มหัศจรรย์แห่งลูกโป่งสวรรค์

เมื่อนำลูกโป่งสวรรค์เข้าไปในรถตู้หรือรถบัสปรับอากาศ (ปิดประตูและหน้าต่าง) จับเชือกหรือผูกให้ลูกโป่งลอยอยู่ในแนวดิ่งในขณะที่รถจอดอยู่ เมื่อรถออกตัวด้วยความเร่ง ถ้าให้ทำนายว่าลูกโป่งจะเซไปทางใด ส่วนใหญ่เราจะเดาว่าเซไปทางหลังรถ (ตรงข้ามกับที่รถเร่งออกไป) เนื่องจากตัวเราเซไปด้านหลังรถ เราก็เลยทำนายแบบนั้น แต่เชื่อไหมครับว่า ลูกโป่งเซไปหน้ารถ ! แล้วทำไมเป็นเช่นนั้น ? มาไขปริศนากัน

ทั้งอากาศและน้ำเป็นของไหล (Fluid) เหมือนกัน คือ เปลี่ยนรูปร่างไปตามภาชนะที่ใส่ เนื่องจากน้ำมองเห็นได้จึงขอทดลองโดยใช้น้ำก่อนนะครับ ถ้านำน้ำใส่กล่องพลาสติกใสแล้วนำลูกบอลพลาสติกสีส้มตรึงด้วยเชือกและถ่วงด้วยก้อนทองเหลืองใส่ลงไปในน้ำ จะเห็นได้ว่าลูกบอลลอยเช่นเดียวกับลูกโป่งสวรรค์สีแดงที่ใส่ในกล่องกระจกคว่ำเป็นแบบจำลองหรือ Model คล้ายรถบัส ดังรูป

ลูกบอลตรึงด้วยเชือกและถ่วงก้อนทองเหลืองในกล่องน้ำพลาสติก

ลูกโป่งสวรรค์ในตู้กระจก

ทั้งสองลูกจะลอยในแนวดิ่ง เมื่อลากกล่องพลาสติกออกไปทางขวาด้วยความเร่ง ลูกบอลจะเซไปทางขวาเช่นเดียวกับลูกโป่งสวรรค์ที่อยู่ในกล่องกระจก เมื่อลากรถออกไปทางขวาลูกโป่งก็จะเซไปทางขวาเช่นเดียวกันกับลูกบอล มันเป็นเช่นนั้นเพราะการกระฉอกของน้ำ เมื่อลากกล่องไปทางขวาน้ำที่เป็นของไหลมีความเฉื่อยในการส่งผ่านแรงจึงทำให้กระฉอกไปกองอยู่ที่ผนังด้านซ้าย ทำให้ผิวน้ำที่เคยอยู่ในแนวระดับขณะนี้เฉียงขึ้นไปทางด้านซ้ายดังรูป และนี่คือสาเหตุที่ทำให้ลูกบอลเซไปทางขวาหรือทางเดียวกับการเคลื่อนที่

เมื่อลากกล่องบรรจุน้ำไปทางขวาทำให้ผิวน้ำเฉียงขึ้นไปทางซ้ายและลูกบอลเซไปทางขวา

เมื่อพิจารณาความดันเนื่องจากน้ำหนักของของเหลวหรือความดันเกจมีค่าเท่ากับ

เมื่อ ρ คือ ความหนาแน่นของของเหลว

      h คือ ความลึกวัดจากผิวของของเหลว

      g คือ ความเร่งโน้มถ่วงของโลกเป็นค่าคงที่เท่ากับ 9.81 m/s²

จึงสรุปจากสมการที่ (1) ได้ว่า ของเหลวชนิดเดียวกันถ้าลึกระดับเดียวกันความดันเท่ากันและบริเวณใดลึกกว่าจะมีความดันมากกว่าและแรงดัน F มีค่า

เมื่อ P คือ ความดันที่จุดนั้น

     A คือ พื้นที่ที่แรงกระทำ

เมื่อพิจารณาภาพของน้ำขณะที่กระฉอกดังรูป

จากรูปจะเห็นได้ว่า เดิมความลึกของน้ำทางด้านซ้ายและขวาของลูกบอลเท่ากันผิวบนอยู่ในแนวระดับ  เท่ากับ  จึงได้  ลูกบอลลอยอยู่ในแนวดิ่ง แต่เมื่อออกแรงดึงรถ  ออกตัวด้วยความเร่ง  ไปทางขวาน้ำจะกระฉอกทำให้ผิวน้ำเอียง ระดับน้ำลึก  มากกว่า  จากสมการ (3) จะได้ จึงได้ ลูกบอลจึงเคลื่อนที่ไปทางขวาด้านเดียวกับการเคลื่อนที่ของรถชั่วขณะที่รถออกตัว เมื่อระดับน้ำเปลี่ยนระดับให้ผิวบนอยู่ในแนวระดับลูกบอลจะลอยในแนวดิ่งเหมือนเดิม

ลูกโป่งสวรรค์ก็เช่นเดียวกัน ขณะที่รถออกตัวอากาศเกิดการกระฉอกในภาชนะปิดคือตู้กระจกหรือรถที่ปิดแบบเดียวกันจึงเอียงไปทางหน้ารถ ดังรูป

ลูกโป่งเซไปทางขวาขณะที่ดึงรถไปทางขวาด้วยความเร่ง a

แต่ถ้าไม่เป็นภาชนะปิดคือนำตู้กระจกออกจะไม่มีการกระฉอกของอากาศลูกโป่งสวรรค์จะเอียงไปทางซ้ายดังรูป

และนี่คือคำตอบของปริศนานี้