แรงพยุง หรือแรงลอยตัว คืออะไร และมนุษย์ประยุกต์ใช้แรงชนิดนี้อย่างไร

แรงพยุง หรือแรงลอยตัว (Buoyant Force)

เรือเดินสมุทรน้ำหนักหลายร้อยตันสามารถลอยอยู่บนผิวน้ำได้ ด้วยหลักการของความหนาแน่นและ แรงพยุง

แรงพยุง (Buoyant force) หรือ แรงลอยตัว คือแรงลัพธ์ของธรรมชาติที่เกิดจากการต่อต้านของของไหล (Fluids) ซึ่งเป็นได้ทั้งของเหลวและก๊าซ กระทำต่อวัตถุโดยรอบ หรือส่วนของวัตถุซึ่งจมอยู่ในของไหลนั้นๆ กับแรงโน้มถ่วง (Gravitational force) ของโลก ส่งผลให้วัตถุสามารถลอยตัวหรือจมลงในของไหลนั้นๆ โดยผลลัพธ์ของแรงพยุงที่มีต่อวัตถุซึ่งจมอยู่ในของไหล เกิดขึ้นได้ใน 3 ลักษณะ คือ

วัตถุลอยตัว เกิดขึ้นเมื่อแรงพยุงของของไหลมากกว่าน้ำหนักของวัตถุ และเมื่อของไหลมีความหนาแน่นมากกว่าความหนาแน่นของวัตถุ

วัตถุจมลง เมื่อแรงพยุงของของไหลน้อยกว่าน้ำหนักของวัตถุ และเมื่อของไหลมีความหนาแน่นน้อยกว่าความหนาแน่นของวัตถุ

วัตถุลอยปริ่มที่ขอบของไหล หรือที่เรียกว่า “การลอยตัวเป็นกลาง” (Neutral buoyancy) เกิดสมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงและแรงพยุง เมื่อแรงพยุงและน้ำหนักของวัตถุเท่ากันหรือมีค่าใกล้เคียงกัน และเมื่อของไหลมีความหนาแน่นเท่ากับความหนาแน่นของวัตถุ

แรงพยุง, แรงลอยตัว, ความหนาแน่น

ดังนั้น ความหนาแน่นจึงเป็นอีกหนึ่งปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อการลอยตัวหรือจมลงของวัตถุในของไหล

ความหนาแน่น (Density) คือ อัตราส่วนระหว่างมวล (Mass) และปริมาตร (Volume) ของวัตถุ ซึ่งในธรรมชาติหากวัตถุมีความหนาแน่นมากกว่าย่อมมีน้ำหนักมากกว่าในปริมาตรที่เท่ากัน โดยทั่วไปแล้ว เรามักคิดว่าวัตถุที่มีน้ำหนักมาก ควรจมลงในของเหลวมากกว่าวัตถุที่มีน้ำหนักเบากว่า แต่ตามหลักการทางวิทยาศาสตร์นั้น หากวัตถุมีน้ำหนักเท่ากัน แต่มีความหนาแน่นและขนาดที่ต่างกัน หรือทำมาจากวัสดุที่ต่างกัน ล้วนส่งผลต่อการจมลงและลอยตัวขึ้นของวัตถุในของเหลว นอกจากนี้ ความหนาแน่นของของเหลวเองล้วนส่งผลต่อแรงพยุงที่เกิดขึ้นอีกด้วย

ความหนาแน่นของน้ำอยู่ที่ราว 1 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ขณะที่ความหนาแน่นของไม้อยู่ที่ประมาณ 0.8 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งน้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ จึงทำให้แผ่นไม้ลอยน้ำ และในขณะที่ความหนาแน่นของเหล็กอยู่ที่ประมาณ 8 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ส่งผลให้เหล็กจมลงในน้ำ

กฎของอาร์คิมิดีส (Archimedes’s Principle)

