แก้วลักน้ำ

"แก้วลักน้ำ" เกมการทดลองสนุก ๆ ที่จะพาคุณไปเรียนรู้เรื่อง แรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล และความดันอากาศ รวมถึงหลักการของกาลักน้ำ โดยสามารถทำเล่นเองได้ที่บ้าน หรือจัดเป็นคาบเรียนออนไลน์ก็ได้เช่นกัน

อุปกรณ์ที่ต้องใช้

1. แก้วน้ำทรงเตี้ยความสูงเท่ากัน 2 ใบ
2. แก้วน้ำใหญ่ ๆ ทรงสูง 1 ใบ (ให้มีปริมาตรมากที่สุดในทุกใบ)
3. หลอดดูดน้ำพลาสติก (จำนวนและรูปแบบเปลี่ยนแปลงได้)

• หลอดธรรมดา 1 หลอด
• หลอดแบบงอได้ 1 หลอด
• หลอดแบบงอได้ นำมาตัดเป็น 2 แบบ ดังรูป (แบบยาวเท่ากัน 2 ด้าน และยาวไม่เท่ากัน)

Level 1 ขั้นเล่นสนุกและมั่ว

ขั้นแรก เริ่มจากเล่นเกมสนุก ๆ ที่ใช้แก้วน้ำสูงเท่ากัน 2 ใบ และหลอดที่ตัดไว้ 1 อัน ดังรูป นำแก้ว 2 ใบมาวางชิดกัน เติมน้ำให้เต็มเพียง 1 แก้ว แล้วให้นักเรียนทำยังไงก็ได้ ให้น้ำไหลผ่านหลอดจากแก้วที่มีน้ำเต็ม ไปยังแก้วที่ไม่มีน้ำอยู่เลย ลองให้เวลานักเรียนลองผิดลองถูกเองก่อนสัก 5 - 10 นาที

ขั้นที่สอง ให้นักเรียนศึกษาหลักการของกาลักน้ำ (กาลักน้ำ เป็นเครื่องมือง่าย ๆ ที่อาศัยแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของของเหลวเพื่อถ่ายเทของเหลวจากที่สูงลงไปสู่ที่ต่ำอย่างต่อเนื่องโดยผ่านตัวกลาง ซึ่งก็คือท่อ หลอด หรือสาย โดยที่จุดสูงสุดคือท่อตัวกลางนี้อยู่สูงกว่าระดับของเหลวทั้งสองข้าง โดยกาลักน้ำระบบใหญ่ ๆ อาจจะต้องใช้พลังงานในตอนเริ่มต้น เพื่อดึงของเหลวให้เต็มท่อ แต่ในระบบเล็ก ๆ อย่างเช่นการใช้หลอดแทนท่อนี้ เพียงแค่เติมน้ำให้เต็มหลอดก่อนก็เพียงพอ)

ขั้นที่สาม ให้นักเรียนลองกลับไปทำขั้นแรกอีกครั้ง แต่ตอนนี้นักเรียนจะรู้แล้วว่า ต้องทำให้น้ำเต็มหลอดก่อน โดยต้องอุดปลายไว้ไม่ให้น้ำไหลออกมา ก่อนที่จะจุ่มลงไปในแก้วน้ำ ซึ่งถึงตอนนี้ น้ำก็จะไหลไปยังอีกแก้วได้แล้ว

Level 2 ขั้นทดลองอย่างมีหลักการ

หลังจากรู้หลักการเบื้องต้นแล้ว ครูตั้งคำถามต่อว่า แล้วน้ำจะหยุดไหลเมื่อไหร่กันนะ? มันเกี่ยวกับความสูงของน้ำ ความสูงแก้ว ความยาวหลอด หรืออะไรกันแน่

ให้นักเรียนเริ่มทดลองไปเรื่อย ๆ เพื่อทดสอบสมมติฐานต่าง ๆ รอบนี้ให้เวลามากหน่อย สัก 15 - 20 นาที โดยรอบนี้สามารถใช้อุปกรณ์ได้ทุกอย่างที่เตรียมมา ทั้งแก้วความสูงต่างกัน หลอดหลายแบบ จะเอาหลอดมาต่อกัน หรือยังไงก็ได้ โดยยังกำหนดให้ตั้งแก้วไว้ที่พื้นระดับเท่ากันอยู่

