"ลูกข่างโว้" หมุน ๆ สร้างเสียง

"เสียง" เป็นคลื่นที่ส่งผ่านในอากาศจากแหล่งกำเนิดเสียงไปยังหูผู้ฟัง โดยการอัดและขยายของโมเลกุลอากาศในทิศเดียวกับการเคลื่อนที่ของเสียง ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความดันอากาศแล้วส่งผ่านพลังงานไปได้ จึงเรียกเสียงว่า คลื่นความดัน (Pressure Wave) และเป็นคลื่นตามยาว รวมทั้งเป็นคลื่นกล คือต้องอาศัยตัวกลางในการเคลื่อนที่ แต่ที่สำคัญคือ จะได้ยินเสียงต้องมีแหล่งกำเนิดเสียงที่ทำให้เกิดเสียง และเสียงจะไพเราะเพียงใดขึ้นกับคุณภาพเสียงจากแหล่งกำเนิดเสียง ซึ่งโดยทั่วไปทำให้เกิดเสียงได้จากการดีด สี ตี เป่า เขย่า เคาะ ที่ล้วนเป็นการทำให้มีการสั่น แต่ของเล่นมหัศจรรย์ชิ้นหนึ่งที่เกิดจากภูมิปัญญาท้องถิ่นและวัสดุธรรมชาติคือ “ลูกข่างโว้” มีความมหัศจรรย์ เนื่องจากเป็นแหล่งกำเนิดเสียงที่ทำให้เกิดเสียงเมื่อมันร่ายรำหมุนติ้วรอบตัวเอง

ลูกข่างโว้ทำจากกระบอกไม้ไผ่ยาวประมาณ 6-7 เซนติเมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 4-5 เซนติเมตร ปิดหัวท้าย มีแกนเสียบทะลุกลาง ทั้งนี้ขนาดทั้งความยาวและเส้นผ่านศูนย์กลางจะมีผลต่อความถี่เสียงและคุณภาพของเสียงทั้งสิ้น ส่วนด้านข้างมีช่องเจาะยาว ดังรูป

นำเชือกพันรอบแกนลูกข่างหึ่งแล้วใช้ไม้เจาะรูที่หัวเป็นตัวช่วย

จากการทดลองเมื่อพันเชือกรอบแกนกลางลูกข่าง แล้วใช้ไม้ที่เจาะรูมาคู่กันเป็นตัวช่วยดึงเชือกอย่างเร็ว เส้นเชือกจะดึงให้ลูกข่างหมุนซึ่งต้องมีความเร็วเชิงมุมมากจนถึงค่าหนึ่งจึงจะมีเสียงหึ่งอย่างไพเราะ และเมื่อลูกข่างหมุนไปช่วงระยะเวลาหนึ่งความเร็วเชิงมุมลดลงจนถึงค่าหนึ่งเสียงหึ่งจะหายไปทั้งที่ลูกข่างยังหมุนอยู่

ร้อยเชือกที่พันรอบแกนลูกข่างโว้กับไม้ตัวช่วย

ร้อยเชือกเสร็จพร้อมดึง

เมื่อดึงเชือกพร้อมปล่อยลงพื้นก็จะพบกับการบรรเลงเสียงจากลูกข่างโว้

เมื่อความเร็วลดลงถึงค่าหนึ่ง เสียงจะหายไปขณะที่ลูกข่างยังร่ายรำต่อไป

เมื่อทดลองโดยนำลูกข่างไปติดกับสว่านหมุนดังรูป ลูกข่างจะมีเสียงหึ่งก็ต่อเมื่อสว่านมีความเร็วเชิงมุมมากถึงค่าหนึ่งเช่นกัน ถ้าน้อยกว่าค่านี้จะไม่ได้ยินเสียงหึ่งออกมา

เสียงหึ่งที่เกิดจากการร่ายรำของลูกข่างที่มีช่องเจาะด้านข้างคล้ายกับขลุ่ยหรือนกหวีด แต่มีช่องเดียวเมื่อเทียบกับขลุ่ยหรือนกหวีดมีมากกว่า 2 ช่อง ดังรูป

นกหวีดดินเผาและขลุ่ย

ถ้าเป่าขลุ่ยหรือนกหวีดเมื่อไรก็ดังเมื่อนั้น เพียงแต่จะดังมากหรือค่อยก็ขึ้นกับความแรงลมเป่าหรือแรงดัน แต่เนื่องจากลูกข่างโว้มีช่องเดียวเมื่อลูกข่างหมุนตัดกับอากาศจะทำให้อากาศไหลเข้าทางเดียวจึงยังไม่มีเสียงที่เกิดจากการไหลออกเหมือนขลุ่ยหรือนกหวีด

