ทำไมทะเลจึงมีคลื่น...คำถามจากเด็กอนุบาล

ทำไมทะเลจึงมีคลื่น...คำถามจากเด็กอนุบาล

โดย ประสาท มีแต้ม

   คลื่น หมายถึง ลักษณะของการถูกรบกวน ที่มีการแผ่กระจาย เคลื่อนที่ออกไป ในลักษณะของการกวัดแกว่ง หรือกระเพื่อม และมักจะมีการส่งถ่ายพลังงานไปด้วย คลื่นเชิงกลซึ่งเกิดขึ้นในตัวกลาง (ซึ่งเมื่อมีการปรับเปลี่ยนรูป จะมีความแรงยืดหยุ่นในการดีดตัวกลับ) จะเดินทางและส่งผ่านพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในตัวกลาง โดยไม่ทำให้เกิดการเคลื่อนตำแหน่งอย่างถาวรของอนุภาคตัวกลาง คือไม่มีการส่งถ่ายอนุภาคนั่นเอง แต่จะมีการเคลื่อนที่แกว่งกวัด (oscillation) ไปกลับของอนุภาค อย่างไรก็ตามสำหรับ การแผ่รังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และ การแผ่รังสีแรงดึงดูด นั้นสามารถเดินทางในสุญญากาศได้ โดยไม่ต้องมีตัวกลาง

   

ลักษณะของคลื่นนั้น จะระบุจาก สันคลื่น หรือ ยอดคลื่น (ส่วนที่มีค่าสูงขึ้น) และ ท้องคลื่น (ส่วนที่มีค่าต่ำลง) ในลักษณะ ตั้งฉากกับทิศทางเดินคลื่น เรียก "คลื่นตามขวาง" (transverse wave) หรือ ขนานกับทิศทางเดินคลื่น เรียก "คลื่นตามยาว" (longitudinal wave)

                                         ภาพจาก Internet

ผมมีเหตุผลสองสามข้อในการนำเสนอบทความชิ้นนี้ คือ

       
       (1) ช่วงนี้มีข่าวเรื่องทะเลมีคลื่นสูงมากและมีผลกระทบรุนแรงต่อชุมชนชายฝั่ง ดังภาพข้างบนนี้ (2) เมื่อประมาณยี่สิบปีก่อนเด็กอนุบาลคนหนึ่งซึ่งเคยตั้งคำถามว่า “ทำไมทะเลจึงมีคลื่นและลมพัดไปไหน?” และ (3) ตอนที่เกิดสึนามิในประเทศไทย เมื่อน้ำทะเลลดหายไปอย่างรวดเร็วในขณะที่คนจำนวนมากวิ่งกรูกันไปจับปลา แต่เด็กผู้หญิงตัวน้อยชาวต่างชาติคนหนึ่งได้ตะโกนว่าสึนามิ ปรากฏว่าความรู้ที่เธอได้มาจากโรงเรียนทำให้หลายคนได้รอดชีวิต
       
       ปัจจุบันโลกของเรากำลังประสบกับ “สภาพภูมิอากาศเปลี่ยนแปลง” อย่างรุนแรงมากขึ้น ดังนั้นเราควรจะมีความรู้ที่เกี่ยวกับธรรมชาติไว้บ้าง เช่นเดียวกับเด็กๆ ในบางประเทศ อย่างน้อยก็เพื่อความเข้าใจและไม่หลงเชื่ออะไรง่ายๆ
       
       อ้อ! เด็กอนุบาลที่ตั้งคำถามอย่างแหลมคมเกินวัยคนนี้เธอติดตามพ่อแม่ไปเรียนอนุบาลที่ต่างประเทศ ปัจจุบันเธอจบแพทย์ในเมืองไทยเรียบร้อยไปแล้วครับ ภาพคลื่นกระแทกฝั่งข้างบนนี้ถ่ายจากบ้านหน้าศาล อำเภอหัวไทร จังหวัดนครศรีธรรมราช โดยเพื่อนเฟซบุ๊กของผม-ขอขอบคุณด้วยครับ
       
       ก่อนที่จะตอบคำถามว่า ทำไมทะเลจึงมีคลื่น ผมขอกล่าวถึงหลักการพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ที่เชื่อว่าท่านผู้อ่านส่วนใหญ่ทราบอยู่แล้ว แต่อาจจะขาดการเชื่อมโยงและขาดการตั้งคำถามที่ชวนให้คิดเท่านั้นเอง รับประกันว่าไม่ยากครับ โปรดอย่าเลิกอ่านเสียก่อนนะครับ เผื่อว่าเมื่อลูกหลานถามจะได้มีคำตอบให้พวกเขา
       
