Categories
อยากเล่า..เรื่องเรียน แบบว่า..อยากเล่า

เครื่องชั่ง กับความสงสัยเล็กๆ

ตามปกติที่เราๆรับรู้กันนั้น เครื่องชั่งน้ำหนักที่ใช้กันจะมีหน่วยที่อ่านได้เป็น “กิโลกรัม” ใช่ไหมครับ

ซึ่งก็ไม่เห็นจะมีอะไรน่าสงสัย และไม่มีอะไรที่น่าจะงุนงงเลยแม้แต่น้อย

ถ้าจะงงก็คงเป็นเพียงแต่ว่า ทำไมเช้าวันนี้น้ำหนักขึ้นอีกแล้ว ทั้งๆที่เมื่อวานอุตสาห์ไม่ยอมกินมื้อเย็นแล้วนะ

และถ้าจะงงเพิ่มไปอีกก็คือ ทำไมกินเพิ่มนิดเดียว แต่น้ำหนักถึงขึ้นอยู่ตลอด !!

ใช่ครับ นั่นคือความสงสัยแบบนึง แต่เด็กๆ เค้าจะสงสัยอีกแบบนึงครับ

ก็เพราะในวิชาวิทยาศาสตร์ที่น้องๆหนูๆเรียนอยู่ จะบอกว่าน้ำหนักไม่ได้มีหน่วยเป็น “กิโลกรัม” แต่มีหน่วยเป็น “นิวตัน” ต่างหาก หน่วยกิโลกรัมคือหน่วยของมวลไม่ใช่น้ำหนัก!!

“อ้าว ไงเป็นงั้นไปได้” พี่ๆ อาจนึกสงสัยขึ้นมาบ้าง

เพื่อให้หายงง ผมจะลองค่อยๆเล่าให้ฟังนะครับ…

โดยมาเริ่มต้นกันที่คำว่า “มวล (mass)” ก่อนนะครับ

มวลก็คือเนื้อจริงๆของสารนั้นๆ ซึ่งหากไม่มีอะไรมาทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง มวลของสสารนั้นๆ ไม่ว่าจะอยู่ที่ใดก็จะต้องคงที่อยู่เสมอครับพี่น้อง ซึ่งในทางวิทยาศาสตร์ มวลมีหน่วยเป็น “กิโลกรัม” นะครับ

ดังนั้น มวลของปากกาที่เราใช้อยู่จะคงที่เสมอ ไม่ว่าจะอยู่ที่บ้าน หรืออยู่ที่ยอดเขา หรืออยู่ที่ดวงจันทร์ หรือดาวอังคาร หรือที่ใดๆ ก็ตาม ทั้งนี้เพราะว่าถ้าเนื้อสารยังไม่มีการเปลี่ยนแปลง มวลก็ย่อมต้องคงที่เสมอครับ

ถัดมาก็คือคำว่า”น้ำหนัก (weight)”ครับ

ในทางวิทยาศาสตร์ น้ำหนักหมายถึงค่าของแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุนั้น เช่นตอนเราอยู่บนโลกน้ำหนักของเราก็คือค่าของแรงโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อตัวเรา (หรือกระทำต่อมวลของเรานั่นเอง) ส่วนตอนที่นักบินอวกาศที่ลอยเท้งเต้งอยู่ในอวกาศตามที่เราเห็นในหนังซีรีย์ต่างๆนั้น ก็เป็นเพราะนักบินคนนั้นอยู่ในที่ที่ไม่มีแรงโน้มถ่วง น้ำหนักของเค้าจึงเป็น 0 (ศูนย์) ไงครับ

หน่วยของน้ำหนักในทางวิทยาศาสตร์ มีหน่วยเป็นเช่นเดียวกับหน่วยของแรง ซึ่งก็คือหน่วยที่เรียกว่า “นิวตัน” ครับ

เช่นถ้าเรามีมวล 50 กิโลกรัม ในขณะที่แรงโน้มถ่วงของโลกมีค่าเท่ากับ 9.81 m/s2 น้ำหนักของเราก็จะเป็น 50 x 9.81 = 490.50 นิวตัน ครับ

