สร้างอุโมงค์ลม
...สร้างอุโมงค์ลม...
พรรณศิริ ดำโอ
อุโมงค์ลม หรือหลายคนอาจจะคุ้นกับชื่อ วินด์ทันเนล (wind tunnel) ซึ่งเจ้าอุโมงค์ลมก็คืออุโมงหรือท่อที่มีลมเคลื่อนที่ลอดผ่าน มีไว้ก็เพื่อทดลองหรือทดสอบทางอากาศพลศาสตร์ หรือที่เรียกทับศัพท์ว่า แอโรไดนามิกส์ (aerodynamics) หลายคนยัง งง! อยู่ งั้นขอยกตัวอย่างง่าย ๆ ให้พอเห็นภาพแล้วกัน อย่างเช่นในการผลิตเครื่องบินขึ้นมาสักลำ ก็ต้องออกแบบปีกเครื่องบินซึ่งเป็นหัวใจหลักที่ทำให้เครื่องบินยกตัวสูงขึ้น แล้วปีกเครื่องบินนี้มันจะต้องมีรูปร่าง ส่วนโค้งส่วนโค้งส่วนเว้าสักเท่าไหร่ถึงจะสามารถยกน้ำหนักมหาศาลของตัวเครื่องบินและสิ่งที่บรรทุก เขาก็ใช้อุโมงค์ลมนี่แหละเป็นตัวทดสอบ อาจจะเอาแบบจำลองขนาดเล็กหรือต้นแบบที่มีอัตราส่วนเท่าของจริง มาติดตั้งในอุโมงค์ลม แล้วก็ดูผลการทดลองเมื่อปล่อยลมผ่าน และลมนี้สามารถปรับให้มีความเร็วต่าง ๆ ได้อีกด้วย บางคนรู้สึกว่าการยกตัวอย่างเครื่องบินนี่ไกลตัวจัง ถ้าอย่างนั้นก็ยกตัวอย่างรถที่ขับขี่บนท้องถนนก็แล้วกัน เนื่องจากรถต้องขับเคลื่อนโดยปะทะกับแรงลม ทำให้ต้องออกแบบรูปทรงรถให้เหมาะสมเพื่อไม่ให้รถเกิดการพลิกคว่ำขณะขับขี่ และในการออกแบบรูปทรงรถนี้ เขาก็ทำการทดสอบกันในอุโมงค์ลม หรือแม้แต่นักกระโดดร่ม ก็จะต้องฝึกตัวเองในอุโมงค์ลม ก่อนไปกระโดดจริง จากตัวอย่างคงนึกภาพออกแล้ว คราวนี้บางคนสงสัยอีกว่าอุโมงค์ลมนี่มันมีขนาดใหญ่แค่ไหนกัน คำตอบก็คือมีทั้งขนาดมหึมาอย่างที่นาซ่า [1] ซึ่งใหญ่พอที่จะบรรจุเครื่องบินที่มีความกว้างของปีกจากด้านหนึ่งไปยังด้านหนึ่ง 30 เมตร ความยาว 420 เมตร และสูง 54 เมตร ส่วนพัดลมตัวกำเนิดลมที่มี 15 ใบพัดนั้นถูก / themes/advanced/langs/en.js" type="text/javascript"> ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ขนาด 22,500 กำลังม้า ซึ่งเทียบเท่ากับกำลังของรถกระบะวีโก้โฟร์วีลประมาณ 138 คัน จำนวน 6 ตัว ตัวเลยทีเดียว ดูได้จากภาพที่ 1
ภาพที่ 1 อุโมงค์ลมใหญ่ที่สุดในโลกที่สถาบันวิจัยแลงเลย์ของนาซ่า (NASA's Langley Research Center)
สำหรับในประเทศไทยก็มีหลายแห่ง แต่ที่กำลังสร้างขึ้นซึ่งเป็นการลงทุนระหว่างสถาบันเทคโนโลยีแห่งเอเซีย หรือ เอไอที (AIT) กับมหาวิทยาลัยธรรมศาสตร์ [2] ที่จะสามารถจำลองสภาพลมตามธรรมชาติในสเกลย่อส่วน เพื่อศึกษาผลกระทบของลมต่อวัตถุต่าง ๆ รวมถึงสิ่งก่อสร้าง เช่น สะพาน ตึกสูง เป็นต้น โดยอุโมงค์ลมนี้มีพื้นที่หน้าตัดของห้องทดสอบกว้าง 3 เมตร และสูง 3 เมตร อีกทั้งกำลังจะกลายเป็นอุโมงค์ลมที่ใหญ่ที่สุดในประเทศไทยอีกด้วย จะเห็นว่าตัวอย่างที่ยกมา อุโมงค์ลมจะมีขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ แน่นอนว่าตัวอย่างอุโมงค์ลมถัดไปก็เป็นอุโมงค์ลมเล็ก ๆ ที่สามารถสามารถสร้างขึ้นได้เอง สำหรับทดลองในห้องเรียนเพื่อศึกษาสมการของแบร์นูลลิ หรือใครจะสร้างไว้เป็นของเล่นยามว่างก็เข้าท่าดี