ซึ่งเมื่อทำไปเรื่อย ๆ จะเริ่มสังเกตเห็นว่า น้ำจะหยุดไหลเมื่อระดับความสูงของน้ำฝั่งต้นน้ำลดมาจนเท่าระดับปากหลอดด้านแก้วที่รับน้ำ แสดงว่าระดับน้ำฝั่งต้นน้ำ ต้องสูงกว่าปากท่ออีกฝั่งเสมอ แล้วจะเกิดอะไรขึ้น ถ้าเราลองให้นักเรียนเติมน้ำเข้าไปเพิ่มที่ฝั่งต้นน้ำอยู่ตลอด เพื่อให้มันสูงกว่าปากท่ออยู่เสมอ

ปรากฏว่า น้ำฝั่งรับกลับเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนสุดท้าย เราสามารถทำให้น้ำเต็มแก้วได้ทั้งสองฝั่ง

การทดลองนี้ จะพิสูจน์หลักการที่ว่า ทำไมกาลักน้ำต้องกำหนดให้ปลายท่อนอกอ่างที่เราจะรับน้ำต้องอยู่ต่ำกว่าก้นอ่างฝั่งต้นน้ำนั่นเอง ซึ่งสามารถอธิบายด้วยหลักของ "ความดันอากาศ" ที่ระดับความสูงต่าง ๆ

Level 3 สร้างกาลักน้ำที่สมบูรณ์ด้วยอุปกรณ์ทั้งหมดที่เตรียมมา

หลังจากที่เราเข้าใจหลักการทั้งหมดแล้ว รอบนี้จะให้นักเรียนทำอย่างไรก็ได้ ให้น้ำไหลมาฝั่งที่รับให้เต็มแก้ว โดยที่เราไม่ต้องคอยเติมน้ำอยู่ตลอด

สุดท้ายการที่นักเรียนจะทำได้นั้น ต้องเข้าใจหลักการของ Level 1 และ 2 ที่เกิดจากการเรียนรู้ของนักเรียนเอง โดยเฉลยก็คือ นักเรียนต้องต่อหลอดให้ยาวขึ้น และยกระดับก้นแก้วฝั่งต้นน้ำให้สูงขึ้น เพื่อให้ปากท่อด้านนอกที่คอยรับน้ำอยู่ต่ำกว่าก้นแก้วฝั่งต้นน้ำนั่นเอง และอย่าลืมว่าต้องเติมน้ำให้เต็มหลอดก่อนเหมือนเดิมด้วย! รวมถึงปริมาตรแก้วฝั่งต้นน้ำต้องมากกว่าอีกแก้วที่คอยรับน้ำด้วยนะ ไม่งั้นน้ำก็จะไม่เต็ม/ล้นแก้วสักที

ข้อควรระวัง: โต๊ะเปียกแน่นอนครับ น้ำล้นแก้ว 555

อ้างอิงจาก rmutphysics.com/charud/scibook/physcis-for-everyday/physics-for-everydayuse-content/21-40/indexcontent35.htm อธิบายไว้ว่า

"กาลักน้ำดูดน้ำขึ้นมายังจุด  C  ได้ เนื่องจากระยะห่างระหว่างผิวน้ำในอ่าง  A  ถึงตำแหน่ง  C  น้อยกว่าจากตำแหน่ง  C  ถึงผิวน้ำในอ่าง  B  นั่นคือ  h1 < h2  แม้ว่าผิวน้ำในอ่าง  A  และ  B  จะได้รับแรงดันอากาศ ( แรงดันบรรยากาศ ) P0  เหมือนกัน แต่เนื่องจากแรงดันของของเหลวแปรผันโดยตรงกับความสูง ดังนั้นแรงดันภายในสายยางจากจุด  c  ไปยังจุด  b  จึงมากกว่าแรงดันจากจุด  c ไปยังจุด  a  ทำให้แรงดันในสายยางทั้งสองข้างไม่สมดุลกันดังนั้นน้ำจากอ่าง  A  จึงไหลลงไปในอ่าง  B  อย่างต่อเนื่อง เนื่องจากปลายสายยางข้างที่น้ำออก ยังคงอยู่ต่ำกว่าปลายสายยางข้างที่น้ำเข้าโดยไม่เป็นการฝืนกฎที่ว่าน้ำย่อมไหลสู่ที่ต่ำเสมอ"

กระบวนการหลัง ๆ จะค่อนข้างซับซ้อนหน่อยนะครับ จริง ๆ เล่นแค่ Level 1 นักเรียนก็สนุกมากแล้ว แต่ถ้าอยากให้นักเรียนเกิดการเรียนรู้ด้วยตนเองมากที่สุด ก็ค่อย ๆ เพิ่มระดับความยากมาจน Level 3 ได้เลยครับ รับรองว่า นักเรียนเข้าใจคอนเซ็ปต์อย่างถ่องแท้แน่นอน