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

มารู้จักกับ งาช้าง และ ช้างเริ่มปรับตัวกันกับการล่าเอางาได้แล้ว

เมื่อเร็ว ๆ นี้ ผลการศึกษาพบว่า ช้างเริ่มปรับตัวกับพฤติกรรมการล่า งาช้าง ของมนุษย์ได้แล้ว ก่อนอื่นเลยต้องบอกก่อนว่าความเชื่อที่ว่าช้างทุกตัวต้องมีงานั้นเป็นเรื่องที่ผิด โดยมีแค่เฉพาะสายพันธุ์แอฟริกากับเพศผู้สายพันธุ์เอเชียเท่านั้นที่เกิดมาแล้วมีงา โดยเพศเมียสายพันธุ์เอเชียบางตัวก็มีงาเช่นเดียวกัน แต่เป็นงาที่มีขนาดสั้น ๆ เท่านั้น โดยในบทความนี้ ทางเนชั่ลแนล จีโอกราฟฟิก จะพาไปรู้จักกับงาช้าง พร้อมกับเหตุผลว่า “ทำไมช้างบางสายพันธุ์ถึงเริ่มปรับตัวกับพฤติกรรมการล่า งาช้าง ของมนุษย์ได้แล้ว” งาช้างสามารถแยกได้ว่าช้างตัวไหน เป็นตัวไหน งาช้างเป็นหนึ่งใน 2 อวัยวะของช้างที่สามารถบ่งบอกตัวตนของช้างได้ โดยอีกหนึ่งอวัยวะที่สามารถบอกได้ก็คือ “ใบหู” ของช้างนั่นเอง งาช้างบอกอายุช้างได้ไหม  คำตอบคือ ได้ แต่มีข้อแม้คือ งาช้างต้องไม่เสียหาย หรือแตกหักไปเสียก่อน โดยงาของช้างนั้นสามารถบอกอายุของช้างตัวนั้น ๆ ได้เมื่อเทียบกับช้างตัวอื่น ๆ เป็นเวลาหลายช่วงทศวรรษที่มนุษย์มีการล่าช้างเพื่อเอางา ในปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ พบว่า ช้างที่เกิดใหม่เริ่มที่จะมีงาที่สั้นและบางลง เพราะสารพันธุกรรม ที่กำหนดการสร้างงาไม่ถูกส่งต่อไปยังรุ่นลูก หรือถูกส่งต่อน้อยลงมากเมื่อเทียบกับแต่ก่อน อีกเหตุผลนึงคือ นักล่างาช้างนั้นเลือกเบี่ยงเป้าหมายไปหาตัวเมียและตัวผู้ที่ยังมีอายุน้อยด้วย ทำให้การสืบพันธุ์เป็นเรื่องที่ยากขึ้นไปอีกสำหรับช้าง อยากเอางาก็เอาไปสิ แต่ไม่ต้องฆ่าช้างได้ไหม  คำตอบก็คือไม่ได้ เพราะว่า งาช้างนั้นก็ถือว่าเป็นอวัยวะที่สำคัญอย่างหนึ่งของช้าง เทียบกับมนุษย์ก็สำคัญพอ […]

เรื่องราวอัศจรรย์ของต้นไม้ที่ได้ท่องอวกาศ และกำลังยืนต้นอยู่บนพื้นโลก

ต้นไม้ดวงจันทร์ เหล่านี้เติบโตขึ้นจากเมล็ดพันธุ์นับร้อยเมล็ดที่ได้ไปท่องอวกาศกับยานอะพอลโล 14 และกำลังยืนต้นอยู่บนโลก

