ฟิสิกส์เบื้องหลัง SpillNot อุปกรณ์ป้องกันการหกของแก้วเครื่องดื่ม

            หลายคนเวลาไปเรียนหรือไปทำงานชอบพกแก้วเครื่องดื่มไปทานด้วย อะไรจะมีความสุขยิ่งกว่านั่งฝึกทำโจทย์ฟิสิกส์ คณิตศาสตร์พร้อมทั้งจิบกาแฟ Americano ร้อนๆจากแก้วไปด้วย แต่เราต้องคอยระวังให้ดีเวลาเดินถือแก้วกาแฟถ้าไม่ระวังมันอาจหกรดมือเราหรือหกเปื้อนได้ จะดีกว่าไหมถ้าเราสามารถประดิษฐ์อุปกรณ์สักอย่างทำให้กาแฟไม่มีวันหกเวลาที่เราถือเดิน ซึ่งความฝันนี้ก็เป็นจริงแล้วมันคืออุปกรณ์ที่เรียกว่า SpillNot สิ่งประดิษฐ์ยุคใหม่ที่จะช่วยให้การเดินถือแก้วกาแฟของคุณนั้นไม่หกอีกต่อไป เราจะใช้ความรู้ทางฟิสิกส์มาดูเหตุผลเบื้องหลังอุปกรณ์มหัศจรรย์นี้กัน
            Fernando Tornaría และคณะ ได้ตีพิมพ์บทความวิจัยเรื่อง “Understanding coffee spills using a smartphone” ลงในวารสาร The Physics Teacher เมื่อวันที่ 3 พฤศจิกายน ค.ศ. 2014 ใช้สมาทโฟนและความรู้ทางฟิสิกส์เพื่ออธิบายว่า SpillNot สามารถป้องกันการหกของแก้วบรรจุเครื่องดื่มได้อย่างไร ปัญหาการหกกระฉอกดูเหมือนเป็นปัญหาเล็กน้อย แต่แท้จริงแล้วการอธิบายเรื่องนี้ค่อนข้างที่จะซับซ้อน มันเกี่ยวข้องกับเรื่องของกลศาสตร์ของไหล ผิวหน้าของของไหล อันตรกิริยาระหว่างแก้วและของไหล เมื่อกาแฟในแก้วหกกระฉอกออกจากแก้ว มันเกิดจากแก้วเกิดความเร่งในแนวนอน และของไหลในแก้วที่มีความหนืดน้อยเคลื่อนที่ตามไม่ทัน ถูกทิ้งไว้ที่ด้านปลายแก้วด้านหนึ่งแล้วไต่ขึ้นบนผนังแก้วทำให้หกออกมา หรือเกิดจากเมื่อผู้ถือแก้วเดินอยู่แล้วหยุดเดินกะทันหันทำให้เกิดความเร่งที่เป็นลบ (deceleration) ของไหลในแก้วยังคงเคลื่อนที่ต่อไปทำให้หกออกจากแก้ว 


          SpillNot เป็นอุปกรณ์ที่ที่ใช้วางแก้วหรือภาชนะต่างๆถูกออกแบบมาเพื่อให้เกิดการหกกระฉอกของของไหลในแก้วเกิดขึ้นได้ยาก ทำมาจากพลาสติดรูปโค้งที่มีฐานด้านล่างไว้ว่างแก้วหรือภาชนะอื่นๆออกแบบฐานให้ป้องการการลื่นไหลและด้านบนทำจากสิ่งทอเอาไว้สวมนิ้วหรือมือสวมเข้าไปเพื่อถือเวลาเดินทาง เมื่อเราลองวางแก้วที่บรรจุกาแฟร้อนวางลงใน SpillNot ลองเดินเร็วๆ หรือหมุนควงเป็นวงกลมทั้งในแนวนอนและแนวตั้งจากพื้นจะพบว่าไม่มีการหกของกาแฟเลย            Fernando Tornaría และคณะทดลองโดยเปลี่ยนจากแก้วกาแฟเป็นการวางสมาทโฟนที่มีเซนเซอร์การตรวจจับความเร่งวางลงใน SpillNot และมองระบบเป็นแบบจำลองอย่างง่ายของเพนดูลัม มีมุม θ คือมุมที่กระทำกับแนวนอน โดยจะได้องค์ประกอบของความเร่งในทิศทางแนวตั้งคือ
 
และจะได้องค์ประกอบของความเร่งในทิศทางแนวนอนคือ

โดยที่ a_x,a_y คือองค์ประกอบของความเร่งในทิศทางแนวนอนและแนวตั้งตามลำดับ ถ้าเราไม่ต้องการให้ของไหลในแก้วหก มุมของ SpillNot เทียบกับแนวตั้งจำเป็นจะต้องมีค่าเดียวกันกับมุมของของไหลเทียบกับแนวนอน ถ้าความเร่งนั้นค่อนข้างที่จะหรือตั้งฉากกับฐาน ของไหลในแก้วนั้นจะค่อนข้างหรือขนานกับฐาน และนี่คือความลับของอุปกรณ์นี้ที่ทำให้น้ำไม่หก ประเด็นสำคัญสามารถสรุปได้คือความเร่งในแนวรัศมี (radial acceleration)จะต้องมีค่ามากกว่าความเร่งในแนวขนานเส้นสัมผัส  (tangential acceleration) ซึ่งในการทดลองนี้ใช้สมาทโฟนไปวางใน SpillNot แทนแก้วแล้ววัดค่าความเร่งระหว่างการแกว่ง พบว่าความเร่งในแนวรัศมีมีค่ามากกว่าความเร่งในแนวขนานเส้นสัมผัสตามที่คาดไว้จริง
 

          ไม่รู้ว่าอุปกรณ์นี้มีขายในเมืองไทยหรือเปล่า แต่ถ้าจะลองทำเป็นสิ่งประดิษฐ์สำหรับนักเรียน นักศึกษาเพื่อทดลองทางฟิสิกส์ก็อาจจะเป็นทางเลือกที่น่าสนใจ สำหรับผู้ที่สนใจเพิ่มเติมสามารถลองดูวิดีโอได้ที่ https://www.youtube.com/watch?v=Atg3382eLMU&feature=emb_logo&ab_channel=ScientificsDirect

 

อ้างอิง

• Tornaría, F., Monteiro, M., & Marti, A. C. (2014). Understanding coffee spills using a smartphone. The Physics Teacher, 52(8), 502-503.
• https://www.scientificsonline.com/product/spill-not
• https://www.arborsci.com/blogs/cool/spillnot-the-physics-behind-the-slosh