แหล่งข้อมูล

ไหลไปกับแรงโน้มถ่วง

ระดับกลาง
SEADSTEM Go with the flow Experiment Photo: © iStock trocphunc
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars
Loading...
ทรัพยากร
การทดลอง
วิชา
วิศวกรรมศาสตร์ ฟิสิกส์
หัวข้อ
พลังงาน กระบวนการทางวิศวกรรม
เวลาสำหรับกิจกรรม
2-3 ชั่วโมง

ในโครงการนี้ นักเรียนจะได้ออกแบบโครงสร้างขั้นบันได จำลองระบบชลประทานของนาขั้นบันไดในโลกแห่งความเป็นจริง

Sience S
Technology T
Engineering E
Mathematics M

ที่เกี่ยวข้อง

เป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน

บทนำ

น้ำที่เราเทจากถังจะไหลลงสู่พื้นตามธรรมชาติของมัน เช่นเดียวกับน้ำในธรรมชาติที่จะไหลจากบนยอดเขาลงสู่พื้นด้านล่างด้วยแรงโน้มถ่วง

ความเร็วของน้ำขึ้นอยู่กับแรงที่กระทำต่อมัน เมื่อเราเทน้ำลงสู่กรวย ส่วนที่เป็นปากกรวยที่กว้างจะถูกเติมจนเต็มอย่างรวดเร็ว นั่นเป็นเพราะน้ำสามารถเคลื่อนที่เร็วขึ้นในพื้นที่กว้าง แต่จะช้าลงเมื่อมันไหลไปสู่คอส่วนที่แคบของกรวย น้ำจะมีแรงส่งที่มากกว่าที่ด้านข้างของกรวยเมื่อไหลผ่านช่องแคบด้านล้าง เพราะขณะที่น้ำกำลังเคลื่อนที่จากส่วนที่กว้างไปยังส่วนที่แคบกว่านั้น แรงดันของน้ำจะเพิ่มขึ้น

ที่พื้นผิวของกระจกหน้าต่าง น้ำฝนจะไหลได้เร็วกว่าบนผนัง นั่นเป็นเพราะน้ำไหลผ่านผนังที่หยาบได้ช้าเนื่องจากแรงเสียดทานของผนัง แรงโน้มถ่วงก็มีผลต่อทิศทางการไหลของน้ำ แรงโน้มถ่วง แรงและแรงเสียดทานล้วนส่งผลต่อแรงดันน้ำและความเร็วในการไหลของน้ำทั้งสิ้น

น้ำมีลักษณะการไหลหลากหลายรูปแบบ การศึกษาวิธีการไหลของน้ำเป็นแขนงหนึ่งของวิชาฟิสิกส์ที่เรียกว่า “พลศาสตร์ของไหล” (fluid dynamics) ในการทดลองนี้ นักเรียนจะได้สังเกตการไหลของน้ำและการเคลื่อนที่ของลูกปัดพลาสติก การทดลองนี้จะช่วยให้นักเรียนได้เข้าใจสิ่งที่พบเจอในชีวิตประจำวันและหลักการทางวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังการทำเกษตรแบบขั้นบันได

นาขั้นบันไดบานาเว ในประเทศฟิลิปปินส์นั้นเป็นการขุดดินเป็นขั้นให้เรียบเพื่อทำนาบนสันเขา ช่วยให้ชาวนาสามารถปลูกข้าวได้ในเขตภูมิประเทศที่มีภูเขาสูงชันมาก ซึ่งถือเป็นเรื่องน่าอัศจรรย์มากที่มีการสร้างโครงสร้างดังกล่าวมาแล้วถึงสองพันปี และแน่นอนว่าสมัยก่อนมันถูกสร้างขึ้นด้วยมือทั้งสิ้น ไม่มีเครื่องมือก่อสร้างอันทันสมัยแบบในปัจจุบันแต่อย่างใด

นาขั้นบันไดรับน้ำจากระบบชลประทาน ซึ่งเป็นการจัดการน้ำเพื่อใช้รดน้ำพืชผ่านขั้นบันได โดยน้ำจะถูกส่งจากบนภูเขาให้ไหลลงผ่านชั้นของที่นาทีละขั้น หมายความว่าระบบดังกล่าวใช้แรงโน้มถ่วงเป็นแรงส่งน้ำ (แรงที่ดึงสสารลงสู่พื้นโลก) เพื่อให้น้ำไหลลงสู่ด้านล่างของภูเขา

เป้าหมายในการทำโครงงานนี้คือการสร้างแบบจำลองนาขั้นบันไดบานาเว โดยใช้วัสดุอุปกรณ์ที่หาได้ในบ้านของเรา (ภาพประกอบที่ 2) นักเรียนจะได้ออกแบบโครงสร้างนาขั้นบันไดเพื่อให้ลูกปัดพลาสติกหรือไม้ไหลลงไปสู่ด้านล่างโดยน้ำ เพื่อจำลองระบบชลประทานในนาขั้นบันใดจริง ลูกปัดนั้นมีคุณสมบัติลอยน้ำได้ ซึ่งเกิดจากการที่มันมีความหนาแน่น (มวลต่อหนึ่งหน่วยปริมาตร) น้อยกว่าความหนาแน่นของน้ำ มันถูกดึงให้ไหลไปตามน้ำเนื่องจากน้ำนั้นมีความหนืด หมายความว่ามันมีแรงเสียดทาน (แรงที่ต้านการเคลื่อนที่) อยู่เมื่อมันไหลผ่านหรือล้อมรอบวัตถุอยู่

โครงงานนี้เป็นการจำลองกระบวนการออกแบบทางวิศวกรรม โดยทั่วไปการสร้างสิ่งประดิษฐ์มักไม่ได้สำเร็จเลยตั้งแต่การออกแบบและการทดลองครั้งแรก จุดมุ่งหมายของโครงงานก็คือสนับสนุนให้นักเรียนได้ลองออกแบบสิ่งประดิษฐ์ ทำการทดสอบและพัฒนาแบบสิ่งประดิษฐ์นั้นด้วยตนเอง

แทบไม่มีวิศวกรมืออาชีพคนใดที่จะทำสำเร็จได้ตั้งแต่ครั้งแรก

วัตถุประสงค์หลัก
  1. สร้างแบบจำลองระบบชลประทานนาขั้นบันได โดยใช้น้ำให้ไหลเพื่อส่งลูกปัด ที่จะถูกปล่อยจากด้านบนสุดของแบบจำลองและไหลผ่านแต่ละขั้นลงไปจนถึงด้านล่างสุดของแบบจำลอง
  2. เสริมสร้างความรู้ความเข้าใจเรื่องคุณสมบัติและธรรมชาติของน้ำ
  3. เสริมสร้างความรู้ความเข้าใจเรื่องลักษณะการไหลและหลักการทางวิทยาศาสตร์ของการทำนาขั้นบันได
คำถามชี้นำ
  1. อะไรเป็นตัวกำหนดว่าวัตถุจะลอยน้ำหรือไม่
  2. ระบบชลประทานน้ำของนาขั้นบันไดทำงานได้อย่างไรโดยไม่มีไฟฟ้าหรืออุปกรณ์ที่ทันสมัย
  3. ทำไมน้ำจึงยังคงสภาพเป็นของเหลวได้ในอุณหภูมิที่แตกต่างกัน คุณสมบัติดังกล่าวมีประโยชน์อย่างไรต่อสิ่งมีชีวิต
  4. น้ำแข็งที่ลอยน้ำช่วยสัตว์ในธรรมชาติได้หรือไม่ หากใช่ จงอธิบาย