การค้นพบธรรมชาติของแรงพยุง เกิดขึ้นเมื่อราว 250 ปีก่อนคริสตกาล ณ เมืองซีราคิว (Syracuse) เกาะซิซิลี (Sicily) ในประเทศอิตาลี หรือชุมชนของชาวกรีกโบราณในอดีต โดยนักปราชญ์และนักคณิตศาสตร์คนสำคัญของโลก ที่เรารู้จักกันในนามของ “อาร์คิมิดีส” (Archimedes) ได้บัญญัติกฎและพิสูจน์ข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์มากมาย นอกจากนี้ อาร์คิมิดีสยังเป็นเจ้าของประโยค “ยูเรก้า ยูเรก้า” ที่ทั่วโลกรู้จัก ซึ่งมีความหมายว่า “ค้นพบแล้ว” ในภาษากรีกโบราณ หลังการค้นพบกฎของแรงพยุงจากการลงไปแช่ในอ่างอาบน้ำ เพื่อคิดหาวิธีคำนวณปริมาตรของมงกุฎทองคำให้กษัตริย์เฮียโร (King Hiero) ที่ 2 นั่นเอง

แรงพยุง, การลอยของวัตถุ, วัตถุลอยน้ำ

อ่านเพิ่มเติมเรื่อง ความหนาแน่นของน้ำ

กฎของอาร์คิมิดีสเสนอแนวคิดเรื่องแรงพยุงไว้ว่า “วัตถุที่จมลงหรือมีบางส่วนจมอยู่ในของไหลจะมีแรงลอยตัวยกวัตถุชิ้นนั้นขึ้น โดยที่ขนาดของแรงดังกล่าวจะมีขนาดเท่ากับน้ำหนักของของไหลในปริมาตรเท่ากับปริมาตรวัตถุส่วนที่จมลงหรือถูกแทนที่” และจากหลักการนี้ ทำให้มนุษย์เข้าใจในกฎของแรงในธรรมชาติ เช่นเดียวกับการทำความเข้าใจต่อความหนาแน่นที่แตกต่างกันของของสสาร หรือที่เรียกกันว่า “ความถ่วงจำเพาะ” (Specific gravity) ในปัจจุบัน

การประยุกต์ใช้แรงพยุงในการสร้างเรือเดินสมุทร

แรงพยุงเป็นแรงที่สำคัญมากในธรรมชาติ โดยมนุษย์นำหลักการดังกล่าวมาใช้ประโยชน์ในหลากหลายด้าน โดยเฉพาะการสร้างยานพาหนะขนส่งต่างๆ เช่น เรือเดินสมุทร บอลลูน หรือแม้แต่เครื่องบิน

การสร้างเรือเพื่อใช้ในการขนส่งและการเดินทาง ส่วนใหญ่มีโครงสร้างหลักทำมาจากเหล็ก เพื่อความทนทานต่อคลื่นลมในทะเล ซึ่งในธรรมชาติ เหล็กมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำทะเลหลายเท่า แต่มนุษย์นำกฎของอาร์คิมิดีสมาประยุกต์ใช้ในการสร้างเรือขนาดต่างๆ โดยการเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสและลดความหนาแน่นของเหล็กลง ซึ่งเรือส่วนใหญ่มีขนาดใหญ่แต่ข้างในกลวง หรือมีพื้นที่ว่างสำหรับอากาศ เหล็กถูกทำให้บางลงก่อนขึ้นรูป ส่งผลให้ปริมาตรของเหล็กเพิ่มขึ้น ขณะที่มีมวลเท่าเดิม จนเหล็กมีความหนาแน่นน้อยลง รวมถึงการเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัสของเรือเหล็กกับน้ำทะเล ซึ่งก่อให้เกิดแรงพยุงที่มากขึ้นตามไปด้วย จนทำให้เรือขนาดใหญ่ลอยตัวในน้ำได้ในท้ายที่สุด


ข้อมูลอ้างอิง
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)
Department of Education and Skills and the Irish Science Teachers Association (ISTA)


เรื่องอื่นๆ ที่น่าสนใจ : ความร้อนเร่งให้สารเคมีในพลาสติกละลายปนเปื้อนอาหารเข้าสู่ร่างกาย

