แบบจำลองน้ำขึ้นน้ำลง

กิจกรรม นักเรียนจะได้โปรแกรมจำลองน้ำขึ้นน้ำลง เราจะมาอภิปรายกันถึงเหตุที่ทำให้เกิดปรากฎการณ์น้ำขึ้นน้ำลง รวมไปถึงผลกระทบต่อน้ำขึ้นน้ำลงจากการเรียงตัวของโลกกับดวงอาทิตย์และดวงจันทร์ นักเรียนจะต้องทำการบันทึกความแตกต่างของน้ำขึ้นน้ำลงที่เกิดขึ้นในแบบจำลอง จากนั้นเราจะมาวิเคราะห์และอภิปรายกัน

น้ำขึ้นน้ำลงคืออะไร? ในบริเวณริมชายฝั่ง เราจะสังเกตเห็นได้ว่าน้ำทะเลมีการถอยห่างออกจากชายฝั่งก่อนที่จะกลับมาในภายหลับภายในวันเดียวกัน สิ่งนี้เกิดขึ้นจากปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลง ปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงคือการขึ้นและลงในแนวดิ่งของพื้นผิวมหาสมุทรของโลก เกิดขึ้นจากปฏิสัมพันธ์ของแรงโน้มถ่วงระหว่างดวงอาทิตย์ โลก และดวงจันทร์

แรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่มีกำลังอ่อนที่สุดในแรงพื้นฐานทั้งสี่ แรงโน้มถ่วงทำให้วัตถุที่มีมวลเกิดแรงดึงดูดระหว่างกัน แรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่ดึงเข้าหากันเสมอ และเกิดขึ้นในแนวที่เชื่อมต่อระหว่างศูนย์กลางมวล แรงโน้มถ่วงทำให้เกิดการรวมตัวกันของดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ และกาแล็กซี แรงโน้มถ่วงทำให้ดาวเคราะห์และดวงจันทร์โคจรเป็นวงโคจรในระบบสุริยะ และทำให้เกิดแรงไทดัลที่เราพบได้บนโลก National Schools’ Observatory

กฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน เราสามารถอธิบายแรงโน้มถ่วงระหว่างมวลสองมวล m1 และ m2 ได้ด้วยกฎแรงโน้มถ่วงของนิวตัน G คือค่าคงที่ความโน้มถ่วงสากล นี่เป็นตัวอย่างหนึ่งของ inverse square law แรงโน้มถ่วงสองแรงมีขนาดเท่ากัน แต่ทิศทางตรงกันข้าม National Schools’ Observatory

น้ำขึ้นน้ำลงเกิดจากอะไร? (1) สนามแรงโน้มถ่วงจากดวงจันทร์ทำให้มหาสมุทรของโลกป่องออก เมื่อโลกหมุนผ่านส่วนที่ป่องออกของมหาสมุทรนี้ จึงทำให้เกิดน้ำขึ้นน้ำลง พื้นที่ส่วนมากบนโลกจะพบน้ำขึ้นสองครั้ง และน้ำลงสองครั้งในแต่ละวัน ปรากฎการณ์นี้เกิดขึ้นจากส่วนป่องออกของแรงไทดัลในมหาสมุทรของโลก ซึ่งปรากฎทั้งสองด้านของดาวเคราะห์ หมายเหตุ: ส่วนป่องของแรงไทดัลในภาพนี้นั้นใหญ่กว่าความเป็นจริงเพื่อให้เห็นได้ชัดขึ้น

น้ำขึ้นน้ำลงเกิดจากอะไร? (2) แรงโน้มถ่วงนั้นไม่ได้เกิดขึ้นเท่ากันทั้งดาวเคราะห์ เทำให้เกิด “ส่วนต่างของแรงโน้มถ่วง” เนื่องจากแรงโน้มถ่วงลดลงตาม 1/r2 แรงโน้มถ่วงด้านใกล้ของโลกจึงมีแรงมากกว่าด้านไกล เช่น มวลหนึ่งหน่วยที่อยู่ด้านไกลขอโลกจะมีแรงโน้มถ่วงดึงไปน้อยกว่ามวลหนึ่งหน่วยที่อยู่อีกด้าน เราสามารถแสดงส่วนต่างของแรงโน้มถ่วงนี้ได้ด้วยเวคเตอร์ ในภาพด้านล่าง

