“ความดัน” กับมหันตภัยที่อาจคาดไม่ถึง

Highlights

หลักการการทำงานของเรือดำน้ำลึกใต้มหาสมุทร และเหตุผลที่ทำให้เรือเกิดระเบิดขึ้นได้
หลักการการทำงานของถังดับเพลิง และวิธีการป้องกันไม่ให้เกิดการระเบิด

ก่อนอื่นต้องขอแสดงความเสียใจกับเหตุการณ์การสูญเสียทั้ง 2 เหตุการณ์ นั่นคือ การสูญเสียนักสำรวจในเรือดำน้ำไททัน (Titan) ที่ใช้สำรวจซากเรือไททานิก (Titanic) ทำให้มีผู้เสียชีวิตจำนวน 5 คน รวมถึงเหตุการณ์ถังดับเพลิงระเบิดและพุ่งชนนักเรียนในขณะกำลังซ้อมป้องกันอัคคีภัย โดยมีผู้เสียชีวิต 1 ท่าน และบาดเจ็บอีกจำนวนหนึ่ง

เหตุการณ์ความสูญเสียทั้งสองนั้นต่างเกี่ยวกับเรื่องความดันทั้งสิ้น วันนี้เราจะมาอธิบายทั้งสองเหตุการณ์ด้วยฟิสิกส์กันครับ

หลักการการทำงานของเรือดำน้ำลึกใต้มหาสมุทร

การจมและลอยของเรือดำน้ำอาศัยแรง 2 ชนิดที่ทำหน้าที่ต้านกัน นั่นคือ

แรงโน้มถ่วง จะทำหน้าที่ดูดวัตถุที่มีมวลให้เคลื่อนที่เข้าหากัน ซึ่งในกรณีนี้คือ โลกทำหน้าที่ดูดให้เรือดำน้ำตกลงสู่ใจกลางโลก หรือเกิดน้ำหนักของเรือดำน้ำในทิศลงนั่นเอง
แรงลอยตัว คือแรงที่ต้านแรงโน้มถ่วงหรือน้ำหนัก ด้วยการแทนที่ของเหลวบริเวณโดยรอบด้วยวัตถุอื่นๆ ในกรณีของเรือดำน้ำ คือการใส่อากาศเพื่อแทนที่น้ำทำให้เรือดำน้ำสามารถลอยขึ้นได้

มาถึงตรงนี้อาจจะยังงงกับแรงลอยตัวที่ทำหน้าที่ยกเรือดำน้ำให้ลอยได้ เราค่อยๆ มาอธิบายโดยละเอียดกันครับ จากภาพด้านล่างจะเห็นว่าวัตถุที่อยู่ผิวน้ำนี้มีสองแรงกระทำนั่นคือแรงโน้มถ่วงที่ดูดให้วัตถุตกลงสู่โลก แต่ยังดีที่มีพื้นผิวของเหลวมารองรับทำให้เกิดแรงลอยตัวขึ้น ส่วนของครึ่งล่างของวัตถุดังในภาพได้แทนที่ปริมาตรของของเหลว ทำให้เกิดแรงยกตัวขึ้น ยิ่งวัตถุแทนที่มากเท่าไหร่แรงยกตัวก็ยิ่งสูงขึ้นมาเท่านั้น ซึ่งก็คือหลักการของ อะคมีดีส นั่นเอง (สามารถอ่านเพิ่มเติมได้ที่ https://en.wikipedia.org/wiki/Archimedes%27_principle)

ที่มา: https://en.wikipedia.org/wiki/Buoyancy

โดยในเรือดำน้ำจะมีการเพิ่มความซับซ้อนไปอีกระดับ เพราะหากวัตถุอยู่เฉย ๆ หากไม่ลอยก็จม แต่เรือดำน้ำจะต้องถูกออกแบบให้สามารถลอยและจมได้ตามต้องการ ทำให้ต้องเพิ่มกลไกการนำอากาศเข้าและออกจากตัวเรือ ด้วยถังอับเฉาหรือ Ballast tank และถังเสริมหรือ Trim tank ซึ่งจะถูกบรรจุด้วยน้ำหรืออากาศเพื่อควบคุมปริมาณของแรงลอยตัวนั่นเอง