หลักการเกิดเสียงจากลูกข่างโว้ที่มีช่องเดียวเหมือนกับเมื่อเป่าอากาศจากปากผ่านปากขวด ดังรูป

แหล่งกำเนิดเสียงแบบนี้เรียกว่า ตัวสั่นพ้องของ Helmholtz (Helmholtz resonator or Helmholtz oscillator) มีหลักการคือ เมื่อเป่าลำอากาศเป็นเส้นกระแสอากาศจากปากผ่านปากขวด ส่วนหนึ่งของลำอากาศเข้าไปในขวดทำให้ความดันอากาศที่คอขวดมากขึ้นชั่วขณะ ดันลำอากาศที่คอขวดลงไปเล็กน้อย อากาศในขวดจึงมีความดันเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว จนมีค่ามากกว่าความดันบรรยากาศปกติ ในขณะเดียวกันลำอากาศส่วนที่เหลือจากกระแสอากาศที่เป่า ไหลผ่านเหนือปากขวดด้านบน ทำให้เหนือปากขวดมีความดันน้อยกว่าความดันบรรยากาศตามสมการแบร์นูลลี (Bernoulli ‘s Equation) อากาศในขวดจึงดันลำอากาศบริเวณคอขวดให้ขยับขึ้น แต่เนื่องจากลำอากาศมีโมเมนตัมจึงถูกดันให้เลยออกจากปากขวด อากาศบางส่วนจึงถูกดันออกนอกขวด มีผลให้ความดันในขวดลดลง

ปรากฏการณ์นี้ทำให้ลำอากาศที่คอขวดขยับขึ้นและลง เกิดการสั่นของเส้นกระแสอากาศ จึงมีการกระเพื่อมขึ้น-ลงเช่นเดียวกับการสั่นของอนุภาคทั่วไป มือที่จับขวดขณะที่เป่าที่ปากขวดจะรับรู้ความรู้สึกของการสั่นได้ชัดเจน และการสั่นนี้ทำให้เกิดเสียงจากปากขวด รวมทั้งเกิดเสียงจากลูกข่างหึ่งเมื่อเป่าด้วยปากเช่นกัน

ปกติอากาศไหลผ่านช่องของลูกข่างโว้เป็นสายกระแสอากาศเป็นชั้น ดังรูปที่ 1 ในกรณีที่ลูกข่างหมุนช้า ๆ แต่ถ้าหมุนลูกข่างด้วยความเร็วของการหมุนถึงความเร็วจำกัดค่าหนึ่ง จะเริ่มมีภาวะปั่นป่วน (Turbulent) ของอากาศเกิดขึ้น ดังรูปที่ 2 จึงมีการกระเพื่อมของกระแสอากาศ ทำให้มีอากาศบางส่วนไหลผ่านช่องเจาะออกไปและบางส่วนออกมาจากช่องที่เจาะ เนื่องจากการสั่นของกระแสอากาศ ดังรูปที่ 3 จึงเริ่มมีเสียง

เมื่อความเร็วของการหมุนลูกข่างมากกว่าความเร็วจำกัดมาก ๆ จะเกิดเสียงหึ่งดังขึ้นมาอย่างไพเราะ เนื่องจากกระแสอากาศปั่นป่วนดันออกมาต่อเนื่องเช่นเดียวกับอากาศที่ผ่านเข้าไป โดยปกติเสียงเกิดจากการสั่นของวัตถุหรืออนุภาค แต่ในกรณีนี้ความถี่เสี่ยงที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงความดันอากาศที่ไหลผ่านช่องด้านข้างของลูกข่างโว้มีหลายความถี่ แต่ความถี่เสียงที่ดังออกมาต้องสั่นพ้องกับความถี่ธรรมชาติของการสั่นของโมเลกุลอากาศในลูกข่างโว้ และความถี่นี้จะสัมพันธ์กับความถี่ของการหมุนหรือความเร็วของการหมุนของลูกข่างโว้ด้วย ส่วนคุณภาพเสียงและความถี่ขึ้นกับความเร็วเสียง พื้นที่ของปากช่องด้านข้าง ความยาวของช่อง และปริมาตรของท่อไม้ไผ่ที่ทำให้เกิดการสั่นพ้อง (Resonance) เสียงที่ได้ยินจากลูกข่างแต่ละขนาดจึงแตกต่างกันไป