น้ำขึ้นน้ำลงเกิดจากอะไร (3) ส่วนป่องของแรงไทดัลที่ชี้หนีจากดวงจันทร์นี้เกิดจากความไม่เท่ากันของแรงโน้มถ่วงนั่นเอง ถ้าเรานำแรงโน้มถ่วงด้านใกล้และไกลของดาวเคราะห์มาเปรียบเทียบกับแรงโน้มถ่วงบริเวณกึ่งกลางของโลก เราจะพบว่าแรงที่เหลือจะชี้ออกจากโลกทั้งสองทิศทาง หรือพูดอีกอย่างหนึ่งก็คือ ถ้าเรานำเวคเตอร์ของแรง ณ กึ่งกลางโลกไปลบกับเวคเตอร์แรงทั้งสองด้าน ผลที่เหลือก็คือเวคเตอร์ที่ชี้ออกไปจากกึ่งกลางของโลกทั้งสองทิศทาง

แรงไทดัล ลองพิจารณาแบบง่ายๆ ว่าโลกเป็นทรงกลมที่มีสองชั้น ชั้นนอกเป็นมหาสมุทร และชั้นในเป็นโครงสร้างแข็ง หรือพื้นมหาสมุทร ถ้าเราลบแรงจากแรงโน้มถ่วงของทรงกลมในออกไปจากแรงโน้มถ่วงของทรงกลมนอก เราจะได้แรงโน้มถ่วงที่แตกต่างกัน ความแตกต่างของแรกโน้มถ่วงนี้ทำให้เกิดความเค้นในมหาสมุทร เนื่องจากมหาสมุทรประกอบไปด้วยน้ำ จึงสามารถเปลี่ยนรูปร่างเพื่อตอบสนองต่อแรงเค้นที่เกิดจากแรงโน้มถ่วงได้ ทำให้เกิดเป็นน้ำขึ้นน้ำลง

การหน่วงของน้ำขึ้นน้ำลง ส่วนป่องไทดัลนั้นไม่ได้เรียงตรงกันกับแนวของดวงจันทร์พอดี สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องมาจากการหมุนของโลกนั้นเร็วกว่าความเร็วโคจรของดวงจันทร์เป็นอย่างมาก แรงเสียดทานระหว่างพื้นแข็งของโลกกับมหาสมุทร ทำให้ส่วนป่องไทดัลนั้นเลื่อนเลยไปหน้าดวงจันทร์ หมายเหตุ: มุมในภาพด้านบนนั้นถูกทำให้ กว้างกว่าความเป็นจริงเพื่อให้เห็นได้ชัดขึ้น

น้ำเกิดและน้ำตาย นอกจากนี้ โลกยังอยู่ในสนามแรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์อีกด้วย ดวงอาทิตย์จึงมีอิทธิพลต่อน้ำขึ้นน้ำลง เมื่อโลก ดวงอาทิตย์ และดวงจันทร์อยู่ในแนวเดียวกัน (Syzygy) แรงโน้มถ่วงของดวงอาทิตย์จะเสริมกันกับแรงไทดัล ทำให้ส่วนป่องไทดัลนั้นมากขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า น้ำเกิด (Spring tides) เมื่อดวงจันทร์ทำมุมตั้งฉากกับแนวระหว่างดวงจันทร์กับดวงอาทิตย์ (Quadrature) แรงโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์จะไปลดอิทธิพลของส่วนป่องไทดัลจากดวงจันทร์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า น้ำตาย (Neap Tides)

ทำนายผลการทดลอง วัตถุใดมีแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อโลกมากกว่ากัน? ดวงอาทิตย์หรือดวงจันทร์ วัตถุใดมีอิทธิพลต่อน้ำขึ้นน้ำลงมากกว่ากัน ดวงอาทิตย์ หรือดวงจันทร์ ลองทำนายดูว่า เราคาดว่าเราจะพบน้ำขึ้นน้ำลงสูงที่สุดเมื่อใด? ลองทำนายดูว่า เราจะพบน้ำขึ้นน้ำลงน้อยที่สุดเมื่อใด?