       หลักการในวิชาวิทยาศาสตร์ที่ว่านี้คือ “หลักการอนุรักษ์พลังงาน” กล่าวว่า ถ้าวัตถุที่เป็นของแข็งเคลื่อนที่จากสองจุดใดๆ จะได้ว่า ผลรวมของพลังงานจลน์ (ที่ขึ้นอยู่กับความเร็วของวัตถุ) กับพลังงานศักย์ (ที่ขึ้นอยู่กับความสูง) ที่จุดทั้งสองของวัตถุนั้นต้องมีค่าเท่ากัน
       
       ลูกมะพร้าวที่อยู่บนต้นมีพลังงานจลน์เป็นศูนย์เพราะไม่มีความเร็ว แต่มีพลังงานศักย์ ถ้าลูกมะพร้าวนี้หล่นลงมาก็จะเกิดความเร็ว นั่นเพราะพลังงานศักย์ถูกเปลี่ยนมาเป็นพลังงานจลน์ ในขณะที่ยังหล่นไม่ถึงพื้น ผลรวมของพลังงานทั้งสองชนิดนี้ที่ตำแหน่งใดๆ ย่อมเท่ากันเสมอ แต่เมื่อหล่นลงถึงพื้นแล้วทั้งพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ก็หมดไปเพราะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานที่กระแทกกับพื้นดินและพลังงานเสียงแทน แต่สรุปพลังงานไม่ได้หายไปไหน

                                          ภาพจาก Internet 
       
       เราสามารถใช้หลักการอนุรักษ์พลังงานนี้มาอธิบายการเกิดคลื่นที่เห็นในรูปที่บ้านหน้าศาลได้ ก่อนที่คลื่นจะมาปะทะกับกำแพง น้ำมีพลังงานจลน์ในระดับหนึ่ง แต่ครั้นที่มาปะทะกับกำแพง น้ำก็เคลื่อนที่ต่อไปไม่ได้ แต่ด้วยหลักการที่ว่าพลังงานไม่สูญหายไปไหน พลังงานจลน์จึงถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานศักย์ น้ำทะเลจึงถูกยกตัวสูงขึ้นดังที่เห็นในภาพ แต่จะสูงขึ้นไปเท่าใดนั้น ผมไม่อยากคำนวณให้ท่านสับสน
       
       มาที่คำถามว่า “ทำไมทะเลจึงมีคลื่น” คราวนี้สมการอนุรักษ์พลังงานที่กล่าวมาแล้วไม่มีความละเอียดเพียงพอที่จะอธิบายสิ่งที่มีความละเอียดอ่อนมากกว่าสสารที่เป็นของแข็ง ในกรณีที่สสารเป็นของไหล (คืออากาศและน้ำ) หลักการอนุรักษ์พลังงานที่กล่าวมาแล้วต้องเปลี่ยนไปเล็กน้อย คือต้องมีพจน์ที่สาม (นอกจากพลังงานศักย์และพลังงานจลน์) คือความดันของอากาศ
       
        สมการที่แทนหลักการอนุรักษ์พลังงานจึงถูกปรับมาเป็น “สมการแบร์นูลลี” ดังในภาพล่างทางซ้ายมือ สมการนี้กล่าวอย่างง่ายๆ ว่า “ผลรวมของสามพจน์คือ ความดันบรรยากาศเหนือผิวน้ำ พลังงานจลน์ในหนึ่งหน่วยปริมาตรของน้ำที่ถูกลมพัดให้เคลื่อนที่ และพลังงานศักย์ในหนึ่งหน่วยปริมาตรที่จุดใดจุดหนึ่งย่อมมีค่าคงตัว” (ดูสมการในภาพประกอบ) 
       
        เมื่อสามพจน์ของของเหลวใดๆ รวมกันแล้วมีค่าเท่ากับค่าคงตัว นั่นแสดงว่าเมื่อพจน์ใดมีค่าลดลงผลรวมของอีกสองพจน์ที่เหลือจึงต้องมีค่าเพิ่มขึ้น เพื่อให้ผลรวมของทั้งสามพจน์มีค่าคงตัว (หรือเท่าเดิม)
     
        โปรดพิจารณาภาพข้างล่างนี้ประกอบครับ

เมื่อลมพัดผ่านผิวน้ำด้วยความเร็วลมไม่ได้คงที่ การแปรผันของความเร็วลมส่งผลให้ความดันอากาศบนผิวน้ำเปลี่ยนไป เนื่องจากพจน์หนึ่งเปลี่ยนไป ย่อมส่งผลให้อีกสองพจน์ที่เหลือเปลี่ยนไปด้วย นั่นคือพลังงานจลน์และพลังงานศักย์มีการเปลี่ยนแปลง ถ้าความดันอากาศต่ำ ย่อมส่งผลให้ความเร็วของน้ำ (ที่เกิดจากลมพัด) สูงขึ้น ในทางกลับกันถ้าความดันอากาศสูงความเร็วของน้ำก็ลดลง นอกจากนี้ ในขณะที่น้ำถูกยกตัวให้สูงขึ้น (เพราะความกดอากาศต่ำ) กระแสลมก็จะพัดเสริมให้ระดับผิวน้ำสูงขึ้นไปอีก ผิวของน้ำทะเลจึงมีลักษณะเป็นคลื่น ดังภาพประกอบ
       
