ในชีวิตมีบางสิ่งที่หลายคนไม่คิดจะตั้งคำถาม แต่นักวิทยาศาสตร์พยายามหาคำตอบ หนึ่งในนั้นคือปริศนาใกล้ตัวที่ว่า ทำไมทุกครั้งที่เราลอก “เทปกาว” ออกจากวัตถุถึงต้องมีเสียงดัง “เปรี๊ยะ” ชวนเสียดหู
หลังจากผ่านมาหลายสิบปี ในที่สุดเสียงเปรี๊ยะของเทปกาวนั้นก็รับการอธิบายแล้ว หลังทีมฟิสิกส์นำโดย หลี่ เอ้อร์เฉียง จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีน ใช้กล้องความเร็วสูงพิเศษและไมโครโฟนที่ไวต่อเสียงเพื่อบันทึกสิ่งที่เกิดขึ้นจริงเมื่อเทปกาวใสธรรมดา ๆ ถูกลอกออกจากกระจก
คำตอบนั้นค่อนข้างซับซ้อนกว่าที่หลายคนคิดไว้มาก นักวิทย์พบว่า เสียงเปรี๊ยะนั้นเป็นคลื่นช็อกเวฟ (shockwave) ขนาดเล็กจำนวนมากที่เกิดขึ้นเมื่อ “การแตกหักเหนือเสียง” (supersonic fracture) วิ่งผ่านชั้นกาวของเทปกาวไปถึงขอบ
การแตกหักเหนือเสียงคือปรากฏการณ์ที่รอยแตกในวัสดุแพร่กระจายด้วยความเร็วที่สูงกว่าความเร็วของคลื่นยืดหยุ่น (elastic waves) หรือคลื่นที่อนุภาคของตัวกลางจะเกิดการสั่นและเคลื่อนที่กลับมายังตำแหน่งสมดุลเดิมโดยไม่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับคลื่น
การแตกหักเหนือเสียงมักพบในวัสดุประเภท hyperelastic เช่น ยาง ภายใต้สภาวะแรงดึงสูง
ที่จริงแล้ว เสียงเปรี๊ยะดังแสบหูของเทปกาวนั้นได้รับการศึกษามานานหลายทศวรรษแล้ว ในปี 2010 มีงานวิจัยที่สังเกตเห็นคลื่นยืดหยุ่นที่เดินทางขึ้นไปตามส่วนที่หลุดออกมาของเทป และคาดการณ์ว่าเสียงแหลมนั้นมาจากคลื่นเหล่านั้น ต่อมาในปี 2014 บทความวิจัยได้เชื่อมโยงเสียงดังกล่าวกับการแตกหักในเทป แต่ก็ยังไม่สามารถระบุกลไกที่แน่ชัดได้
หลี่และเพื่อนร่วมงานต้องการไขปริศนานี้ พวกเขาจึงออกแบบการทดลองเพื่อสังเกตอย่างละเอียดว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อลอกเทปกาวใสขนาดกว้าง 19 มิลลิเมตรออกจากกระจก
เมื่อคุณลอกเทป มันไม่ได้หลุดออกไปอย่างราบรื่นในครั้งเดียว แต่จะหลุดออกแบบกระตุกและไม่เป็นระเบียบ ซึ่งนักฟิสิกส์เรียกว่า “stick-slip”
ขณะที่คุณลอกเทป เทปจะยังคงยึดติดกับพื้นผิวอย่างเหนียวแน่นเป็นเวลาเสี้ยววินาที นั่นคือส่วนที่ติด (stick) เมื่อแรงดึงเอาชนะแรงยึดเกาะของกาวได้ในที่สุด มันก็จะหลุดออก (slip) อย่างกะทันหัน กระบวนการนี้เกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่าขณะที่คุณลอกเทปออก
