การใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino เพื่อศึกษาความดันอุทกสถิต (hydrostatic pressure)
04-05-2020 อ่าน 4,252
ในปัจจุบันเทคโนโลยีก้าวหน้าไปมาก เรามีของเล่น เครื่องมือ อุปกรณ์มากมายที่สามารถนำมาใช้ทดลองทางวิทยาศาสตร์ Arduino คือไมโครคอนโทรลเลอร์ (ส่วน Raspberry Pi อุปกรณ์ที่คล้ายๆกันนั้นจัดเป็น Single-board computer) ที่มีความสามารถมากมาย ถูกออกแบบให้ใช้งานง่าย เหมาะสำหรับนักเรียน นักศึกษาหรือผู้สนใจ สามารถเขียนโปรแกรมใส่ลงไปและเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ได้ สามารถเชื่อมต่อกับอุปกรณ์รับเข้าและส่งออกได้หลากหลายทำให้มันกลายเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความสามารถหลากหลาย
L. M. Ramos และคณะได้ตีพิมพ์งานวิจัยชื่อ “An experiment to observe Stevin’s law with an Arduino” ลงในวารสาร Physics Education ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 12 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 2020 เพื่อศึกษาและยืนยันกฎของสตีวิน โดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino
แผนผังวงจรไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino ที่ใช้ในการทดลอง
เครดิต Ramos, L. M., Rodrigues, F. B., Reis, C. R. N., Bozano, D. F., Reis, D. D., & Goncalves, A. M. B. (2020). An experiment to observe Stevin’s law with an Arduino. Physics Education, 55(3), 033004.
ความดันอุทกสถิต (hydrostatic pressure) เป็นการศึกษาความดันในของไหลขณะที่หยุดนิ่ง ของไหลนี้หมายถึงสสารที่อยู่ในสถานะของของเหลวและแก๊ส โดยความดันของของไหลจะมีทิศที่ตั้งฉากกับผิวสัมผัสที่เรากำลังพิจารณาเสมอ โดยนักวิทยาศาสตร์พบว่า ความดัน ณ ที่จุดใดๆในของไหลขณะที่หยุดนิ่งจะขึ้นอยู่กับตัวแปรเดียวคือความลึกของจุดนั้น ไม่ได้ขึ้นอยู่กับลักษณะของภาชนะที่บรรจุของไหลหรือความกว้างของภาชนะที่บรรจุของไหล กฎนี้เราเรียกว่ากฎของสตีวิน (Stevin’s law) เช่นใต้ทะเล ความดันจะเพิ่มขึ้นแปรผันตรงกับความลึก เป็นต้นเครดิต Ramos, L. M., Rodrigues, F. B., Reis, C. R. N., Bozano, D. F., Reis, D. D., & Goncalves, A. M. B. (2020). An experiment to observe Stevin’s law with an Arduino. Physics Education, 55(3), 033004.
โดยเราสามารถเขียนสมการกฎของสตีวินได้เป็น
ตัวอย่างการทดลองศึกษากฎของสตีวินด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino
เครดิต Ramos, L. M., Rodrigues, F. B., Reis, C. R. N., Bozano, D. F., Reis, D. D., & Goncalves, A. M. B. (2020). An experiment to observe Stevin’s law with an Arduino. Physics Education, 55(3), 033004.
งานวิจัยนี้เป็นการทดลอง ศึกษาความดันอุทกสถิต กฎของสตีวินโดยใช้ Arduino การทดลองเริ่มต้นด้วยมีท่อทรงกระบอกแนวตั้งสำหรับเอาไว้ใส่น้ำ โดยมีเซนเซอร์วัดความดัน MPX5010DP วัดแรงดันที่บริเวณด้านล่างของท่อทรงกระบอก โดยเซนเซอร์วัดความดัน MPX5010DP นั้นเป็นเซนเซอร์ที่วัดผลต่างของความดันเทียบกับความดันบรรยากาศ โดยสัญญาณอะนาลอกและความดันมีความสัมพันธ์กันคือเครดิต Ramos, L. M., Rodrigues, F. B., Reis, C. R. N., Bozano, D. F., Reis, D. D., & Goncalves, A. M. B. (2020). An experiment to observe Stevin’s law with an Arduino. Physics Education, 55(3), 033004.
ผลการทดลองกราฟความดันสัมพัทธ์เป็นฟังก์ชันของความลึกในน้ำ
เครดิต Ramos, L. M., Rodrigues, F. B., Reis, C. R. N., Bozano, D. F., Reis, D. D., & Goncalves, A. M. B. (2020). An experiment to observe Stevin’s law with an Arduino. Physics Education, 55(3), 033004.
ผลการทดลองพบว่าเมื่อพลอตกราฟความดันสัมพัทธ์เป็นฟังก์ชันของความลึกในน้ำ ได้กราฟมีลักษณะเป็นเส้นตรง โดยใช้ความดันสัมพัทธ์จากนิยาม ∆P=P-P0 เมื่อไม่มีน้ำในทรงกระบอก ความดันสัมพัทธ์จะมีค่าเป็น 0 กราฟที่ได้มีความชันคือ (10.3±0.2) kPa m-1 เมื่อพิจารณาจากความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง g=(9.8±0.1)m s-2 จะสามารถคำนวณหาความหนาแน่นของน้ำจาก ρ = (1.05 ± 0.02)g cm−2 เป็น ρ = (1.05 ± 0.02)g cm−3 การทดลองนี้ช่วยพิสูจน์ยืนยันกฎของสตีวินโดยการใช้ Arduino ที่ติดตั้งเซนเซอร์ต่างๆ
งานวิจัยนี้สนุกและไม่ยากจนเกินไปนัก เมื่อลองคำนวณค่าใช้จ่ายของอุปกรณ์ต่างๆก็มีราคาถูก เหมาะสำหรับนักเรียนที่กำลังศึกษาเรื่องความดันอุทกสถิตและสนใจเรื่องวงจรอิเล็กทรอนิกส์ สิ่งที่ท้าท้ายคือการต่อวงจร การเขียนโค้ดโปรแกรม ซึ่งจะช่วยฝึกทักษะด้านการทดลองปฏิบัติติ ในการทดลองจริงอาจจะติดอุปสรรคปัญหาบ้าง แต่นี่ก็คือเสน่ห์ของการทดลองทางวิทยาศาสตร์ คุณครูหรืออาจารย์ที่สนใจสามารถนำงานวิจัยนี้ไปออกแบบเป็นการทดลองในห้องเรียนได้
เรียบเรียงโดย
ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ
อ้างอิง
- Ramos, L. M., Rodrigues, F. B., Reis, C. R. N., Bozano, D. F., Reis, D. D., & Goncalves, A. M. B. (2020). An experiment to observe Stevin’s law with an Arduino. Physics Education, 55(3), 033004.
- Pisano, A. (2017). Toothpaste, sea deeps, and invasive pressure monitoring: Stevin’s law and Pascal’s principle. In Physics for Anesthesiologists (pp. 65-73). Springer, Cham.
บทความฟิสิกส์ล่าสุด
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 2
29-02-2024
หอสังเกตการณ์นิวทริโนไอซ์คิวบ์ ตอนที่ 1
09-02-2024
