รายงานการไปอบรมการทำจรวดน้ำ
การเรียนรู้วิทยาศาสตร์ผ่านกิจกรรมจรวดขวดน้ำ
จรวดน้ำ เป็นกิจกรรมหนึ่งที่จัดทำขึ้นเพื่อให้นักเรียนได้เรียนรู้กระบวนทางวิทยาศาสตร์และทักษะทางวิทยาศาสตร์ ตลอดจนสามารถสร้างความตระหนักเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ให้กับนักเรียนได้อีกวิธีหนึ่งโดยผ่านการลงมือปฏิบัติจริง
วิทยาศาสตร์แห่งจรวดน้ำ
เราจะอธิบายการพุ่งขึ้นของจรวดขวดน้ำด้วยทฤษฎีทางวิทยาศาสตร์อย่างไร หลายคนคงเคยเห็นว่า จรวดขวดน้ำพุ่งขึ้นไปในอากาศได้ แต่น้อยคนนักที่จะรู้ว่าเพราะเหตุใด มันจึงพุ่งขึ้นไปได้ ทั้งๆ ที่มันไม่มีเครื่องยนต์ หรือมีการจุดระเบิดของเชื้อเพลิงแต่อย่างใด เราสามารถอธิบายการพุ่งขึ้นไปของจรวดขวดน้ำได้ด้วยกฏการเคลื่อนที่ของนิวตัน ซึ่งคิดขึ้นโดยท่าน เซอร์ ไอแซค นิวตัน นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ
กฎข้อที่ 1 เรียกว่า "กฎของความเฉื่อย" กล่าวคือ วัตถุที่ไม่มีแรงภายนอกมากระทำ จะรักษาสภาพการเคลื่อนที่ของมันไว้ โดยเคลื่อนที่ไปทิศทางเดิม ด้วยความเร็วเท่าเดิม เช่น ถ้าลูกบอลที่วางอยู่ไม่มีใครมาเตะ มันก็จะยังอยู่นิ่งๆ อย่างนั้น หรือถ้าลูกบอลที่กำลังกลิ้งอยู่บนพื้นที่เรียบและลื่น (มีแรงเสียดทานน้อยมาก) มันก็จะกลิ้งไปข้างหน้าด้วยความเร็วที่คงที่
กฎข้อที่ 2 กล่าวว่า เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำกับวัตถุ จะทำให้มันเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง หรือมีการเปลี่ยนแปลงความเร็ว ซึ่งมีขนาดมาก หรือน้อยขึ้นอยู่กับแรงที่มากระทำ ดังสมการ F = ma โดยที่ F คือ ขนาดของแรงภายนอกที่มากระทำต่อวัตถุ m คือ มวลของวัตถุ a คือ ความเร่งของวัตถุเนื่องจากแรงภายนอกที่มากระทำ เช่น ลูกบอลที่วางอยู่นิ่งๆ เมื่อมีคนมาเตะ (มีแรงภายนอกมากระทำ) มันก็จะมีการเปลี่ยนแปลงความเร็ว หรือเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง โดยถ้ามันถูกเตะออกออกไปด้วยแรงที่มาก มันก็จะเคลื่อนที่ด้วยความเร่งมากเช่นกัน
กฎข้อที่ 3 แรงกริยาเท่ากับแรงปฏิกิริยายา แต่มีทิศทางตรงข้าม กล่าวว่า ถ้าวัตถุ A ให้แรงจำนวนหนึ่งแก่วัตถุ B วัตถุ B ก็ให้แรงจำนวนที่เท่ากันกับที่ได้รับมาส่งกลับให้วัตถุ A เช่น การที่เราออกแรงเตะไปที่ลูกบอล (แรงกริยา) ลูกบอลก็จะออกแรงเตะมาที่เท้าของเราเช่นกัน (แรงปฏิกิริยา) ซึ่งทำให้เราเจ็บเท้าได้ เราจำเป็นต้องสวมรองเท้าเพื่อไม่ให้เท้าเราเจ็บครับ หลังจากที่เราอัดอากาศเข้าไปในขวด อากาศที่ถูกอัดอยู่ภายในจรวดขวดน้ำ จะทำหน้าที่เหมือนเป็นสปริงที่จะดันให้จรวดลอยสูงขึ้นไป และดันน้ำให้พุ่งออกทางปากขวด การที่เราเติมน้ำลงไปในจรวดขวดน้ำทั้งๆ ที่ดูเหมือนว่าเราอาศัยเพียงแรงผลักของอากาศทำให้จรวดขวดน้ำพุ่งขึ้นไปได้ เป็นเพราะในขณะที่อากาศผลักให้จรวดขวดน้ำพุ่งขึ้นไป จรวดขวดน้ำก็จะผลักให้อากาศพุ่งถอยหลังไปเช่นกัน (ตามกฎข้อที่ 3 ของนิวตัน) แต่มวลของจรวดมีมากกว่ามวลของอากาศมาก ทำให้อากาศมีความเร่งมากกว่าความเร่งของจรวดมาก (พิจารณาตามกฎข้อที่ 2 ของนิวตัน) ทำให้อากาศพุ่งออกไปจากจรวดขวดน้ำหมดก่อนที่จรวดขวดน้ำจะพุ่งขึ้นไปได้สูง น้ำที่เราเติมลงไปนั้น จะช่วยชะลอเวลาที่อากาศใช้ในการพุ่งออกจากจรวดขวดน้ำ เพราะจรวดขวดน้ำต้องผลักให้น้ำภายในจรวดขวดน้ำพุ่งออกไปด้วย ทำให้ความเร็วของจรวดสูงขึ้นกว่าตอนที่ไม่ได้เติมน้ำลงไปในจรวดขวดน้ำนี้ แต่ปริมาณน้ำที่เพิ่มมากขึ้นก็จะทำให้แรงผลักของอากาศลดลง และความดันภายในจรวดก็จะลดลงรวดเร็วมากขึ้น ดังนั้น จึงต้องมีอัตราส่วนของการเติมน้ำอย่างเหมาะสม เพื่อทำให้จรวดขวดน้ำพุ่งออกไปได้ไกลที่สุด
ปัจจัยที่มีผลต่อการพุ่งของจรวดน้ำ
มีหลายปัจจัยที่มีผลต่อการพุ่งขึ้นของจรวด เช่น ความดัน ปริมาณน้ำที่เติม มุมยิง รูปทรง ฯลฯ ปัจจัยเหล่านี้น้องจะมีวิธีอย่างไรบ้าง เพื่อหาข้อสรุปว่าปัจจัยแต่ละตัว ส่งผลอย่างไร ต่อการพุ่งขึ้นของจรวดขวดน้ำ สำหรับข้อมูลด้านล่างนี้ เป็นเพียงข้อมูลให้ได้ทราบเพื่อเป็นแนวทางก่อนทำการทดลองจริง
1. มุมปล่อยจรวดขวดน้ำ
กรณีนี้ ยิงด้วยมุม 90 องศา เป็นกรณีแรกที่สามารถทดลอง หรืออาจจะเคยเห็นเหตุการณอื่นในชีวิตประจำวันมาบ้างแล้ว เช่น เวลาโยนก้อนหินขึ้นไปเหนือศีรษะ มันก็จะตกลงมาโดนตัวเรา การยิงแบบนี้ก็เหมือนกันมันจะตกลงมาจุดเดิมที่เราปล่อย แล้วกรณีอื่นจะเป็นอย่างไร เราจะยิงด้วยมุมเท่าใด จึงจะทำให้จรวดเราพุ่งไปได้ไกลที่สุด ดูรูปด้านล่าง จะเห็นว่ามุมที่ยิงให้ได้ไกลที่สุดคือ มุม 45 องศา
2. ปริมาณน้ำ
สำหรับการทดลองเรื่องปริมาณน้ำนี้ อาจจะงงนิดหน่อยนะครับว่าน้ำที่เติมลงไปช่วยให้การพุ่งขึ้นอย่างไร แล้วเราต้องเติมปริมาณเท่าใดหรือว่ายิ่งเติมน้ำมากขึ้น จะยิ่งทำให้จรวดเราพุ่งไปไกล แต่สุดท้ายต้องหาข้อสรุปด้วยตัวเองครับ แต่โดยทั่วไปผู้เชี่ยวชาญจะแนะนำให้เติมประมาณ 1 ใน 3 ของขวด
3. ความดัน
ยิ่งเราเพิ่มความดันมากขึ้น ยิ่งทำให้จรวดเราพุ่งได้ไกล มากขึ้นเท่านั้น แต่ก็มีข้อจำกัดเหมือนกันนะครับ เพราะว่า ขวดที่เราใช้นั้น จำกัดความดันแค่ประมาณ 11 บาร์เท่านั้นเอง (สำหรับขวดน้ำอัดลมเท่านั้นนะครับ)
วิธีการประดิษฐ์
1. เตรียมอุปกรณ์ได้แก่ ขวดน้ำอัดลมขนาด 1 ลิตร จำนวน 2 ขวด เทปกาว กรรไกรหรือคัดเตอร์ แผ่นพลาสติกหรือฟิวเจอร์บอร์ด นอกจากนี้อาจใช้ดินน้ำมันหรือกระดาษหนังสือพิมพ์เพื่อถ่วงหัวจรวดให้หนักขึ้น และปากกาเคมีเพื่อทำเครื่องหมายบริเวณที่จะตัด อาจจะเตรียมไม้รองตัดด้วยก็ได้
2. ใช้ปากกาเคมีขีดตำแหน่งที่จะตัดบนขวดพลาสติกขวดที่หนึ่ง เพื่อจะใช้ทำหัวจรวดและส่วนที่เรียกว่ากระโปรงจรวดใช้ในการติดครีบ(FIN) ตามรูป โดยอาจจะตัดตามรอยส่วนบนและล่างของขวดตามรูปทรงขวดก็ได้