โดยหากเรือดำน้ำลอยอยู่เหนือผิวน้ำ ถังอับเฉาจะถูกเติมเต็มด้วยอากาศ ทำให้ความหนาแน่นเฉลี่ยของเรือดำน้ำต่ำกว่าน้ำทะเล และสามารถลอยู่เหนือผิวได้นั่นเอง หากต้องการดำลงในมหาสมุทร ก็จะใส่น้ำเข้าไปในถังอับเฉา และระบายอากาศที่มีอยู่ออกไปจนกระทั่งความหนาแน่นเฉลี่ยสูงกว่า ทำให้แรงลอยตัวไม่มากพอที่จะต้านแรงโน้มถ่วง เรือดำน้ำจึงดิ่งลงในมหาสมุทรได้ ทีนี้หากดำดิ่งลงไปแบบนี้จะไม่สามารถกลับขึ้นมาได้ ดังนั้นจึงมีการอัดอากาศเก็บไว้ เมื่อเรือดำน้ำดำดิ่งลงไปจนถึงความลึกที่ต้องการ ก็จะปล่อยอากาศที่อัดเก็บไว้ใส่ในถังอับเฉาทำให้ความหนาแน่นเฉลี่ยของเรือเท่ากับความหนาแน่นของน้ำทะเลในระดับความลึกนั้น เพื่อรักษาสมดุลของแรงโน้มถ่วงกับแรงยกตัวให้เสมอกันจึงทำให้เรือดำน้ำสามารถลอยในทะเลลึกได้ และเมื่อต้องการนำเรือดำน้ำขึ้นก็จะปล่อยอากาศที่อัดไว้ให้ความหนาแน่นเฉลี่ยของเรือน้อยกว่าน้ำทะเลทำให้เกิดแรงยกตัวสูงกว่าแรงโน้มถ่วง และขึ้นสู้ผิวน้ำได้สำเร็จ สามารถดูภาพเคลื่อนไหวด้านล่างประกอบความเข้าใจได้ครับ

วิดีโอจาก https://science.howstuffworks.com/transport/engines-equipment/submarine1.htm

เหตุผลที่ทำให้เรือดำน้ำไททันเกิดระเบิดขึ้น

หนึ่งในปัจจัยที่ทุกคนลืมก็คือความดัน ณ ตำแหน่งที่อยู่ระดับเดียวกับผิวน้ำ มีความดันบรรยากาศอยู่ที่ 1 atm หรือประมาณ 101,325 นิวตันต่อตารางเมตร หรือเกือบ 15 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว ซึ่งเป็นความดันที่เราอาศัยอยู่นั่นเอง แต่ยิ่งลึกลงไปในทะเล ยิ่งมีความดันกดทับมากขึ้นจากน้ำทะเลที่อยู่สูงกว่าเรา ในการสำรวจเรือไททานิกที่อับปางนั้น เรือดำน้ำไททันจะต้องลงไปที่ความลึกกว่า 4 กิโลเมตร ซึ่งจะมีความดันบีบอัดจากทุกทิศอยู่ที่ 6,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้วซึ่งมากกว่าที่ชั้นบรรยากาศถึง 400 เท่า

โดยปกติเรือดำน้ำจะถูกออกแบบโครงสร้างด้วยวัสดุที่ทนต่อความดันมหาศาลอย่าง เหล็กกล้า อลูมิเนียม ไทเทเนี่ยม พลาสติกอคริลิก และแก้ว แต่โครงสร้างหลักของเรือดำน้ำไททันนี้ประกอบด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (Carbon fiber) ซึ่งเป็นที่แพร่หลายในอุตสาหกรรมการสร้างเครื่องบิน แต่ไม่เคยได้รับการรับรองความทนทานต่อความดันมหาศาลที่น้ำทะเลลึก ซึ่งที่ความดันกว่า 400 เท่าเมื่อเทียบกับความดันบรรยากาศที่เราอาศัย หากเกิดข้อผิดพลาดอะไรขึ้นแม้แต่จุดเดียวบนโครงสร้างของเรือดำน้ำ จะทำให้น้ำบริเวณโดยรอบพลั่งพลูเข้ามาในเสี้ยววินาทีและฉีกกระชากทุกอย่างจนไม่เหลือเค้าเดิม เราเรียกการระเบิดแบบนี้ว่า “Implosion” หรือการระเบิดที่เกิดจากการยุบลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะต่างกับ Explosion ที่เป็นการระเบิดจากการปลดปล่อยจากภายในวัตถุระเบิดสู่ภายนอก

