เคยสังเกตไหม? ทำไมลูกบอลที่เติมลมแข็ง ๆ ถึงกระดอนสูงกว่าลูกที่นิ่ม ทั้งที่หน้าตาเหมือนกันแทบทุกอย่าง

เคยสังเกตไหม? ทำไมลูกบอลที่เติมลมแข็ง ๆ ถึงกระดอนสูงกว่าลูกที่นิ่ม ทั้งที่หน้าตาเหมือนกันแทบทุกอย่าง

หลายคนคงเคยเล่นฟุตบอล บาสเกตบอล หรือวอลเลย์บอล แล้วสังเกตว่า ลูกใหม่ที่เติมลมพอดีจะเด้งได้ดี แต่พอเล่นไปนาน ๆ ลมอ่อนลง กลับรู้สึกว่าลูกบอลกระดอนต่ำลงอย่างเห็นได้ชัด

หลายคนอาจคิดว่าเป็นเพราะ "ลมเยอะกว่าเลยเด้งกว่า" ซึ่งก็ถูกเพียงบางส่วน แต่ความจริงแล้วเบื้องหลังเป็นเรื่องของการสูญเสียพลังงาน และการคืนรูปของวัสดุ มากกว่าปริมาณลมเพียงอย่างเดียว

ทุกครั้งที่ลูกบอลตกกระแทกพื้น พลังงานไม่ได้หายไปทั้งหมด

เมื่อลูกบอลตกลงจากที่สูง พลังงานศักย์จะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ ก่อนจะถ่ายทอดเข้าสู่ลูกบอลเมื่อกระแทกพื้น

ช่วงเวลาสั้น ๆ นี้ ลูกบอลจะยุบตัว แล้วจึงดีดกลับขึ้นมาอีกครั้ง

คำถามคือ...

ลูกบอลสามารถเอาพลังงานกลับมาใช้เด้งได้มากแค่ไหน?

นี่คือสิ่งที่ทำให้ลูกบอลแต่ละลูกกระดอนได้ไม่เท่ากัน

ลูกบอลที่ลมแข็ง จะเสียพลังงานน้อยกว่า

เมื่อลมภายในมีแรงดันเหมาะสม ลูกบอลจะยุบตัวเพียงเล็กน้อย

• คืนรูปได้เร็ว
• สูญเสียพลังงานเป็นความร้อนน้อย
• แรงกระแทกถูกเปลี่ยนกลับเป็นแรงดีดได้มากกว่า

ผลก็คือ ลูกบอลเด้งกลับได้สูงกว่า

ส่วนลูกบอลที่ลมนิ่ม จะสูญเสียพลังงานมากกว่า

เมื่อแรงดันลมลดลง ลูกบอลจะยุบตัวมากกว่าเดิม

• ผิวยางบิดตัวมากขึ้น
• เกิดแรงเสียดสีภายในวัสดุ
• พลังงานบางส่วนเปลี่ยนเป็นความร้อนและเสียง

เมื่อพลังงานถูกใช้ไปกับสิ่งเหล่านี้ พลังงานที่เหลือสำหรับการเด้งกลับจึงลดลง ทำให้ลูกบอลกระดอนได้ต่ำกว่าอย่างชัดเจน

อากาศในลูกบอล ทำหน้าที่เหมือน "สปริง"

อากาศที่ถูกอัดอยู่ภายในไม่ได้มีหน้าที่แค่ทำให้ลูกบอลพองเท่านั้น แต่ยังทำหน้าที่คล้ายสปริงอีกด้วย

เมื่อกระแทกพื้น อากาศจะถูกอัดอย่างรวดเร็ว จากนั้นจะขยายตัวกลับทันที ส่งแรงผลักให้ลูกบอลเด้งขึ้นอีกครั้ง

ยิ่งแรงดันลมเหมาะสม การคืนพลังงานก็ยิ่งมีประสิทธิภาพ

แล้วเติมลมเยอะที่สุด จะเด้งดีที่สุดหรือไม่?

ไม่จำเป็นเสมอไป

งานวิจัยด้านฟิสิกส์พบว่าค่าการคืนพลังงานของลูกบอลจะเพิ่มขึ้นตามแรงดันลมไปจนถึงจุดหนึ่งแล้วเริ่มคงที่ ไม่ได้แปลว่ายิ่งเติมเยอะยิ่งเด้งดีขึ้นเรื่อย ๆ แบบไม่มีขีดจำกัด และหากเติมลมเกินกว่าค่าที่ผู้ผลิตกำหนด จะเกิดปัญหาอื่นตามมาแทน เช่น

• ลูกบอลแข็งเกินไป สัมผัสและควบคุมทิศทางยาก
• แรงกระแทกต่อร่างกายเวลาโดนลูกมากขึ้น เสี่ยงบาดเจ็บ
• เสี่ยงต่อการเสียหายหรือแตกได้ง่ายกว่าปกติ

ด้วยเหตุนี้ ลูกฟุตบอล บาสเกตบอล วอลเลย์บอล หรือเทนนิส จึงมีค่าแรงดันลมมาตรฐานที่แนะนำไว้เสมอ เพื่อสมดุลระหว่างการเด้งที่ดีกับความปลอดภัยและควบคุมได้ ไม่ใช่เพราะลมเยอะแล้วเด้งแย่ลง

ทำไมลูกเทนนิสเก่าถึงเด้งน้อยลง?

เมื่อใช้งานไปเรื่อย ๆ

• แรงดันลมภายในค่อย ๆ ลดลง
• เนื้อยางเริ่มเสื่อมสภาพ
• วัสดุคืนรูปได้ไม่ดีเหมือนเดิม

จึงสูญเสียพลังงานมากขึ้นทุกครั้งที่กระแทกพื้น ทำให้ลูกเด้งได้น้อยลงเรื่อย ๆ

เกร็ดความรู้ที่นักฟิสิกส์ใช้วัด

นักฟิสิกส์ใช้ค่าที่เรียกว่า Coefficient of Restitution (COR) หรือ ค่าสัมประสิทธิ์การคืนตัว เพื่อวัดว่าวัตถุสามารถคืนพลังงานกลับหลังการชนได้ดีเพียงใด

• ค่า COR ใกล้ 1 = เด้งดี สูญเสียพลังงานน้อย
• ค่า COR ใกล้ 0 = สูญเสียพลังงานมาก เด้งน้อย

ลูกบอลที่เติมลมได้เหมาะสมจึงมีค่า COR สูงกว่า และสามารถกระดอนกลับได้สูงกว่าลูกบอลที่ลมนิ่มนั่นเอง