พลังของแรงดันอากาศมีอิทธิพลสูงมากดูตัวอย่างในคลิปนี้ แท๊งค์น้ำมันถูกดูดอากาศออกจนมีความดันอากาศลดต่ำลงและโดนแรงดันอากาศจากภายนอกดันแท๊งค์เหล็กจนบุบ ซึ่งเรียกว่าเป็นการระเบิดเข้าข้างใน (implosion)
Railroad tank car vacuum implosion
ส่วนพลังของแรงดูดจากสุญญากาศก็มีอิทธิพลไม่แพ้กันอย่างเช่นเครื่องดูดฝุ่นแบบปกติที่เราใช้กันตามบ้านมีแรงดูดอยู่ที่ระดับ 600 Torr ซึ่งถ้าคำนวณแล้วจะมีพลังในการดูดเท่ากับ 21% เท่านั้นเอง ยังไม่มากเท่าไหร่
ลองดูการทดลองอันนี้ใช้เครื่องดูดฝุ่นยกรถได้ทั้งคัน
ลองดูการทดลองอันนี้ใช้เครื่องดูดฝุ่นยกรถได้ทั้งคัน
Lifting A Car With A Vacuum Cleaner | Brit Lab
สำหรับข้อมูลที่กำลังจะอธิบายนี้มีสองเรื่องรวมกันคือเงื่อนไขของ "แรงดันอากาศ" (Atmospheric Pressure) ซึ่งมีคุณสมบัติในการดันออก (push) กับ "สภาวะสุญญากาศ" (Vacuum) ซึ่งมีคุณสมบัติในการดึงหรือดูดเข้า(pull/suction)
ข้อมูลเบื้องต้น
เนื่องจากยานอวกาศหรือ ISS ต้องมีการรักษาสภาพความดันอากาศเพื่อให้มนุษย์อยู่ได้จึงต้องมีการปรับแรงดันอากาศภายในยานอยู่ในระดับปกติเท่ากันกับความดันอากาศของโลกคือ 14.7 psi (760 Torr) ส่วนภายนอกคืออวกาศที่มีสภาวะเป็นสุญญากาศและ ISS ลอยอยู่ที่ระดับความสูง 400 กม. เมื่อเงื่อนไขของทั้งสองอย่างนี้มาเจอกันปฏิกริยาที่เกิดขึ้นจะตรงกันข้ามกับคลิปด้านบนเพราะแรงดันอากาศภายในสถานี ISS จะดันออกบวกกับอนุภาพการดูดของสภาวะสุญญากาศ ดังนั้นผลที่ได้จะเป็นการระเบิดออกข้างนอก (explosion) เหมือนกับกรณีเอากระป๋องน้ำอัดลมใส่เข้าไปในกล่องสุญญากาศแบบนี้
What happens to Soda Cans in a Vacuum Chamber
ภาพจากนาทีที่ 4.40
จากตัวเลขการวัดค่าแรงดันอากาศตามภาพด้านล่าง ในระดับน้ำทะเล (ระดับปกติที่มนุษย์อยู่ได้) เท่ากับ 14.7 psi หรือ 760 Torr และแรงดันอากาศจะยิ่งลดลงเมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้น เมื่อถึงระดับ 100 กม. แรงดันอากาศจะเท่ากับ 0 และเข้าสู่สภาวะสุญญากาศ ซึ่งมีค่าระดับความเป็นสุญญากาศอยู่ในระดับต่ำ (Low Vacuum) และเปลี่ยนจากแรงดันกลายเป็นแรงดูด ตัวอย่างอุปกรณ์ที่ใช้พลังแรงดูด (pull/suction) เช่น เครื่องดูดฝุ่นตามบ้านเรามีแรงดูดเท่ากับ 600 Torr และขวดสุญญากาศที่เก็บรักษาความร้อนและความเย็นได้ (Thermos bottle) อยู่ที่ 10(-3) Torr (0.001Torr)