หลังจากนี้เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการระเบิดแบบ Implosion ใต้น้ำอีก อุตสาหกรรมเรือดำน้ำเพื่อการสำรวจต้องมีมาตรการตรวจสอบการออกแบบให้สอดคล้องกับสภาพความดันมหาศาลใต้น้ำอย่างเข้มงวด พวกเรามาดูกันว่า ผลของเหตุการณ์นี้จะเปลี่ยนแปลงให้วงการนี้เป็นอย่างไรต่อไปกันครับ

หลักการการทำงานของถังดับเพลิง

มากันที่อีกหนึ่งเหตุการณ์ความสูญเสียอีกหนึ่งเหตุการณ์ที่ใกล้กับเรา อย่างการระเบิดออกของถังดับเพลิงและพุ่งชนนักเรียนเสียชีวิต จากเหตุการณ์การสาธิตการดับอัคคีภัยที่จะช่วยชีวิตคนกลับกลายเป็นอุบัติเหตุที่พรากชีวิตนักเรียนท่านนึง และสร้างผลกระทบในจิตใจต่อครอบครัว เพื่อน ๆ และผู้คนในสังคม พวกเราขอแสดงความเสียใจมา ณ ที่นี้อีกครั้ง

ก่อนอื่นเรามาทำความเข้าใจการเกิดไฟไหม้ก่อน ไฟไหม้นั้นเกิดจากปฏิกิริยาการสันดาปของสารติดไฟ หรือ fuel โดยมีออกซิเจนเป็นสารที่ช่วยให้ไฟติด หรือ oxidizer โดยการเกิดไฟขึ้นนั้นต้องใช้ สารติดไฟ ความร้อน และสารที่ช่วยให้ไฟติด ดังนั้นการจะดับไฟต้องพยายามแยกสามองค์ประกอบนี้ออกจากกัน ทำให้การดับไฟจะเน้นไปที่การลดอุณหภูมิบริเวณนั้น แยกสารที่ช่วยให้ไฟติดออกไป และกลบสารติดไฟ ไม่ให้สัมผัสกับสสารอื่น

ชนิดของการเกิดไฟไหม้แบ่งออกเป็น 4 แบบ คือ

Class A: ไฟจากการเผาไหม้วัสดุทั่วไป เช่น ไม้ พลาสติก กระดาษ เสื้อผ้า เป็นต้น
Class B: ไฟจากการเผาไหม้ของเหลวติดไฟ เช่น น้ำมันรถ น้ำมันทำอาหาร เป็นต้น
Class C: ไฟจากการทำงานปกติหรือผิดพลาดของอุปกรณ์ใช้ไฟฟ้า เช่น มอเตอร์ คอมพิวเตอร์ เป็นต้น
Class D: ไฟจากการเผาไหม้โลหะ เช่น โซเดียม ลิเทียม ไทเทเนี่ยม และแมงกานีส เป็นต้น

ถังดับเพลิงที่ใช้ในการสาธิตเป็นแบบอัดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลาย เหมาะกับการดับไฟในประเภท B และ C โดยภายในถังดับเพลิงจะประกอบไปด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ในสถานะของเหลวที่มีความดันสูง เมื่อถูกพ่นออกมาทำให้คาร์บอนไดออกไซด์เหลวที่มีความดันสูงเกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็วเปลี่ยนสถานะเป็นก๊าซและพุ่งตรงเป็นลำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์แบบหนาแน่นไปยังจุดที่ไฟติด และด้วยน้ำหนักของก๊าซที่มากกว่าออกซิเจน จะทำการปกคลุมสารติดไฟและแยกออกซิเจนออก เป็นการลดปฏิกิริยาการสันดาป รวมทั้งลดอุณหภูมิอีกด้วย