        ยังมีอีกสองคำถามคือ ลมพัดจากบริเวณที่มีความกดอากาศสูง (หรือมีมวลอากาศมากกว่าเพราะอุณหภูมิของอากาศต่ำ) ไปยังบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำกว่า คำถามสุดท้าย ทำไมในช่วงมรสุมระดับทะเลจึงสูง เรื่องนี้สามารถทำการทดลองได้ง่ายๆ คือลองเทน้ำลงในจานรองถ้วยกาแฟ แล้วลองใช้ปากเป่าลมให้ขนานกับระดับน้ำในจานดู เราจะพบว่าระดับน้ำที่อยู่ปลายลมจะถูกยกให้สูงขึ้น ในขณะที่น้ำด้านที่อยู่ใกล้ปากจะต่ำลง
       
        ในช่วงฤดูมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือ ลมจะพัดเข้าหาชายฝั่งอ่าวไทย ทำให้ระดับน้ำ (คนละอย่างกับคลื่น) ในอ่าวไทยสูงขึ้นกว่าเดิม บางพื้นที่อาจจะสูงได้ถึง 50 ซม.ขึ้นอยู่กับความเร็วลมและลักษณะของพื้นที่ มีผู้พบข้อมูลว่าระดับน้ำฝั่งซ้ายกับฝั่งขวาของทะเลสาบสงขลาสูงต่างกันถึง 20 ซม.
       
        พื้นที่กระดาษหมดแล้ว หวังว่าคงไม่ทำให้ท่านสับสนมากขึ้นนะครับ อย่างน้อยก็เป็นการชวนกันคิดจากเด็กอนุบาล

เมื่อลมพัดผ่านผิวน้ำด้วยความเร็วลมไม่ได้คงที่ การแปรผันของความเร็วลมส่งผลให้ความดันอากาศบนผิวน้ำเปลี่ยนไป เนื่องจากพจน์หนึ่งเปลี่ยนไป ย่อมส่งผลให้อีกสองพจน์ที่เหลือเปลี่ยนไปด้วย นั่นคือพลังงานจลน์และพลังงานศักย์มีการเปลี่ยนแปลง ถ้าความดันอากาศต่ำ ย่อมส่งผลให้ความเร็วของน้ำ (ที่เกิดจากลมพัด) สูงขึ้น ในทางกลับกันถ้าความดันอากาศสูงความเร็วของน้ำก็ลดลง นอกจากนี้ ในขณะที่น้ำถูกยกตัวให้สูงขึ้น (เพราะความกดอากาศต่ำ) กระแสลมก็จะพัดเสริมให้ระดับผิวน้ำสูงขึ้นไปอีก ผิวของน้ำทะเลจึงมีลักษณะเป็นคลื่น ดังภาพประกอบ

       
        ยังมีอีกสองคำถามคือ ลมพัดจากบริเวณที่มีความกดอากาศสูง (หรือมีมวลอากาศมากกว่าเพราะอุณหภูมิของอากาศต่ำ) ไปยังบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำกว่า คำถามสุดท้าย ทำไมในช่วงมรสุมระดับทะเลจึงสูง เรื่องนี้สามารถทำการทดลองได้ง่ายๆ คือลองเทน้ำลงในจานรองถ้วยกาแฟ แล้วลองใช้ปากเป่าลมให้ขนานกับระดับน้ำในจานดู เราจะพบว่าระดับน้ำที่อยู่ปลายลมจะถูกยกให้สูงขึ้น ในขณะที่น้ำด้านที่อยู่ใกล้ปากจะต่ำลง
       
        ในช่วงฤดูมรสุมตะวันออกเฉียงเหนือ ลมจะพัดเข้าหาชายฝั่งอ่าวไทย ทำให้ระดับน้ำ (คนละอย่างกับคลื่น) ในอ่าวไทยสูงขึ้นกว่าเดิม บางพื้นที่อาจจะสูงได้ถึง 50 ซม.ขึ้นอยู่กับความเร็วลมและลักษณะของพื้นที่ มีผู้พบข้อมูลว่าระดับน้ำฝั่งซ้ายกับฝั่งขวาของทะเลสาบสงขลาสูงต่างกันถึง 20 ซม.
       
        พื้นที่กระดาษหมดแล้ว หวังว่าคงไม่ทำให้ท่านสับสนมากขึ้นนะครับ อย่างน้อยก็เป็นการชวนกันคิดจากเด็กอนุบาล...

ขอขอบคุณที่มาของภาพและบทความ:

www.manager.co.th