Granular material
วัสดุแบบเม็ดๆที่ท้าทายนักฟิสิกส์
รอบตัวเราเต็มไปด้วยวัสดุเม็ดๆ (Granular material) ที่ประกอบขึ้นจากวัตถุเล็กๆจำนวนมาก เช่น ทรายที่ชายหาด ข้าวสารในกระสอบ อาหารสัตว์ในโรงงาน ฯลฯ ซึ่งโรงงานต่างๆมีการใช้วัสดุในลักษณะนี้มากมาย ทั้งในแง่วัตถุดิบไปจนถึงผลิตภัณฑ์ที่ออกมา
แต่เชื่อไหมว่า การศึกษาเชิงทฤษฎีวัสดุประเภทนี้ยังนับว่าน้อย เมื่อเทียบกับการศึกษาของแข็ง (solid) หรือ ของไหล อีกทั้งยังไม่มีแบบจำลองที่ใช้อธิบายธรรมชาติของพวกมันได้อย่างกว้างขวาง และแบบจำลองที่ใช้กันอยู่ก็ยังมีขีดจำกัดหลายอย่าง
จะว่าไปก็ไม่น่าแปลกนัก เพราะวัสดุเม็ดๆนั้นซับซ้อนมาก ต่อให้แต่ละเม็ดมีโครงสร้างที่เรียบง่ายและเหมือนกันทุกเม็ดก็ตาม เมื่อมองในภาพรวมแล้ว พวกมันแสดงคุณสมบัติของของแข็งก็ได้ (แผ่นดินที่เรายืนอยู่ก็เกิดจากเม็ดดินเล็กๆ หรือ ทรายในประสอบทรายที่แน่นจนแข็ง) ของเหลวก็ได้ (เมล็ดข้าวเปลือกไหลเข้าสู่เครื่องขัดสี) แก๊สก็ได้ (สสารเม็ดๆเหล่านี้สามารถกระจายตัวแยกจากกันจนทั่วได้) การศึกษาด้านนี้จึงต้องใช้ฟิสิกส์หลายๆแขนงร่วมกัน
หนึ่งในหัวข้อที่นักฟิสิกส์สนใจศึกษา คือ การติดขัดของวัสดุเม็ด (Jamming) ลองนึกถึงกรวดจำนวนมากที่ไหลผ่านท่อที่แคบลง แล้วไปติดตรงนั้นเป็นคอขวดก็ได้ครับ ในมุมหนึ่ง นักฟิสิกส์มองว่าการติดขัดนี้เป็นเหมือนการเปลี่ยนสถานะของสสารจากของเหลวเป็นของแข็ง เพราะมันทำให้การไหลติดขัดและวัสดุเม็ดๆเหล่านี้เกาะกันแน่นจนแข็ง
มันจึงน่าสนใจทั้งในเชิงทฤษฎีว่ารอยต่อระหว่างการไหลกับการติดขัดมีธรรมชาติอย่างไร รวมทั้งการประยุกต์ใช้ให้การลำเลียงวัตถุดิบในโรงงานไม่เกิดการติดขัด (หลายๆโรงงานมีปัญหาเรื่องนี้ และต้องคอยใช้แรงงานคนไปเขย่าหรือทะลวงให้วัตถุดิบที่ตัดขัดสามารถไหลผ่านไปได้) และ ในทางกลับกัน ความรู้ดังกล่าวยังเป็นประโยชน์ในการสร้างการติดขัดเพื่อให้ดินหินตามเนินเขาไม่ไหลถล่มลงมาสร้างความเสียหายกับบ้านเรือน
งานวิจัยหนึ่งมีการนำคุณสมบัติของวัสดุเม็ดและการติดขัดไปใช้ทำมือหุ่นยนต์ โดยทีมนักวิจัยเริ่มจากปัญหาที่ว่าการสร้างมือหุ่นยนต์ที่ใช้หยิบจับสิ่งของต่างๆได้อย่างครอบคลุมอย่างมืออันซับซ้อนของมนุษย์นั้นสร้างได้ยากมากๆ มือของมนุษย์นั้นหยิบเม็ดกรวดเล็กๆ ไข่ไก่อันเปราะบาง ไปจนถึงท่อนไม้ได้อย่างน่าทึ่ง
พวกเขาจึงสร้างมือหุ่นยนต์อันเรียบง่ายและราคาไม่สูงจากการนำวัสดุเม็ดๆอย่างกากกาแฟมาใส่ถุงพลาสติกกลมๆคล้ายกับนวมของนักมวย เมื่อนำมือหุ่นยนต์นี้ไปแนบกับสิ่งที่ต้องการหยิบ มันจะไหลแทรกไปตามซอกมุมของสิ่งนั้นได้ในระดับหนึ่ง จากนั้นก็ดูดอากาศออกก็จะทำให้จากนวมพลาสติกนั้นแน่นแข็งและเกิดการติดขัดจนหยิบเอาสิ่งนั้นๆขึ้นมาได้ ในลักษณะเดียวกับมือของโดราเอม่อน
อีกหัวข้อที่น่าสนใจและอาจทำลองทดลองตามได้ไม่ยาก คือ การศึกษา Angle of repose ซึ่งเป็นมุมสูงสุดที่ทำให้วัสดุเม็ดยังกองเป็นตั้งได้โดยไม่พังทลายลงมา ลองเอาทรายมาโรยให้เป็นกองจะพบว่ากองทรายค่อยๆสูงขึ้น และมุมระหว่างเนินทรายกับพื้นราบค่อยๆเพิ่มขึ้นจนเมื่อความชันมากถึงจุดหนึ่ง มุมดังกล่าวจะไม่เพิ่มขึ้นอีกเพราะกองทรายจะเริ่มถล่มลงมา นั่นแหละคือ Angle of repose
ความรู้ด้านนี้นอกจากจะนำไปอธิบายธรรมชาติของตะกอนในชั้นหิน และหลุมของตัวอ่อนแมลงช้างที่มีลักษณะเป็นกรวย แล้ว ยังใช้ในการคำนวณได้ว่ากองของวัสดุเม็ดๆในงานโรงงานจะมีความสูงได้แค่ไหนอย่างไรอีกด้วย
แม้วัสดุแต่ละเม็ดจะเป็นไปตามกฎฟิสิกส์คลาสสิกอันเรียบง่าย แต่เมื่อรวมกันมากเข้ากลับศึกษาได้ยากทีเดียว นี่อาจเป็นเหตุผลที่ว่าทำไมระบบอันซับซ้อนอย่างพฤติกรรมของฝูงมนุษย์จึงยากจะทำความเข้าใจ เพราะแค่จิตใจของมนุษย์คนเดียวยังสุดแสนจะซับซ้อนเลย
หมายเหตุ
แน่นอนว่าเม็ดวัสดุเหล่านี้จะส่งแรงต่อกันเมื่อมันเคลื่อนที่มาชนกันตรงๆ และหากวิเคราะห์อย่างละเอียดจะพบว่ามันเสียดสีระหว่างกันได้ด้วย
- 4
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
