัวใดสักตัวเปลี่ยนแปลงหรือมีแรงภายนอกมากระทำ การล้มคว่ำของกระเป๋าเนื่องด้วยการส่ายแบบเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อแรงรบกวนในตอนแรกสูงเกินค่าวิกฤติ

สมการและการทดลองชี้ให้เห็นว่ายิ่งลากกระเป๋าเร็วเท่าไร ความเสถียรของระบบก็จะยิ่งน้อยลง นั่นคือกระเป๋าก็จะยิ่งอ่อนไหวต่อแรงรบกวนมากขึ้น แค่สะดุดอะไรเล็กน้อย มันก็จะเริ่มแกว่งแล้ว ทว่าในทางกลับกันความเร็วที่มากขึ้นนี้กลับทำให้ค่าวิกฤติสูงขึ้น ซึ่งหมายความว่าแม้กระเป๋าจะแกว่งได้ง่ายเมื่อกระทบกับแรงรบกวนขนาดเล็ก แต่มันก็จะกลับมาเอาสองล้อแตะพื้นได้เอง ยิ่งลากเร็ว กระเป๋าก็ยิ่งกลับมาวิ่งตรงๆ ได้เร็ว และยิ่งต้องใช้แรงรบกวนในตอนแรกสูงมากขึ้นในการทำให้มันแกว่งจนล้มคว่ำ

นักวิจัยสังเกตว่าลักษณะของการส่ายแบบนี้มีความคล้ายคลึงกลับการไหลของมวลกระแสน้ำเชี่ยวที่วิ่งชนฝั่งคลองสลับซ้ายขวา พวกเขาจึงลองปรับค่าตัวแปรต่างๆ ในระบบและใช้ Froude number ซึ่งเป็นดัชนีทางกลศาสตร์ของไหลที่วัดค่าแรงเฉื่อยของการไหลต่อแรงโน้มถ่วง ผลปรากฏว่าค่าวิกฤติของระบบแปรผันขึ้นอยู่กับความเร็วในการลากกระเป๋า, มุมของด้ามจับ, ความยาวของคันชักด้ามจับ, และรูปทรงของกระเป๋า โดยสรุปแล้วนักวิจัยเสนอว่าหนทางที่จะทำให้กระเป๋าเดินทางมีความเสี่ยงล้มคว่ำน้อยที่สุด คือ

  1. ลากกระเป๋าให้เร็ว (แต่ไม่เร็วจนเกินไปเพราะที่ความเร็วสูงมากๆ ค่าวิกฤติของระบบจะเริ่มลดต่ำลง)
  2. กดให้ด้ามจับทำมุมกับพื้นในแนวนอนเล็กที่สุด หรือพูดง่ายๆ คือเอียงให้ด้ามจับและกระเป๋าชิดติดพื้นมากที่สุด
  3. ดึงคันชักด้านจับออกมาให้สั้นที่สุด
  4. เลือกกระเป๋าที่หน้าตัดไม่กว้างมาก, และมีระยะระหว่างล้อสองข้างไม่แคบจนเกินไป

ดังนั้นสำหรับกรณีเฉพาะหน้า เช่น ขณะกำลังเดินลากกระเป๋าอยู่กลางสนามบินแล้วกระเป๋าสะดุด คำแนะนำที่ดีที่สุดคือลากกระเป๋าให้เร็วขึ้นและดันด้ามจับให้กระเป๋าก้มติดพื้นให้มากที่สุดเพราะตอนนั้นเราคงไปเปลี่ยนตัวแปรในข้อ 3 และข้อ 4 ไม่ได้แล้ว แต่ก็ควรระวังทางข้างหน้าด้วยนะ มิฉะนั้นถ้าลากไปชนคนอื่นแล้วจะยุ่งเป็นปัญหา Traveler's Dilemma ต้องไปพาพวกนักชีววิทยาเข้ามาเกี่ยวอีก

งานวิจัยตีพิมพ์ใน Proceedings of the Royal Society A DOI: 10.1098/rspa.2017.0076

ที่มา - PhysOrg, Inside Science, The Guardian

Categories: ข่าว