ผมได้ลองนำเสนอวิธีการทดลอง (ทำการศึกษาเชิงปฏิบัติการเพื่อเสริมการเรียนทฤษฎีในห้อง) แบบไม่ต้องซื้อเครื่องมือจากตปท. ราคาแพงไว้ตอนหนึ่งแล้ว คือ การต้มน้ำธรรมดานี่แหละ ...ผมเชื่อว่าเพียงแค่นี้ นศ. จะนำไปคิดตลอดชีวิต เทียนหนึ่งเล่ม น้ำอีก ¼ แก้ว ได้ความรู้และความคิดมหาศาล ..  คราวนี้จะมาเสนออีก 10 กว่าการทดลอง ที่จะได้เรียนรู้มหาศาล

 

(หมายเหตุเหมาะสำหรับ นศ. วิศวกรรมเครื่องกล ปี 2-3-4 แต่จะตัดตอนบางส่วนเอาไปสอนวิทยาศาสตร์เชิงฟิสิกส์ในระดับ มัธยมก็ได้นะครับ   รร. หนองหมาว้อ เอาไปสอนให้ดีๆ จะเก่งกว่า มหิดลวิทยานุสรณ์..ที่มีงบมหาศาล)

 (หมายเหตุ ODE คือ Ordinary Differential Equation เป็นสมการแคลคูลัสชั้นสูงที่ใช้จำลองพฤติกรรมทางธรรมชาติได้ครับ) 

1)   น้ำร้อนที่ได้จากข้อ 1 เอาตั้งทิ้งไว้กลางห้อง  ความร้อนลดลงเรื่อยๆ วัดอภ. เทียบกับเวลา แล้วคำนวณตามหลักวิศว (ODE อย่างง่าย คำตอบเป็น exponential decay)  เทียบผลคำนวณกับวัดจริง วิจารณ์ความแตกต่างว่าเกิดจากปัจจัยใด  ข้อนี้ได้เรียนทั้ง Thermo , heat transfer และ ODE

 

2)   เอาลูกปิงปองผูกกับด้าย ห้อยเสาไว้ แล้วเอาไดเป่าผมเป่าให้เฉไปเป็นมุมต่างๆ  วัดมุมเฉ แล้วให้คำนวณหาความเร็วลม โดยบอก drag coefficient มาให้   จากนั้นเอามาเทียบกับความเร็วลมที่วัดได้ด้วย anemometer วิจารณ์ความแตกต่าง  ในทางกลับกัน อาจให้วัดหา drag coefficient จากนั้นให้เอาเม็ดทรายติดหัว แล้วทดลองลด drag

3)   ลูกปิงปองผูกเชือกห้อยไว้ ดึงออกจากแนวดิ่ง ปล่อยมือ บันทึกช่วงการแกว่ง จนหยุด  คำนวณทฤษฎี เทียบการวัดจริง ว่ามันจะตรงกันขนาดไหน อย่างไร  (โจทย์ข้อนี้ยากมาก เป็นปัญหา pendulum ที่มีแรงต้านคือ แรงจากอากาศที่ต้านการแกว่งของขวด)  โจทย์ข้อนี้เด็กจะได้เรียนทั้ง dynamic และ fluid และคณิตศาสตร์พร้อมกันไป   พร้อมกัน

4)   ไม้บรรทัด วางพาดบนคาน  แล้วเอาเชือกผูกก้อนหินห้อยไว้ที่ตำแหน่งต่างๆ วัดการโก่งของคาน เทียบกับการคำนวณทางทฤษฎี แล้ววิจารณ์ความแตกต่าง

5)   ไม้ไผ่สีกัน ติดไฟให้ได้ (ให้ลองทำดู ผมทำมาแล้ว ปรากฏว่าเหนื่อยแฮก แต่ไฟไม่ติด ส่วนคนไทยโบราณไม่ได้เรียนหนังสือเขาทำติด  เพราะมีหลักการชั้นสูงทางวิศวกรรม)

6)   ให้ปล่อยน้ำไหลออกจากก้นแก้วโดยวัดอัตราการไหล นำมาพลอตเทียบกับการไหลทางทฤษฏีซึ่งเป็นสมการ ODE เป็นการไหลแบบ exponential decay แล้ววิจารณ์ความแตกต่าง (นศ.ได้เรียนทั้งของไหล และ คณิตศาสตร์พร้อมกัน ได้เห็นปัจจัยที่ทำให้การไหลจริงเพี้ยนไปจากทฤษฎี)