นากโบราณขนาดเท่าหมาป่า มีแรงกัดมหาศาล

เรื่อง เจสัน จี.โกลด์แมน เมื่อ 6 ล้านปีก่อน นากน้ำหนักประมาณร้อยปอนด์เที่ยวเดินด้อมๆ มองๆ อยู่ตามพื้นที่ชุ่มน้ำที่ซึ่งปัจจุบันคือทางตะวันตกเฉียงใต้ของจีน แตกต่างจากนากในปัจจุบันที่ใช้ก้อนหินทุบเปลือกหอยเม่นตามอ่าวแปซิฟิกทางตอนเหนือของอเมริกาหรือในเอเชีย สิ่งมีชีวิตโบราณเหล่านี้ทำลายเปลือกหอยด้วยกรามอันแข็งแรงของพวกมัน ขอเชิญพบกับ  Siamogale melilutra บรรพบรุษของนากที่ถูกค้นพบในมณฑลยูนนานของจีน และเรื่องราวของมันเพิ่งจะถูกเปิดเผยเมื่อต้นปี 2017 ที่ผ่านมา ในผลการศึกษาใหม่ ทีมนักวิจัยตรวจสอบฟอสซิลขากรรไกรของมัน และตั้งข้อสันนิษฐานว่าพวกมันอาจเป็นนักล่ากลุ่มสุดท้ายจากปลายยุคไมโอซีน ที่มีขากรรไกรแข็งแรงสำหรับการบดเคี้ยว ซึ่งช่วยให้มันล่าอาหารได้หลากหลายมากขึ้น “เราคิดว่ามันอาจล่าพวกสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังที่มีเปลือก แต่ระดับความสามารถในการหาอาหารของพวกมันขณะนี้ เรามองเห็นแค่ความเป็นไปได้จากนากที่ยังมีชีวิตอยู่ในปัจจุบันเท่านั้น” Z. Jack Tseng หัวหน้าการวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐนิวยอร์ก เมืองบัฟฟาโลกล่าว การค้นพบครั้งนี้ไม่เพียงแต่ฉายให้เห็นวิถีชีวิตของนากโบราณ แต่ยังช่วยไขปริศนาของพฤติกรรมนากในปัจจุบันด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งการที่มันรู้จักใช้สิ่งของตามธรรมชาติมาเป็นเครื่องมือ ปัจจุบันนากถูกแบ่งออกเป็น 2 กลุ่ม คือกลุ่มที่กินพวกสัตว์มีเปลือกอย่างปู, หอย, เม่นทะเล และพวกที่ล่าปลาเป็นอาหาร ในการจะเข้าใจการหากินของ Siamogale เจ้านากโบราณที่เคยมีชีวิตอยู่บนโลกนี้ Tseng และทีมงานของเขารวบรวมขากรรไกรและกระโหลกของนากจำนวน 10 ใน 13 สายพันธุ์ที่ยังมีชีวิตอยู่ เพื่อสร้างแบบจำลอง 3 มิติของนากโบราณขึ้นมาใหม่จากฟอสซิลของขากรรไกร เมื่อกล้ามเนื้อขากรรไกรขยับ พลังงานจะถูกส่งผ่านมายังกระดูกและฟัน […]

ปรากฏการณ์ เอลนีโญ และลานีญา

ความแปรปรวนของกระแสลมและการไหลเวียนของกระแสน้ำที่ผันผวนที่เกิดจาก เอลนีโญ และลานีญา อาจส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศของโลกอย่างรุนแรง เอลนีโญ (El Niño) และลานีญา (La Niña) เป็นปรากฏการณ์สุดขั้วตรงข้ามของวัฏจักรการหมุนเวียนกระแสอากาศและกระแสน้ำในมหาสมุทรแปซิฟิกตะวันออก(Eastern Tropical Pacific Ocean) ที่เรียกว่า “El Niño – Southern Oscillation” หรือ“เอนโซ่” (ENSO)ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างมหาสมุทรกับชั้นบรรยากาศโลก ดังนั้นเมื่อกระแสลมเกิดการเปลี่ยนทิศและกระแสน้ำในมหาสมุทรแปซิฟิกตะวันออกเกิดการเปลี่ยนแปลง จึงก่อให้เกิดปรากฏการณ์สภาวะอากาศแปรปรวนฉับพลันที่เรียกว่า “เอลนีโญ” (El Niño) และ “ลานีญา”(La Niña) [ในภาษาสเปน เอลนีโญมีความหมายว่า “เด็กชาย” หรือ “บุตรของพระเยซู”ขณะที่ลานีญามีความหมายว่า “เด็กสาว”] การเกิดปรากฏการณ์เอลนีโญและลานีญา มหาสมุทรแปซิฟิกในสภาวะปกติ บริเวณแถบเส้นศูนย์สูตรของมหาสมุทรแปซิฟิกตะวันออกจะมีลมสินค้ากำลังแรงพัดจากทางด้านตะวันตกของชายฝั่งทวีปอเมริกาใต้ไปยังประเทศอินโดนีเซีย โดยนำเอากระแสน้ำอุ่นบนพื้นผิวมหาสมุทรแปซิฟิกเข้าสู่ชายฝั่งด้านทิศตะวันออกของออสเตรเลียทำให้น้ำทะเลบริเวณดังกล่าวสูงกว่าระดับทะเลปกติราว 60 ถึง70 เซนติเมตร และทำให้เกิดฝนตกในภูมิภาคเอเชียตะวันออกเฉียงใต้และทางตอนเหนือของออสเตรเลีย ขณะที่ตามแนวชายฝั่งของทวีปอเมริกาใต้จะเกิดกระแสน้ำเย็นใต้มหาสมุทรไหลเข้ามาแทนที่กระแสน้ำอุ่นที่ถูกลมสินค้าพัดพาไป ก่อให้เกิดปรากฏการณ์ “น้ำผุด” (Upwelling) ซึ่งนำธาตุอาหารจากมหาสมุทรลึกขึ้นมายังเขตท้องทะเลที่แสงสว่างส่องถึง (Euphotic zone) ทำให้ทางชายฝั่งของทั้งประเทศเปรู เอกวาดอร์ และชิลี กลายเป็นแหล่งทรัพยากรทางทะเลที่สำคัญและสร้างรายได้มหาศาลให้กับชาวประมงท้องถิ่นอีกด้วย ปรากฏการณ์เอลนีโญ […]