● วิทยาศาสตร์ .. ในรถไฟเหาะ ●

เป็นเครื่องเล่นในสวนสนุกที่ทุกคนย่อมไม่พลาด หากจะอธิบายด้วยหลักการทางวิทยาศาสตร์ รถไฟเหาะทำงานอย่างไร?

เครื่องเล่นในสวนสนุกสำหรับคนที่ชอบความตื่นเต้นท้าทายต้องไม่พลาด และถือเป็น Hi-light ของสวนสนุกทุกแห่งในโลก คือ รถไฟเหาะ หรือ Roller Coaster เครื่องเล่นชนิดนี้มีความน่าสนใจ เพราะเป็นเครื่องเล่นในดินแดนแห่งความสุขชิ้นแรกของโลก ที่ถูกสร้างขี้นมาโดยชาวฝรั่งเศส และพัฒนาต่อมาโดยสหรัฐอเมริกา มีจุดเริ่มต้นมาจากเลื่อนน้ำแข็ง กีฬายอดฮิตของชาวรัสเซีย แต่ในช่วงนั้นประมาณคริสต์ศตวรรษที่ 16 และ 17 เรียกกีฬานี้ว่า ภูเขาของรัสเซีย โดยผู้เล่นจะเลื่อนตัวลงมาตามทางลาดที่ทำด้วยน้ำแข็งสูงประมาณ 21 เมตร ซึ่งถือว่าสูงเอาการทีเดียว

ในปี ค.ศ.1817 ฝรั่งเศสดัดแปลงเป็นตัวรถเลื่อนบนน้ำแข็ง ส่วนที่อเมริกา รถไฟเหาะเริ่มต้นเมื่อกลางคริสต์ศตวรรษที่ 18 ขณะนั้นออกแบบเป็นรถไฟขนถ่านหินระยะทางยาว 29  กิโลเมตร เลื่อนลงมาจากภูเขา ตอนนั้นใช้สัตว์ เช่น ลาและม้า ช่วยลาก แต่เมื่อมีการประดิษฐ์รถจักรไอน้ำ จึงเปลี่ยนมาใช้เครื่องจักรแทนสัตว์ผู้น่าสงสาร

เมื่อยุคการใช้ถ่านหินหมดความนิยมลง รถไฟเหล่านี้จึงถูกดัดแปลงมาเป็นรถนำเที่ยวชมวิวบนภูเขา มีการเพิ่มกิจกรรมรื่นเริงต่างๆ ทำให้ทุกปีมีนักท่องเที่ยวขึ้นรถไฟหลายพันคน ต่อมาอีก 30 ปี อเมริกาจึงดัดแปลงรถไฟเหล่านี้เป็นรถไฟเหาะเล่นกันอยู่ในสวนสนุกจนเป็นที่นิยมกันมาก

พอสงครามโลกครั้งที่ 2 เกิดขึ้น เศรษฐกิจตกต่ำการผลิตรถไฟเหาะจึงลดลง แต่กลับมาบูมอีกครั้งในปี 1990 เมื่อเศรษฐกิจฟื้นตัว ธุรกิจสวนสนุกกลับมาได้รับความนิยมอีกครั้ง รถไฟเหาะเปลี่ยนเป็นโครงสร้างแบบเหล็ก ทำให้ผู้เล่นรู้สึกมั่นคงและปลอดภัย แถมวิศวกรยังใส่ลูกเล่นเพื่อเพิ่มความสนุกตื่นเต้นท้าทายมากขึ้น อันเป็นเสน่ห์ของรถไฟเหาะที่ได้รับความนิยม

หลักการทำงานของรถไฟเหาะคล้ายๆ กับการเคลื่อนที่ของรถรางเด็กเล่น คือ ใช้พลังงานขับเคลื่อนให้วิ่งไปตามราง แต่สำหรับรถไฟเหาะเป็นรถรางที่ขยายขนาดขึ้นและวิ่งด้วยความเร็วสูง เพราะรถไฟเหาะทำงานโดยอาศัยกฏทรงพลังงานที่ว่าพลังงานภายในระบบต้องคงที่ ถ้าพลังงานไม่มีการไหลเข้าหรือออกจากระบบ และพลังงานสามารถเปลี่ยนรูปไปเป็นพลังงานอื่นได้ สำหรับกรณีนี้จึงหมายถึง พลังงานศักย์ (คือ พลังงานที่สะสมในวัตถุหนึ่งๆ ที่ยังไม่ได้ปลดปล่อยออกมา) และ พลังงานจลน์ (คือ พลังงานที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุ) ที่จะเกิดการเปลี่ยนกลับไปมาระหว่างกันในระหว่างที่รถไฟเหาะเคลื่อนที่ไป

