"ปรากฏการณ์ Cavitation และ Shock Wave"

            สมัยที่ผู้เขียนเรียนวิชา Wind and Hydro Energy ในระดับปริญญาตรี อาจารย์ของผู้เขียนเคยเล่าให้ฟังว่าเขื่อนที่สูงและมีอายุมากกว่า 60 ปีขึ้นไปในต่างประเทศอาจจะเกิดความเสียหายได้ขณะที่มีการปล่อยน้ำออกมาเป็นปริมาณมาก เพราะน้ำจะไหลเร็วและแรงจะทำให้เกิด “ฟองอากาศ” ที่สามารถกัดเซาะโครงสร้างคอนกรีตของเขื่อนให้พังทลายได้ ในตอนนั้น ผู้เขียนสงสัยว่าฟองอากาศจะเอาพลังงานจากที่ไหนมาทำลายวัสดุที่แข็งแกร่งอย่างคอนกรีต กระทั่งผู้เขียนได้อ่านบทความเกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Cavitation ซึ่งทำให้เกิดการสึกกร่อนในปั๊มและใบพัดของจักรกลของไหล วินาทีนั้นเองที่ผู้เขียนเข้าใจว่า “ฟองอากาศ” ที่อาจารย์ของผู้เขียนเคยพูดถึงไม่ได้หมายถึงฟองอากาศแบบที่ปุดออกมาจากปากของปลาหรือท่อออกซิเจนในตู้ปลา แต่หมายถึงฟองอากาศที่เกิดจากปรากฏการณ์ Cavitation นั่นเอง ซึ่งในบทความนี้ผู้เขียนได้สืบค้นข้อมูลรวมถึงเรื่องราวที่น่าสนใจเกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้มาฝากผู้อ่านครับ

 

          ปรากฏการณ์ Cavitation จะเกิดขึ้นเมื่อความดันของน้ำมีค่าต่ำกว่าความดันไอ (Vapor Pressure) ที่อุณหภูมิเกือบคงที่ ส่งผลให้น้ำส่วนหนึ่งแปรสภาพเป็นฟองอากาศตามหลักการของแบร์นูลลี (Bernoulli’s Principle) เมื่อน้ำและฟองอากาศมีความดันเพิ่มขึ้น ฟองอากาศจะยุบตัวลงแล้วปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของคลื่นกระแทก การสั่นสะเทือน เสียง แสง และทำให้อุณหภูมิบริเวณนั้นสูงขึ้นชั่วขณะ ซึ่งพลังงานที่ฟองอากาศปลดปล่อยออกมาจากการยุบตัวจะรุนแรงมากจนสามารถกัดเซาะวัสดุที่ทำจากคอนกรีตหรือโลหะให้พังได้ และหากด้านท้ายเขื่อนเป็นแหล่งน้ำที่มีสิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ก็อาจทำให้เกิดความเสียหายต่อระบบนิเวศได้เช่นกัน โดยเราสามารถวิเคราะห์การเกิดปรากฏการณ์ Cavitation ได้จากดัชนีที่คำนวณจากสมการดังต่อไปนี้
            นอกจากโครงสร้างทางชลศาสตร์และจักรกลของไหล สัตว์น้ำจำพวกกุ้งบางชนิดก็สามารถสร้างฟองอากาศด้วยปรากฏการณ์ Cavitation ได้เช่นกัน ซึ่งในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง (World War II) จนถึงช่วงสงครามเย็น (Cold World) ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่ผู้คนทั่วโลกตกอยู่ในภาวะตึงเครียด ทางกองทัพเรือของประเทศสหรัฐอเมริกาก็ได้ใช้ประโยชน์จากเสียงเครื่องยนต์ เสียงใบพัด รวมถึงเสียงที่เกิดจากปรากฏการณ์ Cavitation ในการระบุตัวตนของเรือผิวน้ำและเรือดำน้ำของฝ่ายตรงข้ามด้วยเซนเซอร์ใต้น้ำชนิด Hydrophone และเครื่องตรวจจับคลื่นโซนาร์อีกด้วย           ก่อนจบบทความ ผู้เขียนอยากทิ้งท้ายว่าปรากฏการณ์ Cavitation ยังถูกประยุกต์ใช้ในอีกหลายด้าน ไม่ว่าจะเป็นวงการวิศวกรรมเคมี การแพทย์ ไปจนถึงการทำความสะอาด แต่ผู้เขียนอยากให้ผู้อ่านไปค้นคว้าหาคำตอบต่อด้วยตนเอง เห็นไหมครับว่า “ฟองอากาศ” ก็มีแง่มุมสนุกๆ มากมายที่หลายคนอาจคิดไม่ถึงให้เราเรียนรู้กัน

 

อ้างอิง

• https://theconstructor.org/concrete/cavitation-damage-in-concrete-and-protection/8890/
• https://www.nuclear-power.net/nuclear-engineering/fluid-dynamics/centrifugal-pumps/cavitation/cavitation-number/
• https://www.scientificamerican.com/article/snapping-shrimp/?fbclid=IwAR0PDU1ErZ7MapsXncwFCj76M6i_LxT-iaC6vcuyPO8mASWm-BhlQBFQ744
• https://fas.org/man/dod-101/sys/ship/docs/cold-war-asw.htm?fbclid=IwAR1LaXLdRcEmhwlLPfPtSBZwaeaOCY0y9qRy2lGGobgrDg8SAWLwo4lMVf8
• https://uboat.net/articles/id/52?fbclid=IwAR2WCn430nRzoyO3MbH9ogz-3bYRdSPYxPIqI7BSxvIjq3hZjEhzEJFqoY4