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

การลดลงของโอโซน ในชั้นบรรยากาศโลก

การลดลงของโอโซน (Ozone Depletion) คือภาวะการสูญเสียหรือการลดลงของปริมาณก๊าซโอโซน (Ozone) ในชั้นบรรยากาศโลกที่ระดับความสูงราว 20 ถึง 40 กิโลเมตรเหนือพื้นดินขึ้นไป หรือชั้น “สตราโตสเฟียร์” (Stratosphere)จากปฏิกิริยาเคมีระหว่างก๊าซโอโซนกับสารเคมีที่มนุษย์สังเคราะห์ขึ้น ซึ่งก่อให้เกิดปรากฏการณ์ “หลุมโอโซน” (Ozone Hole) จนส่งผลให้รังสีที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตจากดวงอาทิตย์สามารถส่องลงมายังพื้นผิวโลกได้โดยตรง องค์ประกอบของโอโซน โอโซน (O3) ประกอบขึ้นจากออกซิเจน(Oxygen)3อะตอมเป็นโมเลกุลของก๊าซที่มีความเสถียรต่ำ สามารถคงอยู่ในอากาศได้ราว20 ถึง 30สัปดาห์ก่อนจะสลายตัวไปในธรรมชาติ ก๊าซโอโซนเกิดจากการรวมตัวกันของก๊าซออกซิเจน(O2) ที่มีอยู่มากมายในอากาศหนึ่งโมเลกุลและอะตอมออกซิเจนอิสระ (O2-) ที่แตกตัวเนื่องจากรังสีอัลตราไวโอเลต(Ultraviolet: UV) ของโมเลกุลออกซิเจนนั่นเอง แต่เมื่อโอโซนได้รับพลังงานจากรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ จะเกิดการสลายตัวเช่นเดียวกัน กลายเป็นอะตอมออกซิเจนอิสระและโมเลกุลของก๊าซออกซิเจน ดังนั้น การเกิดของชั้นโอโซนในบรรยากาศโลกจึงถือเป็นวงจรที่เกิดขึ้นซ้ำๆ เป็นวัฏจักรที่หมุนเวียนไปตามอัตราการเกิดและการสลายตัวของโอโซนในธรรมชาติ ประเภทของโอโซน โอโซนภาคพื้นดิน (Ground Level Ozone) คือโอโซนที่ระดับความสูง0 ถึงราว 2 กิโลเมตรในชั้นบรรยากาศโทรโพสเฟียร์ (Troposphere) ซึ่งในธรรมชาติโอโซนที่เกิดขึ้นบนภาคพื้นดินมีเพียงร้อยละ 10แต่ในปัจจุบัน แหล่งกำเนิดโอโซนส่วนใหญ่มาจากกิจกรรมของมนุษย์ เช่น จากไอเสียของรถยนต์หรือไอเสียจากโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆซึ่งมีไนโตรเจนออกไซด์(NOx) เป็นองค์ประกอบหลัก หรือเกิดจากปฏิกิริยาเคมีแสง(Photochemical Reaction)จากการได้รับรังสีอัลตราไวโอเลตของสารอินทรีย์ระเหย(Volatile […]

น้ำบาดาล (Groundwater)

น้ำบาดาล เป็นหนึ่งในแหล่งน้ำที่มนุษย์ได้นำมาใช้ประโยชน์อย่างแพร่หลาย ทั้งการอุปโภคและบริโภค และเป็นแหล่งน้ำสำคัญในหลายภูมิภาค น้ำบาดาล (Groundwater) คือ น้ำใต้ดินที่ถูกกักเก็บและสะสมอยู่ภายในช่องว่างและรอยแตกของชั้นหินและชั้นดินตะกอนลึกลงไปใต้พื้นดิน จากการหมุนเวียนของ “วัฏจักรน้ำ” (Hydrologic Cycle) ในธรรมชาติ ซึ่งมีจุดกำเนิดจากหยาดน้ำฟ้า (Precipitations) หรือน้ำในบรรยากาศ (Atmospheric Water) ไม่ว่าจะอยู่ในรูปของน้ำฝน หิมะ เมฆหมอก หรือไอน้ำ ที่ตกลงสู่ผืนดินจนกลายเป็นน้ำผิวดิน (Surface Water) ให้กำเนิดแม่น้ำ ลำคลอง และมหาสมุทร น้ำผิวดินบางส่วนไหลลงสู่ใต้ดิน ซึมอยู่ภายในช่องว่างของเม็ดดินกลายเป็นน้ำในดินที่สามารถระเหยกลับไปเป็นน้ำฟ้าอีกครั้ง เมื่อถูกแสงแดดแผดเผา แต่ยังน้ำบางส่วนที่ไหลลึกลงไปสู่ชั้นหินและชั้นดินตะกอนด้านล่าง เติมเต็มช่องว่างและรอยแตกของชั้นหินเหล่านั้น จนกลายเป็นจุดกำเนิดของแหล่งน้ำใต้ดิน (Subsurface Water) หรือน้ำบาดาลนั่นเอง น้ำใต้ดินสามารถจำแนกออกเป็น 2 อาณาเขต คือ 1. เขตอิ่มอากาศ (Unsaturated Zone) คือ เขตที่ปริมาณของน้ำใต้ดินที่มีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา โดยมักแปรผันไปตามฤดูกาล ส่งผลให้เขตอิ่มอากาศจัดเป็นประเภทชั้นหินอุ้มน้ำแบบเปิด (Unconfined Aquifer) ซึ่งอยู่ลึกลงไปจากผิวดินไม่มากนัก นับเป็นส่วนของน้ำใต้ดินที่ยังคงมีช่องว่างหรือมวลอากาศแทรกอยู่ร่วมกับมวลของน้ำที่ถูกกักเก็บภายในชั้นหินใต้ดิน โดยเขตอิ่มอากาศยังสามารถแบ่งออกเป็น 3 […]

สไปโนซอรัสผู้น่าเกรงขามอาจเก้กังเมื่อต้องว่ายน้ำ

ผลการศึกษาใหม่ระบุว่าแม้จะใช้ชีวิตผูกพันอยู่กับแหล่งน้ำ ทว่าร่างกายของสไปโนซอรัสไม่ได้มีไว้เพื่อว่ายน้ำไล่ล่าเหยื่อโดยเฉพาะ

ความสัมพันธ์ของสิ่งมีชีวิต ในระบบนิเวศ

การอาศัยอยู่ร่วมกันในระบบนิเวศต่างมีรูปแบบการปฏิสัมพันธ์ที่แตกต่างกันออกไป ซึ่งช่วยให้เกิด ความสัมพันธ์ของสิ่งมีชีวิต และเกิดการปรับตัวร่วมกัน นอกเหนือไปจากความสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นระหว่างสิ่งมีชีวิตชนิดเดียวกัน ทั้งที่อาศัยอยู่รวมกันเป็นฝูงและดำรงชีวิตอยู่อย่างโดดเดี่ยวลำพัง ในระบบนิเวศยังมีการปฏิสัมพันธ์หรือความเกี่ยวข้องอีกหลากหลายรูปแบบเกิดขึ้น เมื่อมีสิ่งมีชีวิตหลายชนิดอาศัยอยู่ร่วมกันในพื้นที่ซึ่งมีอาณาบริเวณอันจำกัด มีปริมาณอาหาร น้ำดื่มและปัจจัยที่จำเป็นอีกมากมาย ซึ่งไม่สามารถรองรับและตอบสนองต่อความต้องการของทุกชีวิต  ความสัมพันธ์ระหว่างสิ่งมีชีวิตต่างชนิด (Interspecific interactions) หมายถึง ความเกี่ยวข้องหรือสายสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นจากการอาศัยอยู่ร่วมกันของสิ่งมีชีวิตต่างชนิดในระบบนิเวศ โดยก่อให้เกิดทั้งภาวะของการพึ่งพาอาศัยกันและกัน การแก่งแย่งแข่งขัน หรือแม้แต่การเบียดเบียนสิ่งมีชีวิตชนิดอื่นเพื่อความอยู่รอด ซึ่งความสัมพันธ์เหล่านี้ สามารถจำแนกออกเป็น 6 ประเภท โดยส่งผลกระทบต่อสิ่งมีชีวิตแต่ละชนิดในลักษณะที่แตกต่างกันออกไป เช่น เป็นประโยชน์ต่อกัน (+) เป็นโทษหรือภัยคุกคาม (-) และการไม่ได้รับผลกระทบและผลประโยชน์ใด ๆ (0) ดังนี้ ภาวะพึ่งพาอาศัยกัน (Mutualism : +/+) หมายถึง ความสัมพันธ์ระยะยาวของสิ่งมีชีวิต 2 ชนิดที่อาศัยอยู่ร่วมกันในระบบนิเวศ โดยที่ทั้ง 2 ฝ่ายต่างได้รับผลประโยชน์จากความสัมพันธ์ในลักษณะนี้ ทำให้สิ่งมีชีวิตทั้ง 2 ชนิดไม่สามารถแยกตัวออกจากกันได้อีกเลยตลอดช่วงชีวิต เช่น  ไลเคน (Lichens) : สิ่งมีชีวิตที่เกิดจากการพึ่งพาอาศัยกันของราและสาหร่าย โดยที่ราทำหน้าที่ให้ความชุ่มชื้นและแร่ธาตุแก่สาหร่าย ขณะที่สาหร่ายทำหน้าที่สร้างอาหารให้ราผ่านกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช ไรโซเบียม […]