จากการแกว่งของลูกตุ้มสู่อุปกรณ์ไจโรสโกป
เพนดูลัม (pendulum) คือ มวลลูกตุ้มที่มีน้ำหนักห้อยลงมาจากจุดตรึงเพื่อให้สามารถแกว่งไปมาได้ภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วง จากการแกว่งของลูกตุ้ม หรือ เพนดูลัมที่เป็นอุปกรณ์ที่ถูกนำมาใช้ในการดัดแปลงที่หลากหลาย รวมถึงนาฬิกาลูกตุ้ม อุปกรณ์แสดงให้เห็นว่าโลกมีการหมุน และไจโรสโกป (gyroscope)
หลังจากยุคสมัยของกาลิเลโอ การศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุในลักษณะต่างๆ ภายใต้แรงโน้มถ่วงกลายเป็นหนึ่งประเด็นสำคัญทางวิทยาศาสตร์ จากหนังสือของเขาที่อธิบายปรากฎการณ์ต่างๆ ในธรรมชาติ ได้เป็นแรงบันดาลใจแก่นักวิทยาศาสตร์รุ่นถัดมา
คริสตียาน เฮยเคินส์ (Christiaan Huygens) ซึ่งเป็นชาวดัตซ์มีความสนใจทางคณิตศาสตร์และพ่อของเขาก็เป็นเพื่อนกับกาลิเลโอ จึงทำให้เฮยคินส์มีความรู้และการวิเคราะห์สิ่งต่างๆ อย่างมีเหตุผล ในปี 1646 เฮยเคินส์ได้สนใจปัญหาสะพานแขวนที่เป็นโซ่แขวนห้อยนั้นไม่ได้มีความโค้งแบบพาราโบลาอย่างที่กาลิเลโอเคยคิดไว้ เฮยเคินส์สามารถหาความสัมพันธ์ได้ตามรูป ได้ตั้งชื่อเส้นโค้งลักษณะนี้ว่า catenary
จากนั้น 2 ปีถัดมา เฮยเคินส์ ได้สนใจในหัวข้อการสั่นของคลื่น นำไปสู่การออกแบบนาฬิกาลูกตุ้ม (pendulum clock) สำเร็จในปี 1657 แต่คนที่สามารถสร้างนาฬิกาลูกตุ้มออกมาได้นั้น คือ ซาโลมอน คอสเตอร์ (Salomon Coster) นาฬิกาของเฮยเคินส์นี้มีความเที่ยงตรงมากกว่าแบบอื่นๆ ในสมัยนั้นจนเวลาผ่านไป 300 ปี ถึงจะมีนาฬิกาที่เที่ยงตรงมากกว่ามาแทนที่ได้ในปี 1930
ผลงานต่างๆ ของเฮยเคินส์
ถึงแม้ว่าเฮยเคินส์สามารถออกแบบนาฬิกาลูกตุ้มได้นั้น แต่เขาต้องใช้เวลาจากนั้น 16 ปี เพื่อหาสมการคำนวณค่าคาบ (period) ของเพนดูลัม (สมการในกรอบสีแดง) คือ เวลาที่ลูกตุ้มแกว่งกลับไปกลับมาครบ 1 รอบ จากสมการแสดงให้เห็นว่า เวลาคาบของการแกว่งลูกตุ้มนั้นไม่ขึ้นกับมวลของลูกตุ้ม แต่ขึ้นกับความยาวเชือกและค่าความเร่งโน้มถ่วง โดยสมการนี้ใช้ได้เฉพาะการแกว่งด้วยมุม θ ที่น้อยมากๆ เท่านั้น
ในปี 1851 เลอง ฟูโกต์ (Léon Foucault) ได้หาวิธีในการพิสูจน์ว่า โลกมีการหมุนให้คนทั่วไปสามารถเข้าใจได้ง่าย ด้วยการใช้ลูกตุ้มที่มีสายยาว 67 เมตร โดยมีคาบการแกว่ง 16.5 วินาที (คำนวณจากสมการในกรอบสีแดง) ถ้าโลกมีการหมุนจริงแนวการแกว่งของลูกตุ้มจะค่อยเปลี่ยนแนวการแกว่งไปจนครบ 360 องศา โดยใช้เวลา 31 ชั่วโมง 50 นาที ซึ่งแสดงที่หอสังเกตการณ์ปารีสที่คนทั่วไปสามารถมองเห็นได้เป็นที่ประจักษ์
ต่อมาฟูโกต์รู้สึกว่า ผลลัพธ์ของการทดลองลูกตุ้มที่มีชื่อเสียงของเขาที่คนส่วนใหญ่ยังถูกเข้าใจผิด ดังนั้นเขาจึงพยายามสร้างเครื่องมือที่มี "วัตถุที่ถูกแขวนอย่างอิสระโดยจุดศูนย์ถ่วงและหมุนรอบแกนหลักอันใดอันหนึ่ง" โดยมีชื่อว่า ไจโรสโกป (gyroscope) ซึ่งมาจากภาษากรีก gyros ที่แปลว่า การหมุนของโลก กับ คำว่า skopeein ที่แปลว่า เห็น
ในปี 1852 ฟูโกต์ กับ ปอล-กุสตาฟว์ ฟรอแม็งต์ (Paul-Gustave Froment) ได้สร้างอุปกรณ์โดยให้แกนยึดด้านในมีความสมดุลกับลูกปืนขอบบนแกนยึดด้านนอก และแกนยึดด้านนอกถูกแขวนไว้ด้วยเกลียวที่ละเอียดและปราศจากการบิดในลักษณะที่ทำให้จุดหมุนด้านล่างแทบไม่มีน้ำหนักเลย ไจโรสโกปสามารถหมุนด้วยความเร็ว 9,000 - 12,000 รอบต่อนาที
เครื่องไจโรสโกปสามารถหมุนได้อิสระในสามแกน ล้อตันที่หมุน (rotor) จะรักษาทิศทางของแกนหมุนโดยไม่คำนึงถึงทิศทางของเฟรมด้านนอกที่เปลี่ยนไป ด้วยสิ่งนี้เป็นอุปกรณ์สำคัญของเครื่องบินระหว่างที่กำลังบินอยู่ในลักษณะอย่างไรมีความเสถียรในทิศทางที่แน่นอนหรือไม่ ในปัจจุบันได้ดัดแปลงเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นเซ็นเซอร์ไจโรสโกปทำงานโดยอาศัยแรงโน้มถ่วงของโลกในการตรวจจับทิศทางอยู่ในเครื่องบิน ยานอวกาศ และโทรศัพท์มือถือ
.
บทความโดย
One To Many - A Brief Science
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2025 Blockdit
