การเคลื่อนที่ของอนุภาคบนแผ่นแคลดนี (Chladni Plate) และการนำไปประยุกต์ใช้ประโยชน์

ไอน์สไตน์เป็นนักฟิสิกส์ที่มีงานอดิเรกคือการเล่นไวโอลิน ริชาร์ด ไฟน์แมนเป็นนักฟิสิกส์รางวัลโนเบลก็ชอบเล่นดนตรีเช่นกัน แต่เครื่องดนตรีของเขาคือกลองบองโก แอนส์ แคลดนี (Ernst Chladni) ไม่ใช่แค่ชอบเล่นดนตรีเป็นงานอดิเรก แต่เขาเป็นทั้งนักฟิสิกส์และนักดนตรี เขาได้รับการยกย่องให้เป็นบิดาของสวนศาสตร์ หรือ father of acoustics (สวนศาสตร์หมายถึงวิชาฟิสิกส์ของเสียงซึ่งศึกษาเกี่ยวกับการส่งผ่าน การดูดกลืน การสะท้อน การหักเห การเลี้ยวเบน การแทรกสอด และปรากฏการณ์ต่าง ๆ ของเสียงในตัวกลางและภาวะแวดล้อมต่าง ๆ) โดยเขาทำงานวิจัยในด้าน จานสั่น (vibrating plate) และการหาอัตราเร็วของเสียงในแก๊สชนิดต่าง ๆ ปัจจุบันนี้เราใช้สมการนิวตัน-ลาปาซ ในการหาอัตราเร็วของเสียงในแก๊สอุดมคติโดยใช้สมการ

\(c= \sqrt{γ\cdot\dfrac{p}{ρ}}\)

โดยที่ \(c,γ,ρ\) และ \(p\) คืออัตราเร็วของเสียง, อัตราส่วนความจุความร้อน, ความหนาแน่น และ ความดันตามลำดับ  

การทดลองสร้างรูปร่างแคลดนี (Chladni figure)
(ภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/File:Bowing_chladni_plate.png)

แคลดนีพบว่าเมื่อนำคันสีไวโอลินไปสีบนขอบแผ่นโลหะที่ข้างบนมีทรายโรยอยู่ โดยแผ่นโลหะนี้ยึดติดกับฐานที่เป็นไม้ เขาพบว่ามันจะทำให้เกิดรูปแบบที่แปลกตาโดยเราเรียกสิ่งนี้ว่ารูปร่างแคลดนี (Chladni figure) ในปี ค.ศ. 1787 แคลดนีเป็นคนแรกที่บันทึกการค้นพบพฤติกรรมของเมล็ดทรายบนจานสั่น  เขาค้นพบว่าอนุภาคที่หนักกว่าจะเคลื่อนที่ออกจากการสั่น ขณะที่อนุภาคที่เบากว่าจะเคลื่อนที่เข้าหาการสั่น แต่จากงานวิจัยใหม่ใต้น้ำ นักวิทยาศาสตร์ค้นพบผลลัพธ์ที่ตรงกันข้าม Kourosh Latifi และคณะตีพิมพ์งานวิจัยนี้ชื่อ “Motion of Heavy Particles on a Submerged Chladni Plate” ลงในวารสาร Physical Review Letters เมื่อวันที่ 10 พฤษภาคม ค.ศ. 2019 