บรรจุภัณฑ์พลาสติก

เรื่องแนะนำ

การเคลื่อนที่ของสิ่งมีชีวิต

การเคลื่อนที่ของสิ่งมีชีวิต แต่ละชนิดแตกต่างกันออกไป ตามโครงสร้างทางสรีรวิทยาและวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต ไม่ว่าจะเป็นการเคลื่อนที่เข้าหาสิ่งเร้า (Stimuli) เพื่อตอบสนองต่อปัจจัยที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิต เช่น แหล่งอาหาร แหล่งน้ำ แหล่งที่อยู่อาศัย แหล่งสืบพันธุ์ และการเคลื่อนที่ออกห่างเพื่อหลีกหนีภัยอันตราย เช่น ศัตรูตามธรรมชาติ สารเคมี และความร้อน เป็นต้น การเคลื่อนที่ของสิ่งมีชีวิต สามารถจำแนกออกเป็น 4 กลุ่ม ตามโครงสร้างทางสรีรวิทยาของสิ่งมีชีวิต ดังนี้ การเคลื่อนที่ของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวและสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ในอาณาจักรโพรทิสตา (Kingdom Protista) คือ สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กที่ไม่มีระบบเนื้อเยื่อและโครงกระดูกเหมือนสัตว์ชั้นสูงชนิดอื่น ๆ ดังนั้น การเคลื่อนไหวที่เกิดขึ้นจึงจำเป็นต้องอาศัยโครงร่างค้ำจุนภายในเซลล์ที่เรียกว่า “ไซโทสเกเลตอน” (Cytoskeleton) ซึ่งประกอบด้วยเส้นใยโปรตีนจำนวนมาก เช่น ไมโครฟิลาเมนท์ (Microfilament) ที่ประกอบขึ้นจากโปรตีน 2 ชนิด ได้แก่ แอคติน (Actin) และไมโอซิน (Myosin) ทำหน้าที่คงรูปร่างไปพร้อมกับการกำหนดลักษณะการเคลื่อนไหว   การเคลื่อนที่ของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว มี 2 ลักษณะ คือ การเคลื่อนไหวโดยอาศัยการไหลของไซโทพลาซึม หมายถึง […]

การสืบพันธุ์ของพืชดอก : ชนิดของดอกไม้

การสืบพันธุ์ของพืชดอก – ดอกไม้มีความหลากหลายทั้งเรื่องสี กลิ่น รูปร่าง และ ชนิดของดอกไม้ ชนิดของดอกไม้ สามารถจำแนกได้หลายประเภท โดยใช้เกณฑ์ต่างกัน การสืบพันธุ์ของพืชดอก (ข้อมูลเพิ่มเติม: โครงสร้างของดอกไม้) 1. จำแนกโดยอาศัยเพศเป็นเกณฑ์ แบ่งได้ 2 ชนิด 1.1 ดอกสมบูรณ์เพศ (perfect flower) เป็นดอกไม้ที่มีเกสรตัวผู้และเกสรตัวเมียอยู่ในดอกเดียวกัน เช่น ชบา พู่ระหง ถั่ว พริก พุทธรักษา ข้าว มะเขือ 1.2 ดอกไม่สมบูรณ์เพศ (imperfect flower) คือ ดอกที่มีเพียงเพศเดียวเท่านั้น กล่าวคือ เกสรตัวผู้และเกสรตัวเมียอยู่คนละดอก เช่น ตำลึง เตย ลำเจียก ข้าวโพด ฟักทอง แตงกวา บวบ หน้าวัว 2. จำแนกโดยอาศัยส่วนประกอบของดอกเป็นเกณฑ์ แบ่งได้เป็น 2 ชนิด 2.1 ดอกครบส่วน […]

สวย ใส ไร้สมอง! แมงกะพรุนมีดีอะไรถึงอยู่มาได้หลายร้อยล้านปี

ทั้งที่ไร้กระดูกห่อหุ้มร่างกายและไม่มีอวัยวะสำคัญอย่างสมอง แต่ แมงกะพรุน กลับอยู่รอดมาได้หลายล้านปี อะไรคือความลับของพวกมัน?