หมายหด :  ในทางวิชาฟิสิกส์นั้น น้ำหนักสามารถคำนวณได้จากสูตรที่ว่า

          W = m x g

เมื่อ W คือน้ำหนัก มีหน่วยเป็น นิวตัน (N)  , m คือมวล มีหน่วยเป็น กิโลกรัม (kg) และ g คือค่าความเร่งที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงมีหน่วยเท่ากับ m/s2

และใช่แล้วครับ เนื่องจากน้ำหนักเปลี่ยนไปตามขนาดของแรงโน้มถ่วง ดังนั้นน้ำหนักของตัวเราจะเปลี่ยนแปลงได้หากเราอยู่ในสถานที่ที่แรงโน้มถ่วงเปลี่ยนแปลงไป เช่นน้ำหนักที่ชั่งที่กรุงเทพฯ ก็จะต่างกับน้ำหนักที่ยอดเขา จะต่างกับน้ำหนักที่ดวงจันทร์ และจะต่างกับน้ำหนักที่ดาวอังคารอย่งงี้เป็นต้นครับ

“อ้าว…ถ้าบอกว่าน้ำหนักมีหน่วยเป็นนิวตัน ทำไมเวลาเราชั่งน้ำหนักทำไมจึงมีหน่วยเป็นกิโลกรัม ทำไมไม่พูดว่าหนักกี่นิวตัน ??”

พี่ๆ บางท่านอาจนึกสงสัยอยู่ในใจ

ใช่แล้วครับ หากพ่อแม่พี่น้องจะงุนงงกับน้ำหนักในชีวิตจริงกับกับน้ำหนักในทางวิทยาศาสตร์นั้น ก็ไม่ใช่เรื่องแปลกอะไรเลยครับ เพราะไม่ใช่เพียงแค่เราเท่านั้น

แต่ผู้คนส่วนใหญ่ก็งงกันไม่แพ้กับเราเลยครับ

เรามาเริ่มกันแบบง่ายๆตรงนี้นะครับว่า…

เมือเราขึ้นชั่งน้ำหนักบนเครื่องชั่งนั้น จริงๆแล้วเครื่องชั่งควรแสดงหน่วยออกมาเป็นนิวตัน แต่มีการตั้งค่าสปริงในเครื่องชั่งให้มีการหักชดเชยค่าแรงโน้มถ่วงของโลกออกไป แล้วแสดงค่าน้ำหนักของเราซึ่งมีหน่วยเป็นกิโลกรัมครับ หรือจะพูดกันง่ายๆ ที่เราชั่งๆกันอยู่นั้น ก็คือการชั่ง “มวล” ของเราครับ

ดังนั้น ในชีวิตประจำวันถ้าจะพูดว่าน้ำหนักกับมวลดูเหมือนจะเป็นสิ่งเดียวกันก็คงไม่ผิดหรอกครับ แต่ในทางวิทยาศาสตร์นั้นจะพูดแบบนี้ไม่ได้โดยเด็ดขาดนะครับ

“อืม ม ม เพราะเครื่องชั่งที่เราใช้กันอยู่มีการหักชดเชยแรงโน้มถ่วงของโลกเอาไว้นั่นเอง ถ้างั้นเราถ้าเราเอาเครื่องอันนี้ไปชั่งน้ำหนักของเราที่ดวงจันทร์ น้ำหนักที่อ่านได้ก็จะต้องไม่เหมือนเดิมอย่างแน่นอน เพราะแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์จะต่ำกว่าโลกตั้งเยอะแยะ”

ใช่แล้วครับสิ่งที่พี่คิดนั้น ได้แสดงถึงความฉลาดไม่เบาเลยนะครับ ขอบอก

ด้วยความที่เครื่องชั่งออกแบบมาเพื่อใช้บนโลก ถ้านำเครื่องชั่งเครื่องนี้ไปชั่งบนดาวดวงอื่นที่มีแรงโน้มถ่วงไม่เท่ากับโลกก็ย่อมแสดงค่าน้ำหนักไม่ตรงกับบนโลกอย่างแน่นอนครับ