งานวิจัยนี้อาจจะเปลี่ยนแนวคิดของเราว่าคลื่นเสียงสามารถทำให้อนุภาคเคลื่อนไหวผ่านการสั่นได้อย่างไร ซึ่งมันอาจจะไปสร้างประโยชน์ประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีด้านการแพทย์และอุตสาหกรรมได้ งานวิจัยนี้นักวิทยาศาสตร์ได้นำแผ่นจานถูกสั่นอยู่ที่ใต้น้ำ พบว่าอนุภาคที่หนักกว่าจะเคลื่อนที่ไปยังจุดที่แอมพลิจูดของการเคลื่อนที่สูงที่สุด ซึ่งเราเรียกจุดนี้ว่าปฎิบัพ (antinode หมายถึงตำแหน่งของคลื่นในคลื่นนิ่ง ซึ่งมีการกระจัดมากที่สุด หรือซึ่งตัวกลางมีการสั่นมากที่สุด) ซึ่งมันเป็นการค้นพบที่ตรงกันข้ามกับที่แคลดนีค้นพบ เราจึงเรียกปรากฎการณ์นี้ว่า inverse Chladni pattern ในการทดลองนักวิจัยใช้ลูกแก้ว (glass bead) ขนาดเล็กกว่า 1 มิลลิเมตรอยู่ทั่วด้านบนของแผ่นซิลิกอนที่ถูกจุ่มอยู่ใต้น้ำโดยตั้งอยู่บน piezoelectric transducer โดยแผ่นจานจะถูกสั่นที่ความถี่ที่แตกต่างกันไป และเกิดคลื่นขึ้นบนน้ำ

(a) การออกแบบการทดลอง (b) และ (c) แรงต่างๆที่กระทำต่ออนุภาคในระหว่างการทดลอง
(ภาพจาก https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.122.184301)

คำถามที่สำคัญของงานวิจัยนี้คือ เกิดอะไรขึ้น เพื่อที่จะตอบคำถามนี้เราต้องย้อนกลับไปในต้น ศตวรรษที่ 19 ตอนนั้นไมเคิล ฟาราเดย์ได้พยายามอธิบายสิ่งที่แคลดนีค้นพบ โดยบอกว่าอนุภาคที่หนักกว่าจะถูกผลักไปจนกว่าจะถึงแนวเส้นบัพ (nodal line) จุดที่มีการสั่นน้อยที่สุด แต่จากการทดลองใหม่นั้น ด้วยการทดลองลงในตัวกลางที่เป็นของเหลว และด้วยขนาดที่เล็กกว่าระดับ 1 มิลลิเมตร ที่ซึ่งแรง acoustic radiation และ lateral effective weight มีอำนาจเหนือกว่าทำให้อนุภาคเคลื่อนที่ไปยังจุดปฎิบัพและสร้างเป็นรูปร่างที่แปลกตา 

(ภาพจาก https://www.sciencealert.com/mesmerising-experiment-shows-the-unexpected-reactions-of-vibrating-glass-beads-immersed-underwater)

โดยในการทดลองนี้ทราบถึงหลักการดังกล่าว จึงได้ทดลองเคลื่อนที่อนุภาคที่อยู่ด้านบนของจานที่อยู่ใต้น้ำ ให้เคลื่อนที่ไปยังทิศทางที่ต้องการผ่านเขาวงกต โดยการทดลองสามารถเคลื่อนที่อนุภาคได้สำเร็จโดยใช้พลังงานที่น้อยและสามารถใช้ความถี่บังคับในช่วงความถี่ที่กว้าง ซึ่งในหลายกระบวนการทางการวิจัยด้านเภสัชกรรมและการแพทย์มีความจำเป็นที่จะต้องใช้ความสามารถในการบังคับอนุภาคขนาดเล็กให้เคลื่อนที่ไปได้ตามที่ต้องการ ซึ่งงานวิจัยนี้อาจจะเป็นประโยชน์มากในอนาคตต่อไป ทำให้นักวิจัยมีหนทางเทคนิคใหม่ๆในการบังคับอนุภาคขนาดเล็กระดับต่ำกว่า 1 มิลลิเมตร

เรียบเรียงโดย

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

• [1] https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.122.184301
• [2] https://www.sciencealert.com/mesmerising-experiment-shows-the-unexpected-reactions-of-vibrating-glass-beads-immersed-underwater
• [3] https://www2.mtec.or.th/th/e-magazine/admin/upload/228_61-64-edit.pdf