จะเกิดอะไรขึ้นถ้าปล่อยค้อนกับขนนกให้ร่วงลงพื้นที่ดวงจันทร์
ที่มารูปภาพจากวิดีโอ: www.youtube.com/watch?v=5C5_dOEyAfk
มันจะตกลงมาพร้อมกัน
หากคุณอยากเห็นมันตกลงมาพร้อมกันได้จริง ๆ ก็กดลิงก์ใต้รูปภาพด้านบนได้เลย แล้วค่อยมาอ่านต่อกัน
ถ้ายังไม่ได้เรียนเรื่องกฎของแรงโน้มถ่วงในวิชาฟิสิกส์ หรืออาจจะเรียนนานจนลืมไปแล้ว หรือยังคิดไม่ออกว่าเริ่มจากที่ไหน ก็อาจยังสงสัยอยู่ว่าปรากฏการณ์นี้มันเกิดขึ้นเพราะอะไร
การที่เราจะเข้าใจว่าทำไมวัตถุสองชิ้นนี้มันตกลงมาบนพื้นพระจันทร์พร้อมกัน เราต้องเข้าใจก่อนว่า ทำไมของต่าง ๆ ต้องตกลงมาบนพื้นของโลกของเราตั้งแต่แรก โดยการเข้าใจกฎแรงโน้มถ่วงสากลของนิวตัน (Newton’s Law of Universal Gravitation)
ถึงแม้ว่าชื่อของกฎนี้จะฟังแล้วชวนง่วง แต่รวมๆ แล้วตามภาษาคนก็คือ สำหรับทุกวัตถุที่มีมวล มันจะมี “แรงโน้มถ่วง” ที่ดึงดูดระหว่างวัตถุสองวัตถุเท่ากันตลอดเวลา และขนาดของแรงนี้จะแรงขึ้นถ้ามวลมันมากขึ้น หรือถ้ามวลอยู่ห่างกันมากขึ้น แรงนั้นก็จะเบาลง
สำหรับคนที่ยังพอจะจำเรื่องคณิตศาสตร์และฟิสิกส์ได้อยู่ คุณอาจจะเข้าใจกฎนี้ในรูปสมการได้ว่า
นี่คือเหตุผลที่ของทุกอย่างมันร่วงลงที่พื้นของดาวเคราะห์ต่างๆ ได้ เพราะโลกก็เป็นวัตถุมีมวลอันหนึ่ง ค้อน หรือขนนก หรืออะไรก็ตามแต่ที่อยู่บนโลกก็เป็นวัตุอีกอย่างนึง ทำให้มีแรงโน้มถ่วงดึงมันเข้าหากัน ทำให้วัตถุตกลงมาบนพื้นโลก ถ้าไม่มีแรงโน้มถ่วง ทุกอย่างที่คุณปาขึ้นไปก็จะไม่มีวันตกลงมา แล้วก็จะลอยขึ้นไปเรื่อยๆ สู่ความว่างเปล่าของอวกาศตลอดกาล
แต่ว่ามีอะไรที่แตกต่างกันระหว่างโลกกับดวงจันทร์ จนทำให้จากเดิมที่ค้อนตกถึงพื้นก่อนขนนกบนพื้นโลก กลายเป็นตกพร้อมกันบนพื้นดวงจันทร์ ไม่ใช่เพราะว่าแรงโน้มถ่วงของดวงจันทร์เบากว่าที่โลก แต่เป็นเพราะว่าโลกของเรามีชั้นบรรยากาศต่างหาก
แต่ก่อนอื่นเราต้องเข้าใจก่อนว่า ทำไมวัตถุมวลต่างกันตกลงมาถึงพื้นพร้อมกันได้ในที่ที่ไม่มีบรรยากาศเหมือนที่ดวงจันทร์ ตามกฎของนิวตันที่เราพึ่งพูดไปก็บอกเองว่า วัตถุที่มีมวลมากจะได้รับแรงโน้มถ่วงมากไม่ใช่เหรอ แล้วทำไมค้อนที่ดวงจันทร์ไม่ตกลงมาเร็วกว่าล่ะ คำตอบของเรื่องนี้ จริงๆ แล้วอยู่ในกฎของนิวตันอีกข้อนึง ชื่อว่า กฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตัน (Newton’s Second Law of Motion) กฎข้อนี้บอกว่า แรงที่กระทำต่อวัตถุหนึ่งจะเท่ากับความเร่งคูณกับมวลของวัตถุนั้น สำหรับคนที่อ่านสมการเข้าใจก็คือ
จริงๆ แล้ว เราสามารถเข้าใจกฎข้อนี้ได้ง่ายๆ ก็คือตามธรรมชาติของมวลแล้ว วัตถุที่มีมวลมากกว่า จะต่อต้านการเปลี่ยนความเร็วมากกว่า