หากจะพูดกันง่ายๆ สปริงที่ออกแบบใช้กันในโลกจะมีความแข็งในระดับที่หักค่าแรงโน้มถ่วงของโลกออกไปได้พอดิบพอดีแล้ว ดังนั้นถ้าไปชั่งที่ดาวดวงนั้นมีแรงโน้มถ่วงน้อยกว่าโลก สปริงในเครื่องชั่งนั้นก็จะแข็งเกินกว่าแรงโน้มถ่วงของดาวนั้น น้ำหนักที่ชั่งได้จึงน้อยกว่าที่ชั่งได้บนโลกนั่นไงครับ

“แสดงว่าเครื่องชั่งที่ใช้กันอยู่ จะแสดงค่ามวลที่ถูกต้องเฉพาะบนโลกเท่านั้น”

ใช่ครับ จะสรุปอย่างนั้นก็ไม่ผิดแต่อย่างใด แต่เราอาจวงเล็บเพิ่มเติมไว้อีกนิดนึงก็จะดีมากเลยนะครับว่า ถ้าเราชั่งอยู่ที่ยอดเขากับในหุบเหว น้ำหนักที่อ่านได้ก็อาจจะแตกต่างกันเล็กน้อยนะครับ นั้นนี้เนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกในแต่ละจุดนั้น จะมีค่าแตกต่างกันเล็กน้อยครับ

หากเราจะลองคำนวณน้ำหนักเมื่อชั่งในที่ต่างๆกัน ว่าจะหนักเท่าไรบ้างก็ไม่ใช่เรื่องยากเย็นอะไรเลยครับ

เพราะเราได้ทราบกันแล้วว่า สปริงที่อยู่ในเครื่องชั่งออกแบบมาเพื่อชดเชยกับแรงโน้มถ่วงของโลกเท่านั้น ดังนั้นเมื่อเรานำไปชั่งบนดาวดวงอื่น เช่นดวงจันทร์ที่มีแรงโน้มถ่วงเท่ากับ 0.166 เท่าของโลก (หรืออาจพูดได้ว่าโลกมีแรงโน้มถ่วงมากกว่าดวงจันทร์ 6 เท่า) ดังนั้น น้ำหนักของเราที่ชั่งได้บนดวงจันทร์จึงต้องหายไปเหลือ 1/6 กิโลกรัม เมื่อเทียบกับการชั่งบนโลก

เช่น ถ้าเราชั่งบนโลกได้ 60 กิโลกรัม น้ำหนักของเราบนดวงจันทร์(ที่ชั่งบนเครื่องชั่งเดิม)จะเท่ากับ 60/6 = 10 กิโลกรัมเท่านั้นครับพี่น้อง

หากอธิบายโดยใช้การคำนวนทางฟิสิกส์ อาจพูดได้ว่า…

     เมื่อ W บนโลก = m x g

หากแรงโน้มถ่วงบนดวงจันทร์มีค่า 1/6 เท่าของโลก

          W บนดวงจันทร์ = m x (g x 1/6) 

ซึ่งก็คือ W บนดวงจันทร์ = Wบนโลก/6 นั่นเอง

เมื่อเป็นอย่างนี้ หากเราคิดจะไปค้าขายผลไม้ให้นักบินอวกาศกินที่ดวงจันทร์ เราต้องระมัดระวังให้มากเลยนะครับ เพราะมะม่วง 1 กิโลกรัมที่เราชั่งขายให้ลูกค้าอยู่บนโลกนั้น ถ้าเอาไปชั่งที่ดวงจันทร์โดยเอาเครื่องชั่งคู่ทุกข์คู่ยากติดไปใช้ด้วย จะชั่งได้เพียง 1.6 ขีดเท่านั้นนะครับ ดังนั้นจึงขาดทุนอย่างแน่นอนเลยครับ ขอบอก

ถ้าอย่างนั้น เราจะทำอย่างไรถึงจะไม่ขาดทุนครับพี่น้องงงง…

ใส่ความเห็น

อีเมลของคุณจะไม่แสดงให้คนอื่นเห็น ช่องข้อมูลจำเป็นถูกทำเครื่องหมาย *