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

การปฏิวัตินีโอลิทิค คืออะไร

การปฏิวัตินีโอลิทิคซึ่งมีอีกชื่อหนึ่งว่า การปฏิวัติเกษตรกรรม คือการเปลี่ยนจากการล่าสัตว์และหาของป่าไปสู่การทำเกษตรกรรม ซึ่งได้เปลี่ยนแปลงมนุษยชาติไปตลอดกาล เชื่อกันว่า การปฏิวัตินีโอลิทิค (Neolithic) หรือ การปฏิวัติเกษตรกรรม เกิดขึ้นเมื่อราว 12,000 ปีก่อน มันเป็นช่วงเวลาคาบเกี่ยวระหว่างการสิ้นสุดของยุคน้ำแข็งครั้งสุดท้ายกับการเริ่มต้นของสมัย (Epoch) ทางธรณีวิทยาที่ในยุคปัจจุบันคือโฮโลซีน (Holocene) การปฏิวัติในครั้งนี้เปลี่ยนแปลงการกินอยู่ และการมีปฏิสัมพันธ์ของมนุษย์ไปตลอดกาล และได้เบิกทางสู่อารยธรรมมนุษย์สมัยใหม่ ในยุคนีโอลิทิค นักล่าหาของป่า (Hunter-Gatheres) เร่ร่อนอยู่ตามธรรมชาติเพื่อตามล่าและหาอาหาร แต่ได้มีการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่เกิดขึ้น นักล่าอาหารกลายเป็นเกษตรกร และเปลี่ยนแปลงจากวิถีชีวิตนักล่าหาของป่ามาอยู่เป็นหลักเป็นแหล่งมากขึ้น สาเหตุของการตั้งรกราก แม้ว่าช่วงเวลาและสาเหตุที่แน่นอนของการเปลี่ยนแปลงวิถีชีวิตดั้งเดิมที่เคยเป็นมาจะยังเป็นเรื่องที่ถกเถียงกันอยู่ โดยมีการคาดเดาว่าการเพาะปลูกของมนุษย์เกิดขึ้นครั้งแรกในบริเวณพระจันทร์เสี้ยวอันอุดมสมบูรณ์ (Fertile Crescent หรือบริเวณเมโสโปเตเมีย) ในแถบตะวันออกกลาง อันเป็นบริเวณที่ผู้คนหลายกลุ่มพัฒนาการเกษตรตามแบบของตัวเอง จึงเป็นไปได้ว่า “การปฏิวัติเกษตรกรรม” เป็นการปฏิวัติที่มีการพัฒนาในตัวเองอยู่หลายครั้ง มีหลายสมมติฐานที่ให้คำตอบว่าเหตุใดมนุษย์จึงหยุดเร่ร่อนเพื่อหาอาหารและเริ่มเพาะปลูก ความกดดันทางประชากร (Population Pressure) อาจทำให้เกิดการแย่งชิงอาหารที่มากขึ้น และนำไปสู่ความจำเป็นของการเพาะปลูกอาหารใหม่ๆ ผู้คนอาจเปลี่ยนมาทำการเพาะปลูกเพื่อให้คนชราและเด็กมีส่วนร่วมในการผลิตอาหาร มนุษย์อาจเรียนรู้ที่จะพึ่งพาพืชซึ่งถูกคัดเลือกและผสมผสานในช่วงต้นของการนำมาปลูก และในทางกลับกัน พืชเหล่านั้นอาจจำเป็นต้องพึ่งพามนุษย์ด้วยเช่นกัน เมื่อเกิดเทคโนโลยีใหม่ๆขึ้น ทฤษฎีใหม่ๆ เกี่ยวกับกับวิธีการและเหตุผลที่การปฏิวัติเกษตรกรรมเริ่มต้นขึ้นก็ตามมา และได้พัฒนามาอย่างต่อเนื่อง ไม่ว่ามนุษย์จะถอยห่างจากการล่าสัตว์และการออกหาอาหารด้วยด้วยวิธีการและเหตุผลใดก็ตาม พวกเขาก็เริ่มตั้งรกรากมากขึ้นเรื่อยๆ เหตุผลบางส่วนของสิ่งนี้เกิดจากการเพาะเลี้ยงพืชที่มากขึ้นเรื่อยๆ มีการคาดว่ามนุษย์อาจเริ่มรวบรวมพืชและเมล็ดพันธุ์ตั้งแต่ […]

