การศึกษาการเปลี่ยนแปลงรูปแบบการไหลของของไหลจากค่าวิกฤติของเลขเรย์โนลด์โดยใช้ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของคลื่นอัลตราโซนิก

ชื่อนักเรียนผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

ณัฐชนน แตรตุลาการ, วิธิณัฐ ธีร์วิริยะ, ณัฐพล ธรณนิธิกุล

อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์

ธัญนันท์ สมนาม

โรงเรียนที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์

โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์

ปีที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์

พ.ศ. 2562

บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์

ทุกคนคงเคยได้ยินเสียงหวอของรถพยาบาลที่เมื่อเคลื่อนที่เข้าใกล้เสียงหวอจะแหลมขึ้น แต่เมื่อเคลื่อนที่ออกห่างเสียงหวอจะทุ้มลง สาเหตุของการเปลี่ยนระดับเสียงนี้คือความถี่ของเสียงจากแหล่งกำเนิดที่เคลื่อนที่นั้นมีการเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งเป็นผลมาจากปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ (Doppler effect)

ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์คือปรากฏการณ์ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงความถี่ของคลื่น เนื่องจากแหล่งกำเนิดคลื่นและผู้สังเกตเคลื่อนที่สัมพัทธ์กัน เมื่อแหล่งกำเนิดคลื่นและผู้สังเกตเคลื่อนที่เข้าหากัน ความถี่ของคลื่นเสียงที่ผู้สังเกตได้รับจะมากขึ้นทำให้ได้ยินเสียงแหลมขึ้น หากแหล่งกำเนิดคลื่นและผู้สังเกตเคลื่อนที่ออกจากกัน ความถี่ของคลื่นเสียงที่ผู้สังเกตได้รับจะน้อยลงทำให้ได้ยินเสียงทุ้มลง ซึ่งปรากฏการณ์ดอปเพลอร์นั้นสามารถนำไปอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ มากมาย เช่น การคำนวณระยะห่างของกาแล็กซีหนึ่งๆ จากโลก โดยสังเกตจากการเลื่อนทางแดง (red shift) ของเส้นสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบดูดกลืน (absorption line) อันนำไปสู่ข้อสรุปเกี่ยวกับการขยายตัวของจักรวาล (Christianson, 1995) การใช้เรดาร์ในการตรวจสอบการเคลื่อนไหวของเป้าหมาย (Chen, Li, Ho, & Wechsler, 2006) หรือการคำนวณอัตราเร็วในการไหลของของไหลที่มีอนุภาคเคลื่อนที่ไปพร้อมกับของไหล (Bernard, 1983) ตามความสัมพันธ์ต่อไปนี้

∆f=2f_0 v/c cos⁡α

เมื่อ ∆f คือ ผลต่างระหว่างความถี่คลื่นที่ส่งออกมาจากแหล่งกำเนิดคลื่นและความถี่คลื่นที่สะท้อนกับอนุภาคในของไหลกลับไปยังตัวรับคลื่น (Hz)

f_0 คือ ความถี่ของคลื่นที่ส่งออกมาจากแหล่งกำเนิดคลื่น (Hz)

v คือ อัตราเร็วของของไหลซึ่งเท่ากับอัตราเร็วของอนุภาคในของไหล (m/s)

c คือ อัตราเร็วของเสียงในของไหล (m/s)

α คือ มุมระหว่างแนวการเคลื่อนที่ของคลื่นที่ส่งออกมาจากแหล่งกำเนิดคลื่นและแนวการเคลื่อนที่ของอนุภาคในของไหล (°)

ทางคณะผู้พัฒนาโครงงานจึงเล็งเห็นว่าปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของคลื่นสามารถนำมาประยุกต์ใช้เพื่อศึกษาคุณสมบัติของของไหลได้ เช่น อัตราเร็วของของไหล อัตราการไหล (flow rate) ความต้านทานการไหล (flow resistance) ความหนืด (viscosity) รวมไปถึงการคำนวณเลขเรย์โนลด์ (Reynolds number) ซึ่งเป็นปริมาณที่สามารถบ่งบอกถึงรูปแบบการไหลของของไหล (Osborne, 1883) ได้ว่าเป็นการไหลแบบราบเรียบ (laminar flow) หรือการไหลแบบปั่นป่วน (turbulent flow)

ในโครงงานนี้ ทางคณะผู้พัฒนาโครงงานมีแนวคิดที่จะศึกษาค่าวิกฤติของเลขเรย์โนลด์ (critical Reynolds number) ซึ่งจะบ่งบอกจุดของการเปลี่ยนแปลงสภาพการไหลของของไหลใดๆ จากการไหลแบบราบเรียบไปเป็นการไหลแบบปั่นป่วน โดยจะศึกษาค่าวิกฤติของเลขเรย์โนลด์ในสารละลายที่เป็นส่วนผสมของน้ำและกลีเซอรอล ซึ่งในสารละลายนี้จะมีอนุภาคขนาดเล็กผสมอยู่ โดยประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ของคลื่นอัลตราโซนิก (ultrasonic Doppler effect) ที่มีความถี่ 2 MHz โดยผลของการศึกษาจากโครงงานนี้จะทำให้เข้าใจกลศาสตร์ของการไหลในเชิงลึกได้มากยิ่งขึ้นซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการเรียนการสอนวิชากลศาสตร์ของไหล (mechanics of flow) นอกจากนี้ยังสามารถนำไปเป็นแนวทางในการศึกษาการไหลของของไหลประเภทอื่นๆ แนวคิดในการพัฒนาอุปกรณ์หรือเครื่องมือที่ใช้ตรวจสอบและแยกชนิดของอนุภาคต่างๆ ที่เป็นองค์ประกอบของของไหลหนึ่งๆ ได้ และแนวทางการศึกษารูปแบบการไหลของเลือดในหลอดเลือดที่มีเม็ดเลือดแดงผสมอยู่ ซึ่งสามารถนำไปประกอบการวินิจฉัยโรคหลอดเลือดหรือโรคหัวใจได้