7)   อาจปรับข้อ 7 เป็นเจาะรู้ที่ก้นด้านข้าง ปล่อยให้น้ำพุงออกเป็นวิถีโค้ง แล้ววัดระยะฉีดเทียบกับเวลา เปรียบกับการคำนวณ (แบบนี้จะได้เรียน dynamic พร้อมกันไปอย่างบูรณาการด้วย)

8)   เอาท่อใสบรรจุน้ำ  เอาลูกปิงปองผูกด้าย แล้วดึงเอาลงใต้น้ำ เอาด้ายไปผ่านรอกที่ก้นท่อ แล้ววกกลับขึ้นไปที่ปากท่อสำหรับดึงลูกปิงปองลง จากนั้นปล่อยมือ ลูกปิงปองจะลอยขึ้น เร็วช้าตามความลึก อย่างไร กระโดดขึ้นเหนือผิวน้ำอย่างไร ให้บันทึกและวิจารณ์การทดลอง มีการคำนวณประกอบ (การทดลองง่ายๆนี้มีความลุ่มลึกมาก เพราะมีแรงลอยตัวทำให้เกิดความเร่ง แต่จะถูกน้ำต้านการลอยตัวขึ้น ทำให้ความเร่งลดตัวลง สมการ ODE เป็น non-homogenous  และ non linear ซึ่งอาจ solve ไม่ได้ แต่แม้ solve ไม่ได้ก็สามารถเอาเป็นเครื่องชี้นำแนวโน้มคำตอบได้ (หรืออาจให้ solve สมการ แบบ finite difference สัก 20 จุด ด้วยเครื่องคิดเลข)  อาจใช้ลูกอื่นๆ ที่ไม่ใช่ลูกปิงปอง จะได้ลอยตัวช้าสักหน่อย มีเวลาให้จับเวลาได้แม่นยำ)  การทดลองนี้ก็ได้ทั้งของไหล dynamic คณิตศาสตร์แบบบูรณาการ

9)   การแข่งขันการทิ้งกระดาษ a4 80 gram ให้ตกถึงพื้นให้ช้าที่สุด  แข่งที่อาคารเรียนรวม ตอนกลางวัน เลือกเอามุมใดมุมหนึ่งของชั้นสอง ทิ้งลงมาชั้นล่าง  เรื่องนี้ยากมาก ๆ ต้องสร้าง drag ให้สูงสุด และต้องมี stability ของการทรงตัว เลยมียุทธศาสตร์การออกแบบเยอะมาก ไม่มีที่สิ้นสุด จะเป็นการเรียนรู้ fluid  และ dynamic พร้อมกันไป

10)          เหล็กแท่งลนเทียนด้านหนึ่ง แล้ววัดอภ.อีกปลายด้านหนึ่ง แบบหุ้มและไม่หุ้มฉนวน วัดเทียบกัน พร้อมคำนวณหาปสภการส่งผ่านความร้อนของเทียนให้กับแท่งเหล็ก ...ถ้าทำปลายรับความร้อนให้ติดฟิน หรือ แผ่นรับความร้อนต่างๆ ล่ะ  แสดงสมการคณิตศาสตร์ และแนวโน้มของคำตอบ

11)          Optimization in heat transfer : เอาเทียนลนท่อเหล็กในแนวนอน เอาท่อยางทนความร้อนต่อกับท่อเหล็กด้านซ้าย  ปลายท่อด้านขวาเปิด  ท่อยางนี้ต่อสูงขึ้นต่อกับก้นแก้วน้ำขนาด 250 cc เอามือบีบไว้ เริ่มจับเวลาปล่อยน้ำไหลผ่านท่อเหล็ก แลกเปลี่ยนความร้อนกัน น้ำอุ่นขึ้น น้ำอุ่นไหลออกปลายท่อด้านขวา ไปลงแก้วอีกใบหนึ่ง ยกแก้วเอาไปเทใส่แก้วใบสูง แล้วเอาแก้วกลับมารองน้ำต่อ ปล่อยน้ำลง ทำวนซ้ำจนกว่าจะได้อภ. น้ำที่ 50 C พร้อมจับเวลาว่าใช้เวลาในการส่งผ่านความร้อนนานเท่าไร  ทำซ้ำที่ความสูงแก้วน้ำระดับต่างๆ จะพบว่า มีระดับความสูงที่ดีที่สุด (คือใช้เวลาในการส่งผ่านความร้อนน้อยที่สุด)  สรุปผลวิจารณ์ สามารถทำเป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่อเปรียบเทียบได้ ...ข้อนี้ได้เรียนการส่งผ่านความร้อน และ optimization คณิตศาสตร์พร้อมกันไปแบบบูรณาการ นศ.จะได้แนวคิดอะไรมากมาย และสนุกมากด้วย เพราะต้องรอน้ำลง จับเวลา วิ่งไปเทน้ำให้ไวที่สุด  (น่าให้เด็กทดลองทำเป็น โปรเจค)