ทีนี้มาดูเรื่องปฏิกริยาของแรงดันอากาศกับร่างกายกันบ้าง สัตว์แต่ละประเภทรวมทั้งมนุษย์มีค่าระดับแรงดันภายในร่างกายแตกต่างกันขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมที่อาศัยอยู่ เพราะฉะนั้นร่างกายของสัตว์และมนุษย์จึงมีข้อจำกัดในการปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันแตกต่างกัน หากมีการปรับเปลี่ยนสภาพแวดล้อมที่มีความแตกต่างกันอย่างฉับพลันโดยที่ไม่ได้เตรียมตัวมาก่อนหรือไม่ได้มีการป้องกันอาจจะทำให้ถึงแก่ชีวิตได้ อย่างเช่นภาพนี้คือปลาทะเลน้ำลึกที่อาศัยอยู่ใต้มหาสมุทรที่มีค่าแรงดันต่างจากระดับน้ำทะเล (sea level) เมื่อถูกนำขึ้นมาแบบที่ไม่ได้ใช้อุปกรณ์ป้องกันจะทำให้ปลามีอาการ Barotrauma กระเพาะอาหารบวมออกมาทางปาก มีอาการเลือดคั่งในอวัยวะภายใน ตาปูดออกมา มีฟองอากาศในหัวใจและสมอง (เรื่องนี้เดี๋ยวเก็บไว้เขียนละเอียดอีกทีตอนเกี่ยวกับชุดนักบินอวกาศ)
เข้าประเด็น
ลองมาดูการคำนวณโดยใช้วิธีการแปลงค่าง่าย ๆ ที่จะช่วยอธิบายข้อมูลได้ชัดเจนขึ้น คลิปนี้อธิบายเรื่องนี้ได้ดี แอดย่อสรุปความมาให้พร้อมกับเพิ่มเติมข้อมูลนิดหน่อยจะได้เข้าใจ
FAKING SPACE - Apollo & the Vacuum of Space
ในคลิปยกตัวอย่างแท๊งค์น้ำมันนี้ที่ถูกดูดอากาศออกจนเหลือความดันประมาณ 10.5 psi แปลว่าด้านในแท๊งค์มีระดับสุญญากาศน้อยกว่าระดับแรงดันอากาศภายนอกซึ่งก็คือชั้นบรรยากาศของโลกเราแค่ 4.2 psi (แรงดันอากาศที่ผิวน้ำทะเลเท่ากับ 14.7 psi) ดูความเร็วและความรุนแรงของปฏิกริยาระหว่างแรงดันอากาศที่อยู่ภายนอกกับแรงดูดของสุญญากาศภายในแท๊งค์ (นาทีที่ 2.50)
Controlled Demonstration of a Tank Trailer Vacuum Collapse by Wabash National
ตามที่ข้อมูลของเส้น Kármán line กำหนดไว้ว่าขอบเขตของชั้นบรรยากาศโลกกับอวกาศ (outer space) คือระดับความสูงที่ 100 กม. ขึ้นไป ซึ่งจะมีระดับความเป็นสุญญากาศในระดับต่ำ (lower vacuum) มีค่าอยู่ระหว่าง 760 Torr จนถึง 1x10(-3) Torr ส่วน ISS ลอยอยู่ที่ระดับความสูง 254 ไมล์ (400 กม.) มีสภาวะสุญญากาศอยู่ที่ระดับ High Vacuum คือเท่ากับ 1x10(-7) Torr (0.000,000,1 Torr) นั่นก็คือแรงดูดของสภาวะสุญญากาศในระดับที่ ISS ลอยอยู่
จากข้อมูลด้านบน 600 Torr คือมีแรงดูดเท่ากับ 21% แล้วแรงดูด 100% คือมีค่าเท่าไหร่ ในตารางนี้บอกไว้ว่าค่าของแรงดูด 100% ก็ตอนที่ค่า Torr และค่าของทุกตัวเป็น 0 นั่นคือสภาวะสุญญากาศเต็ม 100% ต่อไปคือค่าติดลบซึ่งหมายถึงมากกว่า 100% ขึ้นไป เพราะฉะนั้นสภาวะสุญญากาศของระดับความสูง 400 กม.ที่ ISS ลอยอยู่ มีค่าเท่ากับ 0.000,000,1 Torr คิดเป็นกี่เปอร์เซ็นต์เท่าไหร่??
