STKC

10 อันดับการทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่งดงามที่สุด (4)
กาลิเลโอกลิ้งลูกบอลลงตามพื้นเอียง
Galileo's experiments with rolling balls down inclined planes (1600s)

สุรศักดิ์  พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

ชื่อเสียงทางวิทยาศาสตร์ของกาลิเลโอ (Galileo) มาจากความรู้เกี่ยวกับ “วัตถุเคลื่อนที่” (moving object) เช่น ลูกกระสุนปืนใหญ่ที่ยิงออกไปแล้วเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ (projectile) วัตถุที่ตกลงจากที่สูง (falling object) รวมทั้ง การแกว่งของลูกตุ้มนาฬิกา (pendulum)

ถัดจากการทดลองที่หอเอนปีซา กาลิเลโอยังคงพัฒนาแนวคิดของเขาเกี่ยวกับ “วัตถุเคลื่อนที่” ต่อไปอีก คราวนี้เขาใช้ แผ่นไม้กระดานขนาดยาว 12 คิวบิตและกว้างครึ่งคิวบิต(ประมาณว่ายาว 20 ฟุต กว้าง 10 นิ้ว) นำมาเซาะร่องเรียบ และตรง 1 ร่องตรงกลางกระดานตามแนวยาว แล้ววางพาดเอียง ๆ กับพื้น จากนั้นก็ทดลองกลิ้งลูกบอลทองเหลืองลงมา ตามแนวร่องกระดานที่เซาะร่องเอาไว้ พร้อมกับจับเวลาที่ลูกบอลกลิ้งจากจุดต่าง ๆ บนกระดาน ( เริ่มต้นตั้งแต่จุด B) ลงมาตามพื้นเอียงไปจนถึงจุดเป้าหมาย (A) แล้วจับเวลาดูว่าแต่ละระยะทางใช้เวลาเท่าใด

http://spaceguard.iasf-roma.inaf.it/tumblingstone/issues/current/eng/carusi.htm

สำหรับวิธีจับเวลา กาลิเลโอใช้นาฬิกาน้ำทำจากถังน้ำใบใหญ่มีท่อเล็ก ๆ ปล่อยน้ำออกจากถังไปเก็บไว้ในแก้วน้ำ ซึ่งเขา จะนำไปชั่งน้ำหนักของน้ำที่ไหลออกมา โดยเปรียบเทียบน้ำหนักของน้ำที่ชั่งได้ (แทนเวลา) กับระยะทางที่ลูกบอล- ทองเหลืองไหลลงมาตามพื้นเอียงได้ระยะทางเท่าใด กล่าวคือ ระยะทางที่ไกลกว่าย่อมใช้เวลานานกว่า และน้ำที่ไหล ออกมาจากถังน้ำก็ย่อมจะมากกว่าและชั่งน้ำหนักได้มากกว่า

นาฬิกาน้ำของกรีก ( ftp.aa.edu/lydon/egypt/matton1egypt/index.htm)
สำหรับการทดลองอย่างนี้ อาริสโตเติลคงทำนายว่า ลูกบอลย่อมต้องกลิ้งลงมาด้วยความเร็วคงที่ กล่าวคือ ถ้าเวลาที่ ลูกบอลใช้กลิ้งลงมาเพิ่มขึ้น 1 เท่าตัว (โดยการวางพื้นกระดานให้เอียงมากขึ้น) ระยะทางที่กลิ้งลงมาก็จะไกลขึ้น 1 เท่าตัวเช่นกัน

บันทึกผลการทดลองของกาลิเลโอ http://www.amstat.org/publications/jse/v3n1/datasets.dickey/fig2.gif

แต่ทว่าการทดลองของกาลิเลโอกลับพิสูจน์ได้ว่า เมื่อเวลาที่ลูกบอลใช้กลิ้งลงมาตามพื้นเอียงเพิ่มขึ้น 1 เท่าตัว ระยะทางที่กลิ้งลงมาก็จะไกลขึ้นถึง 4 เท่าตัว อันเนื่องมาจาก “ความเร่ง” (acceleration) จากแรงของ "ความโน้มถ่วง” (gravity) ของโลกตามสมการ x = (1/2)gt2 เมื่อ x คือ ระยะทาง t คือ เวลา และ g คือ ความเร่งจากแรงของความโน้มถ่วงของโลกในแนวดิ่ง เพียงแต่ว่า ความเร่งบนพื้นเอียงต้องมีมุมที่เอียงสมมติว่าเท่ากับ ? มาเกี่ยวข้องด้วย โดย หากสมมติให้ความเร่งตามแนวพื้นเอียงเท่ากับ a ก็จะได้ว่า a = gsin ?
http://www.golf-simulators.com/images/roll.jpg
ความงดงามของการทดลองนี้จัดอยู่ในอันดับที่แปด