เตรียมการทดลอง โหลดแบบจำลอง ‘Tides Simulator’. เครื่องหมาย จะทำการซูมออกจากโลก แสดงตำแหน่งของดวงอาทิตย์ โลก และดวงจันทร์​ (ไม่เป็นไปตามมาตราส่วน) เครื่องหมาย จะทำการซูมกลับเข้าไปที่มุมมองระหว่างโลกกับดวงจันทร์ เครื่องหมาย จะทำให้นักเรียนสามารถเปิด ‘day number’ (จำนวนวัน) เพิ่มหรือลดความเร็วการหมุนของโลก (เฉพาะในโหมดซูมใกล้) เอาอิทธิพลจากดวงอาทิตย์ออกไป และแสดงภาพจำลองความสูงของน้ำขึ้นน้ำลง

บันทึกผลการทดลอง แจกใบงานน้ำขึ้นน้ำลงแก่นักเรียน ให้นักเรียนใช้แบบจำลองในการวาดภาพน้ำขึ้นน้ำลงบนโลกลงในภาพ ที่สอดคล้องกับตำแหน่งของดวงจันทร์และดวงอาทิตย์ ให้นักเรียนระบุลงในกล่องคำตอบว่ามีน้ำเกิดและน้ำตายเกิดขึ้นอยู่หรือไม่

บันทึกผลการทดลอง ในแบบจำลอง เปิดจำนวนวัน (Day Number) และความแตกต่างของน้ำขึ้นน้ำลง (Tidal Variation) ขีดสีขาวที่ติดอยู่กับโลกจะแสดงตำแหน่งของผู้สังเกตบนเรือใบ หน้าต่างทางด้านซ้ายจะจำลองความเปลี่ยนแปลงในระดับน้ำทะเลที่เกิดจากน้ำขึ้นน้ำลงสำหรับผู้สังเกตนั้น บันทึกระดับน้ำทะเลที่น้ำขึ้นและน้ำลงสูงสุด สำหรับแต่ละวัน จนกระทั่งวันที่ดวงจันทร์ได้โคจรรอบโลกครบหนึ่งรอบ

กราฟตัวอย่าง (วัน กับ ความสูงน้ำขึ้นน้ำลง) ให้นักเรียนสร้างกราฟระหว่าง ความสูงของน้ำขึ้นน้ำลง กับ จำนวนวัน เลือกน้ำขึ้นและน้ำลงสูงที่สุดเพียงครั้งเดียวต่อวัน

เปรียบเทียบผลการทดลองกับคำทำนาย ความสูงของน้ำขึ้นน้ำลงแตกต่างกันหรือไม่ในแต่ละวัน? น้ำขึ้นน้ำลงที่แตกต่างกันมากที่สุดเกิดขึ้นเมื่อใด? การเรียงตัวกันระหว่างดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และโลกแบบใดที่ทำให้เกิดน้ำขึ้นน้ำลงมากที่สุด?

อภิปราย น้ำขึ้นน้ำลงเกิดขึ้นกี่ครั้งในหนึ่งวัน? ระหว่างเวลาที่เกิดน้ำขึ้นน้ำลงแตกต่างกันมาก และน้อย นั้นคิดเป็นระยะเวลากี่วัน? ดวงจันทร์ใช้เวลาเท่าใดในการโคจรรอบโลก?

คำถามและแบบฝึกหัด ความแตกต่างของน้ำขึ้นน้ำลงในบริเวณชายฝั่นนั้นสามารถเกิดขึ้นได้มากกว่าในทะเลเป็นอย่างมาก เพราะอะไร? ดาวพฤหัสจะมีอิทธิพลต่อน้ำขึ้นน้ำลงหรือไม่? ทำไมการทำนายน้ำขึ้นน้ำลงได้จึงเป็นเรื่องที่สำคัญ? ถ้าหากว่าดวงจันทร์นั้นอยู่ห่างไกลออกไป จะส่งผลอย่างไรกับน้ำขึ้นน้ำลง? ดวงจันทร์มีน้ำขึ้นน้ำลงหรือไม่?