อย่างไรก็ตาม ในแต่ละช่วงของการลอกนั้น มีบางสิ่งที่น่าทึ่งเกิดขึ้นภายในกาวในระดับจุลภาค มันไม่ได้ลอกออกอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งความกว้าง แต่กลับฉีกขาดเป็นแถบแคบ ๆ ที่วิ่งไปตามด้านข้างของเทป จากขอบหนึ่งไปยังอีกขอบหนึ่ง
สิ่งเหล่านี้เรียกว่าการแตกหักตามขวาง (transverse fracture) และทีมวิจัยของหลี่พบว่า นี่คือกุญแจสำคัญที่ทำให้เทปส่งเสียงดัง
ทีมงานบันทึกเสียงการลอกเทปโดยใช้ไมโครโฟนสองตัวและกล้องความเร็วสูงสองตัว ตัวหนึ่งชี้ไปที่ด้านล่างของเทปจากใต้กระจก และอีกตัวหนึ่งอยู่เหนือการทดลองโดยใช้ระบบการถ่ายภาพแบบชลีเรน (schlieren) เพื่อจับภาพการรบกวนในอากาศโดยรอบ
พวกเขาพบว่า สิ่งที่ทำให้การแตกหักเหล่านี้ผิดปกติ คือความเร็ว พวกเขาบันทึกความเร็วของการแตกหักได้ตั้งแต่ประมาณ 250 ถึง 600 เมตรต่อวินาที เพื่อเปรียบเทียบ ความเร็วของเสียงในอากาศที่อุณหภูมิห้องอยู่ที่ประมาณ 342 เมตรต่อวินาที นั่นหมายความว่า การแตกหักบางส่วนกำลังเคลื่อนที่ผ่านชั้นกาวด้วยความเร็วที่ใกล้เคียงกับ 2 เท่าของความเร็วเสียง
เนื่องจากการแตกหักเคลื่อนที่เร็วมาก จึงทิ้งช่องว่างเล็ก ๆ ไว้ระหว่างเทปกับกระจก ซึ่งเป็นช่องว่างสุญญากาศบางส่วนที่เกิดขึ้นชั่วขณะ อากาศไม่สามารถไหลเข้าไปเติมเต็มได้เร็วพอในขณะที่มันก่อตัวขึ้น ช่องว่างนี้จะเคลื่อนที่ไปพร้อมกับการแตกหักจนกระทั่งถึงขอบของเทป จากนั้นอากาศจะไหลเข้าไป และช่องว่างก็จะยุบตัวลงอย่างฉับพลัน
การยุบตัวอย่างฉับพลันของช่องว่างนี้เองที่ทำให้เกิดคลื่นช็อกเวฟอ่อน ๆ ขึ้นสู่อากาศ คลื่นช็อกเวฟที่แยกตัวออกมาเหล่านี้เคลื่อนที่ด้วยความเร็วมากกว่าความเร็วเสียงเล็กน้อย ที่ 355 เมตรต่อวินาที เป็นเหมือนเสียงกระซิบมากกว่าเสียงดังสนั่น แต่เกิดจากกลไกความเร็วเหนือเสียงที่คล้ายคลึงกัน
สุดท้ายแล้ว โดยการเปรียบเทียบเวลาที่เสียงมาถึงที่ไมโครโฟนสองตัวที่วางอยู่ด้านตรงข้ามของเทป นักวิจัยได้ยืนยันว่า คลื่นช็อกเวฟแต่ละลูกมีต้นกำเนิดที่ขอบมากกว่าที่จะเกิดขึ้นตามความยาวของการแตกหัก
นักวิจัยสรุปว่า “คลื่นยืดหยุ่นที่เดินทางในเทปที่หลุดออกมาอาจทำให้เกิดเสียงได้เช่นกัน แต่ผลการถ่ายภาพของเราแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าคลื่นช็อกเวฟอ่อน ๆ เหล่านั้นมีอิทธิพลเหนือกว่าเสียงใด ๆ ที่เกิดขึ้น”
ดังนั้น สรุปได้ว่า การลอกเทปกาวที่เราทำกันอยู่ในชีวิตประจำวันนี้ เป็นการสร้างช็อกเวฟและความเร็วเหนือเสียงประเภทหนึ่งนั่นเอง
อ่านงานวิจัยฉบับเต็ม ที่นี่
เรียบเรียงจาก Science Alert
- คอนเทนต์พิเศษ
สำหรับคุณ - TOP ต่างประเทศ
- วิดีโอยอดนิยม