12)          การทดลองความเร็วเปลวเพลิงการเผาไหม้ (flame speed) ซึ่งสำคัญมากสำหรับเครื่องยนต์ 1) เอาแก๊สมาผสมกับอากาศด้วยสัดส่วน equivalence ratio ต่างๆ ในห้องเตรียมเชื้อเพลิง (ต้องมีระบบวัดสัดส่วนอากาศน้ำมันให้นศ.เห็นด้วยกับตาตัวเองเช่น เกจวัดน้ำหนักอย่างละเอียด หรือ ใช้วัดความดันแทน ให้นศ.คำนวณว่าความดันลดลงไปแสดงว่ามวลหายไปเท่าไร)  2) ปล่อยแก๊สที่ผสมนี้ให้ลอยเข้าท่อแก้วแนวดิ่งที่ปลายท่อด้านบนปิดตาย  ส่วนด้านล่างเปิดไว้  โดยปล่อยผ่านท่อนำที่ทะลวงเข้าไปถึงปลายท่อด้านบน แก๊สผสมนี้เบากว่าอากาศก็จะไล่ที่อากาศบริสุทธิ์ออกมาด้านล่าง (คิดว่านะ แต่ไม่แน่...ทำให้เห็นด้วยตาด้วยการระบายสีอากาศด้วยควันสีแดงไปเลย)  3) พอได้เต็มท่อก็กดปุ่มให้เกิดประกายหัวเทียนที่ปลายท่อด้านบน จะมองเห็นเปลวไฟ (flame front) วิ่งจากปลายท่อด้านบนลงมาด้านล่าง ด้วยความเร็วต่างๆ ตามสัดส่วนการผสม คือถ้า rich หรือ lean ก็จะช้า ตรงประมาณ stoichiometry  (หนาเล็กน้อย) ก็จะเร็วที่สุด  ...การทดลองง่ายๆ เห็นด้วยตาแบบนี้จะทำให้นศ.จำติดตาไปอีกนาน ว่าความเร็วเปลวเพลิงเป็นอย่างไร และสำคัญมากต่อเครื่องยนต์อย่างไร ...จากนั้นอาจหาทางเสริมปัจจัยของความปั่นป่วนเข้าไป เช่น เอาตะแกรง ไปขวางทางไว้ จำนวน 1 -5 อัน แล้ววัดหาความเร็ว ว่าเพิ่มหรือลดอย่างไร

13)          การทดสอบการนำ การพา การแผ่รังสีความร้อน. แบบบูรณาการ:  1) เอาท่อนเหล็กไปเผาเทียนให้ร้อน แบบข้อ 11 พร้อมการคำนวณดังกล่าว พอเหล็กร้อนทั่วกันแล้ว ให้เอาแท่งเหล็กนี้ไปจุ่มลงในกระบอกอากาศ ที่มีช่องว่างระหว่างแท่งเหล็กและกระบอกต่างๆกัน 2) ให้นศ. วัดอภ. แท่งเหล็ก และ อภ. อากาศ ที่ตำแหน่งต่างๆ เช่น หัว ท้าย กลาง กระบอก ที่เปลี่ยนไปตามเวลา 3) นำมาพล็อตเปรียบเทียบหาความแตกต่าง แล้ววิจารณ์ให้เหตุผลว่าต่างกันมากน้อย ในเวลาต่างๆ เป็นเพราะผลของการถ่ายความร้อนรูปแบบใด อย่างไร ....จากอากาศเปลี่ยนมาเป็นน้ำบ้าง กราฟอาจเปลี่ยนไปในเชิงคุณภาพ อันหนึ่งเคยสูงกว่ากลับอาจต่ำกว่าก็เป็นได้ (เพราะพอใช้น้ำการแผ่รังสีหายไป สัดส่วนการการพากับการนำก็เปลี่ยนไป เพราะ Prandtl no. และ Reynolds no. เปลี่ยนไป ....ทำการทดลองนี้อย่างเดียวนศ. ได้เรียนรู้แบบบูรณาการ ทั้งเทอร์โม ฟลูอิ ฮีททราสเฟอร์ อาจต้องให้ทำซ้ำหลายครั้ง เพื่อให้ซาบซึ้ง