ทีนี้มาดูเรื่องแรงดันอากาศบ้าง เพื่อให้มนุษย์อยู่ได้แรงดันใน ISS ก็ต้องเท่ากับระดับแรงดันในชั้นบรรยากาศของโลกคือ 14.7 psi (หรือ 760 Torr) เมื่อคำนวณแล้ว 760 Torr มีแรงเท่ากับ 10,332.27 กก./ตร.ม. ที่จะดันออกมาเมื่อ ISS ลอยอยู่ในอวกาศ
แล้วแรงหมื่นกิโลกรัมนี่มันแค่ไหนกัน ลองดูคลิปนี้แท๊งค์น้ำมันถูกดูดอากาศออกใช้มาตรวัดเป็น 23 นิ้วปรอท ซึ่งมีค่าเท่ากับ 7,942.23 กก./ตร.ม. (นาทีที่ 2.56)
Mythbusters 14x02 Tanker Crush Part 09.mp4
นี่ยังไม่ถึงหมื่นกิโลก็บุบเข้าไปขนาดนี้ ถ้าเป็นการระเบิดออก (explosion) เอาแค่ปรินิดเดียวแล้วเจอกับแรงดูดของสุญญากาศระดับ (0.000,000,01 Torr) เข้าไปอีกสภาพคงจะไม่ค่อยน่าดูนักหรอก
เอาล่ะลองมาดูกันบ้างว่าการทดลองเกี่ยวกับสุญญากาศของ NASA เค้ามี facility ยังไง ภาพข้างล่างนี่คือห้องปรับสภาวะสุญญากาศ (Vacuum chamber) ที่ใหญ่ที่สุดในโลกอยู่ที่ศูนย์การวิจัยเกลนน (Glen Research Center) ของ NASA ที่รัฐโอไฮโอ ประเทศสหรัฐอเมริกา
ห้องควบคุมระดับสุญญากาศนี้มีขนาดใหญ่มากทำจากคอนกรีตหนา 1.8-2.4 ม. มีความสูง 37.2 ม. เส้นผ่าศูนย์กลาง 30.5 ม. สามารถรองรับระดับสุญญากาศได้ 2x10(-6) Torr (0.000,002 Torr) ซึ่งใช้เวลาปั๊มอากาศออกไม่ถึง 8 ชม. แต่โดยการทดลองปกติใช้ระดับสุญญากาศที่ 20 Torr
ห้องสุญญากาศที่ศูนย์วิจัย Glenn Research Center นี่สร้างเสร็จเมื่อปี 1969 ปีเดียวกับที่อพอลโล 11 ไปดวงจันทร์เลย (อพอลโล 11 ไปถึงดวงจันทร์เมื่อวันที่ 20 ก.ค. 1969 แต่ข่าวเปิดห้องสุญญากาศนี่ลงหนังสือพิมพ์วันที่ 8 ต.ค. 1969)
ลองเปรียบเทียบกับความแข็งแรงของห้องคอนกรีตกับลักษณะของยาน Lunar Module ที่ NASA ส่งไปดวงจันทร์เมื่อ 50 ปีที่แล้ว
ระดับสุญญากาศบนพื้นผิวของดวงจันทร์เท่ากับ 1x10(-11) Torr (0.000,000,000,01 Torr) ซึ่งมากกว่าระดับสุญญากาศที่ศูนย์วิจัย Glen Research Center จะรับได้ (0.000,002 Torr) ก็น่าแปลกที่ว่า NASA สามารถส่งยานอพอลโลพร้อมมนุษย์ไปถึงดวงจันทร์ได้สำเร็จตั้ง 6 ครั้ง ทั้งที่มี facility ที่ใช้ในการจำลองสภาวะสุญญากาศได้น้อยกว่าบนดวงจันทร์ไม่รู้ตั้งกี่เท่า?? (0.000,000,000,01 - 0.000,002 = 0.000,000,199,99 Torr)
ทีนี้เพื่อความสมบูรณ์ของข้อมูลและเพื่อความยุติธรรมกับผู้อ่าน แอดจะนำเสนอข้อมูลจากเพจ Round Earth Thailand - โลกกลม ในเรื่องเดียวกันนี้ให้ได้อ่านเปรียบเทียบกันเองนะ
---------------------------------------------------------------------