อุปกรณ์ชุดนี้ต้องการสื่อถึงแรงลัพธ์ที่อากาศกระทำต่อวัตถุเมื่อเคลื่อนที่ผ่านวัตถุรูปทรงต่าง ๆ หากดูตามภาพที่ 2 จะเห็นว่าวัตถุในอุโมงค์ลมมีรูปทรงเดียวกับปีกเครื่องบิน คือด้านบนมีความโค้งมากกว่าด้านล่าง หากปล่อยให้ลมพัดผ่านแรงลัพธ์ที่ลมกระทำต่อปีกเครื่องบินจิ๋วนี้จะมีทิศกดลง หรือยกขึ้น ก็สามารถดูได้จากค่ามวลที่ปรากฏบนเครื่องชั่ง หากเป็นไปตามหลักของแบร์นูลลีแล้ว [4] ค่ามวลบนเครื่องชั่งจะมีค่าลดลง นั่นคือเกิดแรงยกขึ้นนั่นเอง ซึ่งถ้าหากเรานำมาคิดการทดลองด้วยตัวเอง บางคนอาจลองจับปีกเครื่องบินนี้หงายขึ้น หรือลองเปลี่ยนเป็นรูปทรงอย่างอื่น ผลการทดลองก็คงจะน่าสนใจไม่น้อย
ภาพที่ 3 ชุดการทดลองเพื่อวัดแรงต้านการเคลื่อนที่ (drag force) ของรถจำลองในอุโมงค์ลม [5]
แต่ในขณะที่หลายคนเริ่มจะรู้สึกสงสัยต่อไปว่า ถ้าเป็นรถยนต์ที่วิ่งฝ่าลมบนท้องถนนล่ะ จะมีแรงต้านอากาศอย่างไร ก็ลองดัดแปลงเป็นชุดการทดลองที่มีคานเล็ก ๆ หรือไม้บรรทัดพลาสติก มาต่อด้านหนึ่งเข้ากับด้านหลังรถจำลอง ส่วนอีกด้านหนึ่งให้ต่อในลักษณะให้ค้ำยันกับตาชั่ง เพื่อจะได้วัดค่าของมวลที่ปรากฏบนตาชั่งขณะมีลมผ่านตัวรถ แต่ถ้าใครต้องการดูลักษณะของสายกระแสหรือสตรีมไลน์ (stream lines) หรือพูดให้ง่าย ๆ ก็คือเส้นทางลมที่พัดผ่านปีกเครื่องบินจิ๋ว หรือรถจำลอง หรือวัตถุอื่น ๆ อย่างในที่นี้จะใช้ลูกปิงปองซึ่งเป็นทรงกลม แล้วเอาธูปเป็นตัวกำเนิดควันเพื่อให้มองเห็นลม ดังภาพที่ 4
ภาพที่ 4 เส้นทางเดินของลม มีลักษณะโค้งเมื่อเคลื่อนที่ผ่านด้านบนวัตถุทรงกลม [6]
แต่ขอให้ทราบไว้ว่าการทดลองในภาพที่ 4 นี้ไม่ได้วางพัดลมให้เป่าลมผ่านวัตถุเหมือนภาพอื่น ๆ ทว่าเป็นการวางพัดลมกลับด้านเพื่อให้ดูดอากาศและควันเข้าไปในอุโมงค์ลม หากสังเกตทางด้านซ้ายสุดของภาพจะเป็นหลอดกาแฟที่นำมาวางเรียงกันให้มีลักษณะเป็นรังผึ้งหรือฮันนี่คอมบ์ (honeycomb) ซึ่งทำหน้าที่ลดความปั่นป่วนหรือเทอร์บูเลนซ์ (turbulence) ของลมเมื่อเคลื่อนจากภายนอกเข้ามาแล้วผ่านรังผึ้งก่อนเข้าสู่ภายในอุโมงค์ ส่งผลให้เราเห็นเส้นทางการเคลื่อนที่ของลมจากควันธูป โดยที่สายกระแสแต่ละเส้นไม่ทับกันนั่นเอง
หวังว่าผู้อ่านท่านใดรู้สึกกระหายใคร่รู้ และคันไม้คันมืออยากจะสร้างอุโมงค์ลมส่วนตัวแล้วก็ลองทำดูได้ เชื่ออย่างยิ่งว่าจะมีไอเดียเด็ด ๆ บรรเจิดขึ้นมากมาย
เอกสารอ้างอิง
[1] http://oea.larc.nasa.gov/PAIS/WindTunnel.html เมื่อ 21 ธ.ค. 2552
[2] http://www.bangkokbiznews.com/home/detail/it/technology/ เมื่อ 21 ธ.ค. 2552
[3] http://sciencekit.com/ เมื่อวันที่ 22 ธ.ค. 2552
[4] ขับเคลื่อนไปกับสปอยเลอร์และวิง โดย พรรณศิริ ดำโอ ใน นิตยสาร Science world, 4(48) 2552
[5] Build a wind tunnel By Mike Fitzgerald in Techdirections Magazine , 5(65) 2005
[6] ห้องทดลองเพื่อสร้างอุโมงค์ลมออนไลน์ มหาวิทยาลัยวู้ดซ์ เมืองวู้ดซ์ ประเทศสาธารณรัฐโปแลนด์
โดย
พรรณศิริ ดำโอ* พาเวล บาชึนสกี และทาดาส วิบิก
ทีมพัฒนาอุโมงค์ลมออนไลน์ มหาวิทยาลัยวู้ดซ์ สาธารณรัฐโปแลนด์
*
ด้วยทุนรัฐบาลกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ปี 2550 ประเภทพัฒนาข้าราชการ ที่จัดสรรค์ให้
มหาวิทยาลัยวลัยลักษณ์