การเคลื่อนที่ของรถไฟเหาะทั้งหมดจะเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนพลังงานศักย์ที่เกิดจากการลากรถไฟขึ้นไปบนจุดสูงสุดจากพื้นดิน ให้กลายรูปมาเป็นพลังงานจลน์ได้ โดย ณ ตำแหน่งเริ่มต้นนั้น พลังงานศักย์จะมีค่ามากที่สุด ส่วนพลังงานจลน์จะมีค่าน้อยที่สุด แล้วเมื่อรถไฟเคลื่อนที่ไป พลังงานศักย์จะค่อยๆ ลดลง และพลังงานจลน์จะค่อยๆ เพิ่มขึ้น ตำแหน่งที่รถไฟเคลื่อนที่เร็วที่สุดนั้น พลังงานศักย์จะมีค่าน้อยที่สุด ในขณะที่จะมีค่าพลังงานจลน์สูงที่สุด

รถไฟเหาะเคลื่อนที่ลงมาจากเนินเริ่มต้นหรือเนินแรกด้วยแรงโน้มถ่วง โดยแรงโน้มถ่วงจะดังให้รถไฟไหลลงมาตามราง และเปลี่ยนพลังงานศัพย์ที่สะสมอยู่ในรถไฟให้เปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ ยิ่งรถไฟอยู่สูงจากพื้นมากเท่าไร พลังงานศักย์ยิ่งมีค่ามากขึ้นเท่านั้น แรงโน้มถ่วงจะเปลี่ยนพลังงานศัพย์ที่สะสมอยู่ให้เป็นพลังงานจลน์เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ความเร็วของรถไฟจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ยิ่งเนินแรกสูงมากเท่าไร ยิ่งมีพลังงานศักย์สะสมมาก จะทำให้ได้ความเร็วของรถไฟมากขึ้นเท่านั้น โดยที่ความเฉื่อยจะทำให้รถไฟเคลื่อนที่ต่อไปได้เรื่อยๆ ตราบเท่าที่ยังคงมีพลังงานเหลืออยู่ ซึ่งจะเหมือนกับการที่เราปล่อยให้จักรยานไหลลงจากเนินเขา เราจะไม่ต้องออกแรงใดๆ เพิ่มเติมอีก ยิ่งเนินเขาสูงมาก เราจะพบว่า รถจักรยานของเราวิ่งลงจากเนินเขาด้วยความเร็วที่มากขึ้น และรถจักรยานของเราจะยังคงวิ่งต่อไปได้เรื่อยๆ ถ้าเราไม่หยุดมันหรือบางครั้งเราอยากจะหยุดมัน แต่ด้วยความเร็วที่วิ่งมา ทำให้หยุดไม่ได้ เพราะยิ่งเร็วมาก ความเฉื่อยก็ยิ่งมาก ถ้าอยากทดลองทำดูบ้าง ต้องตั้งหลักดีๆ หรือมีการป้องกันอันตรายที่เพียงพอ ไม่อย่างนั้นรับรองได้ว่า ได้กลิ้งออกข้างทาง จนได้เลือดกันเลยทีเดียว

สังเกตไหมทำไมเนินที่สองหรือเนินถัดมาจะมีขนาดเตี้ยกว่าเนินแรก หรือเนินก่อนหน้า?
เหตุผลจริงๆ คือ ระบบการเคลื่อนที่ของรถไฟเหาะนั้นจะมีแรงเสียดทานที่ระบบล้อและราง รวมถึงแรงต้านอากาศ ทำให้พลังงานรวมในระบบค่อยๆ ลดลง เมื่อรถไฟเคลื่อนที่ไปตามราง ถ้าเราทำการวัดจริงๆ จะพบว่ามีผลรวมของพลังงานศักย์และพลังงานจลน์ของระบบจะลดลงตามระยะทางที่เคลื่อนที่ โดยพลังงานที่หายไปจะกลายไปเป็นพลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นจากการเสียดสีระหว่างล้อกับราง และพลังงานกลที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของราง เกิดเป็นเสียงดังๆ ที่เราได้ยิน ดังนั้น เนินถัดไปจึงต้องมีขนาดเตี้ยลงไปตามลำดับ

นี่คือวิทยาศาสตร์ที่แฝงอยุ่ในความสนุกตื่นเต้นของรถไฟเหาะ

ไปสวนสนุกครั้งต่อไปลองสังเกตวิทยาศาสตร์ในเครื่องเล่นอื่นๆ ดูบ้าง เพราะจะทำให้เราได้อรรถรสอีกแบบหนึ่งกลับบ้าน นอกจากความสนุกแต่เพียงอย่างเดียว

เครดิต ... อพวช.