14)          การแข่งขันเตะบอลให้ไกลที่สุด : โดยต้องมีสูตรคิดด้วย เช่น ต้องทอนเป็นระยะทางต่อน้ำหนักตัว (แต่อาจไม่ทอนแบบ linear ก็เป็นได้)  ผมได้สอนนศ.ไว้แล้วถึงทฤษฎีการเตะบอลให้ไกลและแม่นที่สุด โดยใช้กฎข้อที่สองของนิวตัน ...เรื่องนี้ถ้าจัดประกวดเมื่อไร จะเป็นที่ฮือฮาทั้งประเทศแน่นอน เด็กเราก็จะได้ฝึกคิดด้าน dynamic ด้วย  ..การทอนนี้ผมว่าคิดหาได้ไม่ยาก แต่คงไม่ใช่ linear เช่น คนหนัก 70 กก. เตะได้ไกล 70 เมตร ส่วนคนหนัก 60 กก. เตะได้ไกล 65 ม. อย่างนี้ถามว่าใครชนะ ..ถ้าทอนด้วยนน.ตัว คนตัวเล็กชนะ แต่ถ้าทอนแบบ non linear คนตัวใหญ่อาจชนะ ทั้งนี้เพราะถ้าเตะแรง แรงต้านอากาศก็แรงตามด้วย (แบบยกกำลังสอง) ต้องหา C_D เป็น fn ของ Re แล้วทอนกลับออกมาเป็นสูตรคำนวณการทอนระยะทาง ทำออกไปดีๆ มทส. อาจดังทั่วโลก ก็เป็นได้นะครับ   (หญิงแข่งหญิง ชายแข่งชาย)

15)          การแข่งขันไหลแมงกะไซค์ (อุปมากับไหลเรือไฟ)  ..อันนี้ผมเลียนแบบมาจากการแข่ง soap box derby ของ usa ที่แข่งกันครั้งแรกที่เมือง Akron รัฐ Ohio เมื่อร้อยกว่าปีมาแล้ว ตอนนี้นิยมแข่งกันมากทั่วประเทศ เพราะมันเป็นการเสริมสร้างการเรียนรู้ด้านวิทยาศาสตร์ฟิสิกส์และวิศวะเป็นอย่างมาก (ลองคลิกหาอ่านในเน็ต หรือ ดูใน utube นะครับ ) ของเราผมจะเอาแข่งบนถนน หน้าอาคารบริหาร ที่เป็น slope พอดี (คิดว่าเมื่อพศ. ๒๕๔๓ เห็นจะได้) โดยเอามอไซค์มาไหล แล้วจับเวลา เรื่องนี้จะกระตุ้นการคิดค้นใหม่ได้มาก อาจบรรจุเป็นหัวข้อการสอนวิชา Dynamics  Mech of machinery Fluid Dyn ได้เลย  มันจะสนุกมาก และได้ความรู้พร้อมกันไป ปชส. ดีๆ อาจดังไปทั่วประเทศ จนมีม.อื่นๆ มาร่วมประกวด   ยิ่งถ้าหา sponsor ได้ (เช่น บริษัทยางรถมอไซค์) เราก็ตั้งรางวัลได้สูงๆ ก็จะยิ่งมีทีมส่งประกวดมาก (คิดแบบทุนนิยมนะเนี่ย)

16)          อยากเชิญชวนให้ทุกท่าน ช่วยกันระดมสมองคิดค้นการทดลอง การประลอง ง่ายๆ ราคาถูกๆ แต่ได้เรียนรู้มากๆ แบบบูรณาการก็ยิ่งดี เพื่อสร้างเสริมให้นศ.เรามี”วิศวกะระญาณ” มากๆจากการทำการทดลองเหล่านี้

 

เรียนและสอนเครื่องกลเนี่ย มันสนุกจริงๆ นะผมว่า  มีปัญหาให้เราคิดจากเปลนอนสู่เชิงตะกอนที่หลากหลาย เช่นเรื่องเตาเผาศพไร้ควันซึ่งก็คิดไว้นานแล้ว  (หลักการเดียวกับเตาปิ้งไก่ไร้ควันที่ผมได้ประดิษฐ์ไว้แหละครับ)  แต่ไม่ได้มีโอกาสทดลองสักที ฝากน้องๆ ช่วยกันคิดต่อ แล้วเอามาทดลองกับศพผมเป็นศพแรกก็ได้ เพราะตอนนี้ก็ใกล้เตาเผาเข้าไปทุกทีแล้ว หิหิ 

 

...คนถางทาง