การเสื่อมสภาพของถิ่นฐานที่อยู่อาศัย

การเสื่อมสภาพของถิ่นฐานที่อยู่อาศัย เป็นผลมาจากหลายปัจจัยทั้งภัยธรรมชาติ อย่างไฟป่า และผลกระทบจากกิจกรรมของมนุษย์  การเสื่อมสภาพของถิ่นฐานที่อยู่อาศัย (Habitat Degradation) หมายถึง ภาวะความเสื่อมโทรมของถิ่นที่อยู่อาศัยตามธรรมชาติของสิ่งมีชีวิต จากทั้งการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศ ภัยพิบัติทางธรรมชาติ มลพิษและการปนเปื้อนที่มีสาเหตุมาจากกิจกรรมและการกระทำมนุษย์ ซึ่งเข้ามาคุกคามแหล่งที่อยู่อาศัยและส่งผลเสียต่อคุณภาพสิ่งแวดล้อมที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิตของสัตว์ทั้งหลายในระบบนิเวศ จนนำไปสู่การถูกทำลายลงของถิ่นฐานที่อยู่อาศัย (Habitat Destruction) ตามธรรมชาติและการสูญเสียความหลากหลายทางชีวภาพ (Biodiversity Loss) ของโลกอย่างถาวร สาเหตุของการเสื่อมสภาพของถิ่นฐานที่อยู่อาศัย จากธรรมชาติ หมายถึง การเปลี่ยนแปลงตามธรรมชาติของโลก ทั้งการเปลี่ยนแปลงของสภาพภูมิอากาศ การเกิดภัยพิบัติทางธรรมชาติ และการเปลี่ยนแปลงทางนิเวศวิทยา เช่น ความผันผวนของการเกิดไฟป่าตามธรรมชาติ การขึ้นลงของระดับน้ำทะเลหรือการเปลี่ยนแปลงทิศทางของกระแสน้ำ หรือแม้แต่การเกิดโรคระบาดหรือรุกรานของชนิดพันธุ์ต่างถิ่น กิจกรรมและการกระทำของมนุษย์ หมายถึง การรุกรานพื้นที่ทางธรรมชาติ เช่น ป่าไม้ ทะเลสาบ ลำน้ำต่าง ๆ รวมไปถึงพื้นที่ชายฝั่งทะเล เพื่อเปลี่ยนแปลงการใช้ประโยชน์ที่ดิน การแผ้วถางที่ดินเพื่อการเกษตร การขยายของตัวเมือง และการก่อสร้างเพื่อการพัฒนาอื่น ๆ รวมไปถึงการทำเหมือง การตัดไม้ทำลายป่า และมลภาวะต่าง ๆ ทั้งสารเคมีตกค้างจากการทำการเกษตร การปนเปื้อนของสารพิษในอากาศและแหล่งน้ำตามธรรมชาติทั้งหลาย โดยเฉพาะการสูญเสียป่าไม้มากกว่าครึ่งหนึ่งที่เคยปกคลุมพื้นผิวโลกจากกิจกรรมและผลจากการกระทำของมนุษย์ที่ทำให้ป่าไม้ถูกคุกคามและถูกทำลายลงในช่วงกว่า 2 ศตวรรษที่ผ่านมา และถึงแม้ว่าป่าไม้ทั่วโลกสามารถฟื้นฟูตัวเองและมนุษย์สามารถเข้ามาจัดการเพื่อการเก็บเกี่ยวอย่างยั่งยืน […]