3. นำส่วนหัวของขวดแรก(หมายเลข 1-1)มาสวมด้านท้ายของขวดใบที่ 2 เพื่อทำเป็นหัวจรวด อาจจะถ่วงให้หนักโดยใช้ดินน้ำมันอัดลงในส่วนหัวก็ได้ แล้วพันติดด้วยกันด้วยเทปกาวให้แน่นหนา
4. ส่วนอีกด้านให้ต่อทางด้านปากขวดเพื่อทำเป็นกระโปรงและติดครีบด้วยเทปกาว
5. ตกแต่งให้สวยงามตามต้องการ วิธีการอาจจะมีการดัดแปลงตกแต่งเพิ่มเติมเพื่อผลของการยิงก็ได้ เพราะสิ่งที่จะเกี่ยวข้องกับการยิงก็จะเกี่ยวข้องกับรูปร่างของจรวดน้ำ น้ำหนัก ครีบ หรืออาจะเป็นแรงต้านของอากาศ
6. เติมน้ำและติดตั้งเข้ากับฐานยิง โดยสูบลมให้มีความดันที่ 50 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว ซึ่งเป็นความดันที่ทำให้ยิงได้ไกลมากสำหรับการยิงที่สนามของโรงเรียน
ข้อควรระมัดระวัง
เนื่องจากกิจกรรมจรวดขวดน้ำมีอันตรายอันเนื่องมาจากต้องใช้ความดันสูง และการตกลงสู่พื้นของ จรวดอาจเป็นอันตรายได้ ควรพึงระมัดระวัง ดังนี้
1. สถานที่ดำเนินกิจกรรมต้องอยู่ในที่โล่งแจ้ง ไม่มีกลุ่มคนสัญจรไปมา เช่น สนามฟุตบอล
2. วัสดุที่ใช้ทำจรวดขวดน้ำ ต้องทำการการทดสอบแรงดันให้ทราบค่าที่แน่นอนก่อน เพื่อความ ปลอดภัย เช่น ขวดน้ำอัดลม (ขวด PET) สามารถทนแรงดันได้ประมาณ 12 บาร์
3. ขณะดำเนินกิจกรรม ผู้เข้าร่วมกิจกรรมต้องสวมใส่อุปกรณ์ป้องกันอันตรายที่อาจเกิดขึ้น เช่น หมวกป้องกันศีรษะ แว่นตา และเสื้อกันฝน
4. ก่อนทำการปล่อยจรวดขวดน้ำ ต้องตรวจสอบก่อนทุกครั้งว่ามีคนอยู่ในพื้นที่ที่อาจเป็นอันตราย หรือไม่ และทิศทางการพุ่งไปของจรวดต้องไม่มีกลุ่มคน
5. ถ้าผู้ดำเนินกิจกรรมเป็นเด็ก ต้องมีผู้ใหญ่คอยให้คำแนะนำ และดูแลเสมอ
ประโยชน์ของกิจกรรมจรวดขวดน้ำ
1. เพิ่มความหลากหลายของกิจกรรมการเรียนรู้ทางวิทยาศาสตร์
2. ส่งเสริมทักษะทางวิทยาศาสตร์ให้กับผู้ที่ทำกิจกรรม
3. ส่งเสริมการทำงานแบบกลุ่ม
4. มีกิจกรรมที่สอดแทรกความรู้ทางวิทยาศาสตร์เข้าไปในการทำกิจกรรม
5. สามารถบูรณาการได้หลายวิชา ข้อเสนอแนะที่นำมาใช้ในโรงเรียน เนื่องจากการเรียนวิทยาศาสตร์ผ่านกิจกรรมการทำจรวดน้ำนั้นต้องใช้ฐานยิงซึ่งเป็นอุปกรณ์สำคัญที่ขาดไม่ได้ จึงได้มีการเสนอแนะว่าควรให้ทางโรงเรียนจัดซื้อหรือจัดทำขึ้นเพื่อให้นักเรียนได้ใช้ได้ จะทำให้การเรียนรู้วิทยาศาสตร์ผ่านการทำกิจกรรมจรวดขวดน้ำนั้นไปได้อย่างครบถ้วนกระบวนการ
ความเห็น (4)
ให้ข้อมูลดีมากเลยครับ ขอบคุณมากนะครับ
ผมขอยืมไปทำโครงงานเพื่อชีวิตหน่อยนะครับ
สวัสดีคับผมคนหล่อ
พิยะคุณ อนนค์รัตตเดช
ขอบคุณครับสำหรับโครงงานนี้ ได้นำโครงงานนี้ไปศึกษาภายในครอบครัวด้วยครับและอีกอย่างลูกของผมกำลังศึกษาอยู่ชั้นประถมปลายจึงทำให้ได้รู้เพิ่มไปอีกทางหนึ่ง ขอบคุณอีกครั้งครับ