จากหลักการที่กล่าวมาเบื้องต้นจะพบว่า การทำให้ภายในถังดับเพลิงมีความดันสูง เป็นสิ่งที่เลี่ยงไม่ได้เนื่องจากทำให้การดับไฟแบบ B และ C เป็นไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ

วิธีการป้องกันไม่ให้ถังดับเพลิงเกิดการระเบิด

แน่นอนกว่า ถังดับเพลิงจำเป็นต้องบรรจุก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีความดันสูง ทำให้ตัวถังถูกออกแบบมาเพื่อทนความดันสูง และความดันปกติภายในถังจะขึ้นกับการออกแบบโดยมีตั้งแต่ 800 – 2,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว ซึ่งมีค่าสูงกว่าความดันบรรยากาศที่เราอาศัยประมาณ 50 – 130 เท่า จากเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นนั้นยังไม่ได้รับการสรุปสาเหตุที่แท้จริง แต่มีความเป็นไปได้หลายปัจจัย เช่น อายุการใช้งานของตัวถัง ปริมาณความดันที่ถูกอัดไว้อยู่ในตัวถัง อุณหภูมิของถังที่ถูกตั้งไว้กลางแดด เป็นต้น

เราจึงทำการสรุปวิธีการป้องกันการระเบิดของถังดับเพลิงไว้ดังนี้

ตรวจสอบวันที่การทดสอบครั้งล่าสุด และวันหมดอายุการใช้งานของถัง
ตรวจสอบระดับความดันของก๊าซภายในถังว่าอยู่ในระดับที่อันตรายหรือไม่ (ซึ่งได้แสดงตัวอย่างไว้ด้านล่าง)
ไม่ควรวางถังดับเพลิงไว้ในพื้นที่โล่งแจ้ง ที่ที่มีแดดส่องโดยตรง และที่บริเวณเปียกชื้น (แม้ว่าจะมีแหล่งข้อมูลบางที่ได้แจ้งว่าถังดับเพลิงสามารถวางกลางแดดได้นาน แต่การเก็บให้พ้นจากแสงแดดโดยตรงช่วยเพิ่มอายุการใช้งานให้ตัวถังดับเพลิงได้)
เรียนรู้วิธีการใช้งานถังดับเพลิงอย่างถูกต้องเป็นประจำ เช่น การเข้าร่วมการสาธิตการดับเพลิงประจำปี เป็นต้น (แม้เหตุที่เกิดจะเกิดในเหตุการการซ้อมกับดับเพลิง แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าเราควรหลีกหนีจากการเรียนรู้วิธีใช้งานที่ถูกต้อง)

ภาพหัววัดหรือ Gauge วัดความดันของถังดับเพลิง หากเข็มสีเหลืองอยู่ที่ สีเขียว คือปลอดภัยต่อการใช้งานเนื่องจากมีความดันอยู่ที่ 195 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว

พูดคุยกันท้ายบทความ

เราจะเห็นได้ว่า ถังก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่มีความสูงกว่าความดันบรรยากาศประมาณ 50 – 130 เท่า สามารถทำให้นักเรียนที่ถูกกระทบโดยตรงสามารถเสียชีวิตอย่างกระทันหัน แล้วลองจินตนาการถึงคนห้าคนที่อยู่ในน้ำลึกที่มีความดันสูงว่าบรรยากาศถึง 400 เท่าที่ท่วมเข้ามาในทุกทิศทางอย่างกระทันหันว่าจะเกิดการฉีกกระชากขนาดไหน ทุกเทคโนโลยีมีประโยชน์และโทษ เราต้องเรียนรู้เพื่อป้องกันไม่ให้เหตุการณ์เกิดซ้ำ ๆ พวกเรา The Principia ของแสดงความเสียใจถึงครอบครัวผู้ที่สูญเสียทุกท่านด้วยครับ

ถ้าชื่นชอบในบทความวิทยาศาสตร์ทำนองนี้อย่าลืมกดติดตามทั้งในเพจ Facebook ของพวกเรา และเข้ามาอ่านเนื้อหาวิทยาศาสตร์ใน The Principia ได้เรื่อย ๆ นะครับ รอดูกันว่าครั้งต่อไปจะเป็นเรื่องอะไร เจอกันครับ