ให้ลองนึกถึงวัตถุที่มีมวลน้อยๆ อย่างลูกปิงปอง กับวัตถุที่มีมวลมากๆ อย่างเช่น รถกระบะ การโยนลูกปิงปองให้เปลี่ยนจากที่มันอยู่นิ่งๆ ไม่มีความเร็ว ให้มีความเร็วได้ คุณก็จะออกแรงเพียงแค่น้อยนิดเท่านั้น แต่ถ้าคุณต้องการให้รถกระบะเคลื่อนที่เร็วเท่ากับลูกปิง
ปองนั้น การใช้แรงคนน่าจะไม่มีทางพอด้วยซ้ำ ในทางกลับกัน คุณสามารถหยุดลูกปิงปองด้วยมือของคุณได้อย่างง่ายได้ แต่ถ้าคุณพยายามจะหยุดรถกระบะที่มีความเร็วเท่าลูกปิงปอง คุณคงได้เสียชีวิตก่อนแน่ๆ ทั้งนี้เพราะว่ารถกระบะมีมวลมากกว่าลูกปิงปอง มันถึงเริ่มเคลื่อนที่และหยุดเคลื่อนที่ได้ยากกว่าลูกปิงปองอย่างเห็นได้ชัด
คราวนี้กลับมาที่ขนนกและค้อนของเรา ตอนนี้เราก็พออธิบายได้แล้วว่าทำไมมันถึงตกลงมาที่พื้นพร้อมกัน ถึงแม้ว่าตามกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตันบอกว่า ถ้าวัตถุมีมวลมากขึ้น มันก็จะได้รับแรงโน้มถ่วงมากขึ้น แต่ตามธรรมชาติของมวลในกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันก็บอกว่า ยิ่งวัตถุมีมวลมาก มันก็ต้องรับแรงมากขึ้น เพื่อที่จะเคลื่อนที่ในควาทเร่งเท่าเดิม ทำให้วัตถุใดๆ ก็ตามที่ปล่อยบนดวงจันทร์ตกลงมาที่พื้นพร้อมกัน เพราะไม่ว่าจะมีมวลเท่าไหร ก็จะมีความเร่งในการตกลงมาเท่าเดิม
แต่เรายังมีปมที่ยงไม่ได้แก้อีกอย่างหนึ่งก็คือ แล้วบรรยากาศโลกมันเกี่ยวกับการที่ขนนกตกลงมาอย่างช้าๆ บนโลกได้อย่างไร คำตอบก็คือ แรงต้านอากาศ
เพราะว่าอากาศจริงๆ แล้วก็คือแก๊สที่ห่อหุ้มโลกของเรา และโมเลกุลแก๊สเล็กๆ ในอากาศนี้ก็มีมวลเหมือนกัน การเคลื่อนที่ผ่านอากาศบนโลกจึงเหมือนกับว่าต้องผลักโมเลกุลอากาศออกจากทางไป และเราก็ทราบแล้วว่า การเคลื่อนที่ของทุกอย่างที่มีมวล ต้องใช้แรง การเคลื่อนที่ของขนนกผ่านอากาศจึงมีแรงต้านจากอากาศทำให้เคลื่อนที่ช้าลง
แต่สำหรับค้อนของเรานั้น ก็ได้รับแรงต้านอากาศเช่นกัน แต่ในเมื่อเราทราบว่า ยิ่งมวลมากก็จะเปลี่ยนความเร็วได้ยากขึ้น ถ้าขนนกและค้อนไม่ได้มีขนาดต่างกันมาก มันก็จะได้รับแรงต้านอากาศพอๆ กัน แต่เพราะว่าค้อนมีมวลมากกว่าขนนกมาก จึงได้รับผลจากแรงต้านอากาศน้อย เมื่อเทียบกับขนนกซึ่งจะร่อนลงมาอย่างช้าๆ เพราะได้รับผลจากแรงต้านอากาศมากกว่า จากที่มวลของมันน้อยกว่า
เพราะฉะนั้น ตอนนี้เราก็เข้าใจปรากฎการณ์บนดวงจันทร์แล้ว ไม่สิ จริงๆ แล้วเรื่องบนดวงจันทร์เป็นเรื่องปกติ เพราะวัตถุต่างๆ ที่อยู่บนดาวเดียวกันก็ควรตกถึงพื้นพร้อมกันอยู่แล้ว แต่ที่แปลกจากปกติ ก็คือดาวที่มีชั้นบรรยากาศ เหมือนโลกของเรานั่นเอง
อ้างอิง: