ครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์ค (Magdeburg hemispheres) กับการทดลองเรื่องความดันบรรยากาศ

            การทดลองครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์ค (Magdeburg hemispheres) เป็นการทดลองเพื่อแสดงให้เห็นว่าความดันของบรรยากาศนั้นต้องใช้แรงมหาศาลเพียงใดในการดึงครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์คให้ออกจากกัน มัคเดอบวร์คไม่ใช่ชื่อคนแต่เป็นชื่อเมืองแห่งหนึ่งในประเทศเยอรมนี ผู้ที่คิดค้นการทดลองครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์คคือ Otto von Guericke มีชีวิตอยู่ระหว่าง ค.ศ. 1602-1686 นอกจากเขาเป็นนักการเมืองท้องถิ่น เป็นถึงนายกเทศมนตรีเมืองมัคเดอบวร์คแล้ว เขายังเป็นนักฟิสิกส์ผู้มากความสามารถ ศึกษาวิจัยบุกเบิกด้านฟิสิกส์ของสุญญากาศ ซึ่งสุญญากาศหมายถึงที่ว่างซึ่งมีความดันแก๊สต่ำ กล่าวคือ ยังคงมีโมเลกุลของแก๊สอยู่เล็กน้อย โดยสภาวะที่ช่องว่างว่างเปล่าโดยสมบูรณ์นั้นเราเรียกว่าสุญญากาศสมบูรณ์ (perfect vacuum)


          Guericke นั้นถึงแม้จะเรียนด้านกฎหมาย แต่เขาก็มีความสนใจด้านวิทยาศาสตร์อย่างลึกซึ้ง เขาเข้าเรียนวิชาบรรยายทางด้านคณิตศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ เขาเป็นผู้คิดค้นปั๊มสุญญากาศ (vacuum pump)  ในปี ค.ศ. 1650 เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ดูดอากาศออกจากภาชนะปิด เพื่อให้เกิดภาวะใกล้เคียงสุญญากาศ ซึ่งอุปกรณ์นี้เองใช้ดูดอากาศจากครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์ค ทำให้สามารถทำการทดลองได้ นอกจากนี้ Guericke ยังทำการทดลองอีกหลายๆอย่างเกี่ยวกับสุญญากาศเช่น การสั่นกระดิ่งในสุญญากาศไม่สามารถได้ยินเสียงได้ นี่แสดงว่าคลื่นเสียงนั้นต้องใช้ตัวกลางในการเคลื่อนที่ สัตว์จะตายในสุญญากาศเพราะขาดอากาศหายใจ เราสามารถเก็บรักษาผลไม้ให้อยู่ได้นานขึ้นเมื่อเราเก็บไว้ในภาชนะที่เป็นสุญญากาศ และไฟจะดับเมื่ออยู่ในภาวะสุญญากาศ 


          การทดลองครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์คใช้ศึกษาเรื่องของความดันบรรยากาศ โดยความดันบรรยากาศหมายถึงความดันเนื่องจากน้ำหนักของอากาศที่อยู่เหนือโลก โดยความดัน 1 บรรยากาศที่ระดับน้ำทะเลมีค่าเท่ากับ 760 mmHg หรือ 101.325 kPa อุปกรณ์ที่ใช้วัดความดันอากาศเราเรียกว่าบารอมิเตอร์ การทดลองใช้ครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์ค 2 อันที่ทำมาจากทองเหลืองประกบกัน โดยมีห่วงเพื่อไว้ใช้ดึงติดอยู่ ประกบครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์คกันแล้วใช้ปั๊มสุญญากาศนำอากาศภายในออกให้มากที่สุด จากนั้นใช้แรงคนพยายามดึงครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์คออก ซึ่งจะพบว่าไม่สามารถดึงออกได้อย่างง่ายดาย จริงๆแล้วในการทดลองประมาณ ปี ค.ศ. 1657 ใช้ม้าจำนวนมากพยายามดึงครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์คให้ออกจากกันก็ยังไม่สามารถกระทำได้ อะไรคือเหตุผลที่อยู่เบื้องหลังการทดลองนี้

 

          ในบริเวณรอบตัวของเรามีอากาศที่เรามองไม่เห็นอยู่ และโมเลกุลของอากาศนี้ก็ชนปะทะกับผิวของวัตถุต่างๆที่สัมผัสกับอากาศอยู่ตลอดเวลา โมเลกุลของอากาศจำนวนมากมายมหาศาลนี้ถึงแม้ว่าจะมีขนาดเล็กมากแต่มันมีจำนวนมากมายมหาศาลการชนปะทะของมันกับวัตถุต่างๆนั้นทำให้เกิดแรง แรงนี้เองทำให้เกิดความดันบรรยากาศหรือความดันของอากาศโดยเมื่อครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์คประกบกันนั้นก่อนที่จะใช้ปั๊มสุญญากาศดึงอากาศภายในออกไป ความดันของอากาศภายในและภายนอกมีค่าเท่าๆกัน ทำให้เราสามารถดึงครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์คออกจากกันได้อย่างง่ายดาย ขณะที่หลังจากเราใช้ปั๊มสุญญากาศดึงอากาศภายในออกไป มีอากาศภายในที่จะผลักออกน้อยกว่าอากาศที่อยู่ภายนอกที่ผลักเข้ามาสู่ด้านในมาก เมื่อเกิดความไม่สมดุลกันระหว่างความดันของอากาศภายในกับภายนอกที่แตกต่างกันมากนี้ แม้แต่ม้าจำนวนมากก็ยากที่ดึงครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์คให้ออกจากกัน โดยในทางคณิตศาสตร์แล้วเราสามารถอธิบายแรงที่ครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์ครัศมี a ประกบติดแน่นกันดังสมการ
            โดย F,π,a,∆P คือ แรงเป็นหน่วยนิวตัน ค่าพายความยาวเส้นรอบวงหารด้วยเส้นผ่านศูนย์กลางของวงกลม รัศมีของครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์ค และความแตกต่างของความดันบรรยากาศระหว่างภายในและภายนอกครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์คตามลำดับ

            ยกตัวอย่างเช่นเรามีครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์ครัศมี 5 cm ครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์คที่ประกบติดกันด้วยแรงมากถึง 392 นิวตันเลยทีเดียว ยิ่งรัศมีมีค่ามากแรงยึดติดกันจะยิ่งมีค่ามากขึ้นเป็นลำดับ จึงไม่น่าแปลกใจที่แม้แต่การใช้ม้าจำนวนมากยังไม่สามารถดึงครึ่งทรงกลมมัคเดอบวร์คให้ออกจากกันได้


          การทดลองนี้เหมาะสำหรับเด็กนักเรียนเพื่อต้องการเข้าใจแนวคิดเรื่องของความดันบรรยากาศ แรง และสุญญากาศ ผู้สนใจสามารถศึกษาดูตัวอย่างการทดลองได้ที่ https://www.youtube.com/watch?v=gb4eUu_ELSs


 

อ้างอิง

• Von Guericke, O. (1994). The Experiment Demonstrating That as a Result of Air Pressure, Two Hemispheres can be Joined Together in Such a Way That They Cannot be Separated by Sixteen Horses. In The New (So-Called) Magdeburg Experiments of Otto Von Guericke (pp. 160-162). Springer, Dordrecht.
• http://physics.kenyon.edu/EarlyApparatus/Pneumatics/Magdeburg_Hemispheres/Magdeburg_Hemispheres.html
• https://skullsinthestars.com/2012/05/08/physics-demonstrations-magdeburg-hemispheres/
• https://sciencedemonstrations.fas.harvard.edu/presentations/magdeburg-hemispheres