ทรายศาสตร

เราสามารถพบเห็นวัสดุที่เปนเม็ดเล็กละเอียด เชน ทราย ผงกาแฟ ผงซักฟอก ผงพริกไทย ฯลฯ ไดทุก หนทุกแหง และเราก็รูวาเศษธุลีเล็กๆ เหลานี้มีบทบาทและ ความสํ าคัญมากในชีวิตเรา แตคุณผูอานอาจจะไม เชื่อหู หากผมจะบอกวา นักฟสิกสเขาใจ และรูจักอิเล็กตรอน อะตอมหรือดาว ดียิ่งกวากองทราย กองเกลือ และกองนํ้ าตาล

เราทุกคนรูวาเวลาเราเทวัสดุเม็ดเล็กๆ เชนทรายที่แหงสนิท มันจะมีสภาพเปน ของเหลวที่ไหลตอเนื่อง แตในขณะเดียวกัน หากเราตองการจะยืนหรือนั่งบนทราย เราก็ สามารถกระทําไดงาย เพราะมันมีสภาพเปนของแข็ง หรือเวลาที่ทรายเปยกชื้น แมแต เพียงเล็กนอย เราก็สามารถปนมันมาทํ าเปนปราสาททรายได แตเราจะเดินบนนํ้ า หรือ ปนนํ้าไมไดเลย

ในชวงเวลา 10 ปที่ผานมานี้ นักวิทยาศาสตรไดทุมเทศึกษาคุณสมบัติตางๆ ของทราย เชน พฤติกรรมของกองทรายในยามพายุพัด ผลที่เกิดเมื่อเราโรยทรายลงในกองทีละเม็ด หรือเทลง หลายเม็ดพรอมกัน แรงที่กระทํ าตอเม็ดทรายที่อยูที่ตําแหนงตางๆ ในกอง เชนที่ลางสุดหรือที่ริมกอง เปนตน

เราทุกคนอาจจะนึกวาการถูกฝงทรายลึก 30 เมตร นั้น ทารุณยิ่งกวาการถูกฝงทรายลึก 3 เมตร แตความ จริงมีอยูวา การถูกทรายอัดตายที่ระดับลึก 30 เมตรนั้นทารุณพอๆ กับการตายที่ระดับลึก 3 เมตร เพราะความ ดันที่กนบอทราย ไมขึ้นกับความลึกของบอทรายเลย ซึ่งเรื่องนี้แตกตางจากกรณีของนํ้ าเพราะเวลาเราเทของ เหลวลงในภาชนะ เราทุกคนรูวาที่กนภาชนะมีความดันของของเหลว ซึ่งถาของเหลวมีปริมาณยิ่งมาก ความดัน ก็จะยิ่งสูง แตในกรณีของทรายในภาชนะ ความดันที่ฐานของภาชนะไมไดแปรโดยตรงกับความลึก โดยความดัน จะเพิ่มตามความลึก จนถึงระดับหนึ่งแลวความดันจะมีคาที่สุด ไมวาเราจะใสทรายอีกเพียงใด ความดันที่ฐานก็ จะไมเพิ่มอีกเลย และนี่ก็คือเหตุผลที่วา เหตุใดนาฬิกาทราย จึงทํ างานไดคอนขางตรงเวลา เพราะเม็ดทรายจะ ไหลตกผานคอคอดของนาฬิกาทรายในอัตราที่ “สมํ่ าเสมอ” ถึงแมปริมาณทรายในหลอดบนจะพรองไปมากก็ ตาม

H. Jaeger แหงมหาวิทยาลัย Chicago ในสหรัฐอเมริกา ไดอธิบายเหตุการณนี้วาเปน เพราะแรง ระหวางเม็ดทราย ไดเบี่ยงเบนนํ้ าหนักของเม็ดทรายมิใหกดลงตรงๆ แตจะเบนใหแรงพุงไปกระทํ าที่ผนังของ ภาชนะแทน ดังนั้นผนังของภาชนะจึงรับแรงกดมากกวาฐานของภาชนะ Jager ยังพบอีกวาแรงๆ นี้มิไดกระทํ า อยางสมํ่ าเสมอที่เม็ดทรายทุกเม็ดในกอง แรง กระทํ าจะมากหรือนอยเพียงใดขึ้นกับตําแหนงที่เม็ดทรายนั้นๆ อยู

ฉันใดก็ฉันนั้น เพราะเราทุกคนคงเคยเห็นแลววา เวลาเราเทนํ้ าตาลลงบนโตะ กองนํ้ าตาลมีลักษณะ เปนกรวย ในการวัดความดันอันเกิดจากกองน้ำตาล ณ ตํ าแหนงตางๆ ที่ฐานกอง นักวิทยาศาสตรไดพบวา บริเวณที่ขอบกองนํ้าตาลเปนตําแหนงที่ความดันมีคาสูงสุด หาใชที่จุดศูนยกลางของฐานกองไม และความดันจะ มีคามาก หรือนอยขึ้นกับวาเราสรางกองขึ้นมาโดยโรยน้ำตาลลงทีละเม็ด หรือเทลงใหเปนกองทีเดียว นักวิทยา ศาสตรหลายคนกําลังหาทางอธิบายเหตุการณ “ประหลาด” เชนนี้อยู่

หรือในกรณีการสรางปราสาททราย เราก็จะเห็นวาทรายที่แหง และทรายที่เปยกจะมีคุณสมบัติที่แตกตาง กันมากมาย คือ ทรายเปยกมักจะจับกันเปนกอน แตทรายแหงนั้นมักจะรวนเปนเม็ด การที่เปนเชนนี้เพราะเม็ด ทรายเปยกมีนํ้าเคลือบทําใหเกิดแรงยึดเหนี่ยวระหวางเม็ดทราย

ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 19 เดือนมิถุนายน 2540 นี้ P. Schiffer แหงมหาวิทยาลัย Notre Dame ในสหรัฐอเมริกา ไดทดลองเคลือบเม็ดลูกปดที่ทํ าดวย polystyrene ขนาดเสนผาศูนยกลาง 0.8 มิลิเมตร โดยใช นํ้ามัน เขาพบวาเมื่อเขาเคลือบนํ้ ามันจนหนา 0.00005 มิลิเมตร เม็ดลูกปดสามารถกอตัวเปนกองสูงได ใน อนาคตเขามีกําหนดศึกษาคุณสมบัติของทรายเปยก วาขึ้นกับ ปริมาณของของเหลวที่เคลือบเม็ดมันอยางไร

สวน D. Goldsack แหงมหาวิทยาลัย Laurentian ในแคนาดา ก็กํ าลังสนใจวาเนินทรายในทะเลทราย สงเสียงไดอยางไร จากการที่นักทองทะเลทรายรายงานวา ไดยินเสียงทรายรอง และหลายคนคิดวาเปนเสียงของ ปศาจในทะเลทรายรอง แตปจจุบันนี้เราไดรูแลววา เวลาเนินทรายสงเสียงที่ความถี่ระดับ baritone หรือ soprano นั้น เม็ดทรายเคลื่อนที่ แตนักวิทยาศาสตรก็ยัง ตกลงกันไมไดวา การเคลื่อนที่ของทรายรูปแบบใดที่ทํ า ใหเราไดยินเสียงรํ่าไหของทะเลทราย

จะนํ้ าตาลทราย หรือจะกองทราย ก็นาสนใจ ถึงแมจะดูภายนอกแตกตางกันมาก แตโครงสรางภายในก็ เปนคนละเรื่องเดียวกัน

ที่มา : ดร.สุทัศน์ ยกส้าน
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)