Category: วิทยาศาสตร์ทั่วไป

เกร็ดความรู้เกี่ยวกับ Oppenheimer

ชื่อภาพยนตร์  ” Oppenheimer ”  มาจากชื่อบุคคลหนึ่งคือ Julius Robert Oppenheimer (แสดงโดย Cillian Murphy) เขาเป็นบุคคลสำคัญที่สุดในโครงการแมนแฮตตัน (Manhattan Project) ซึ่งเป็นโครงการวิจัยสร้างอาวุธนิวเคลียร์ของสหรัฐ

ภาพของ Robert Oppenheimer ใน 2 ช่วงอายุ

ภาพ Cillian Murphy (ซ้าย) กับ Oppenheimer (ขวา)

Oppenheimer จบปริญญาตรีจากมหาวิทยาลัย Harvard และ ปริญญาโท – เอกจาก University of Göttingen (German)ในสาขา Quantum physics  ต่อมาได้ทำงานเป็นอาจารย์ที่มหาวิทยาลัย University of California, Berkeley และที่ California Institute of Technology (CalTech) แต่เป็นอาจารย์ทั้ง 2 แห่งแค่ไม่ถึงปีเท่านั้นเพราะเขาเลือกที่จะทำงานวิจัยด้าน Nuclear physics แทน

โครงการแมนแฮตตัน
โครงการแมนแฮตตัน หรือชื่อที่เป็นทางการ คือ Manhattan Engineering District  เป็นความพยายามในการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ของสหรัฐในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง หลังสหรัฐพบว่านาซีเยอรมันกำลังสร้างอาวุธคล้ายกันนี้

การวิจัยสร้างอาวุธนิวเคลียร์นำทีมโดย Oppenheimerโดยอยู่ใต้การดูแลของพลโท Leslie R. Groves (แสดงโดย Matt Damon)

Matt Damon  และ   Lieutenant General Leslie Richard Groves Jr.

Oppenheimer  กับ  Groves

การวิจัยทำที่ห้องปฏิบัติการ Los Alamos รัฐนิวเม็กซิโกโครงการแมนแฮตตันได้สร้าง และทดสอบระเบิดนิวเคลียร์ เพียง 1 ลูกคือในแผนปฏิบัติการ code name  ” Trinity ” ทดสอบเมื่อวันที่ 16 กรกฎาคม 1945 ในทะเลทรายใกล้เมือง Alamogordo รัฐนิวเม็กซิโก (ซึ่งก็คือเรื่องราวในภาพยนตร์เรื่องนี้นั่นเองครับ)

แผนที่ของหน่วยงานในโครงการแมนแฮตตัน

ภาพมุมสูงของสถานีวิจัยที่ Los Alamos

( ปัจจุบัน  ที่ Los Alamos เป็นที่ตั้งของ  Los Alamos National Laboratory (LANL)
https://about.lanl.gov/
  เป็นสถาบันหลักที่วิจัยเกี่ยวกับนิวเคลียร์ และเป็นที่วิจัยของนักศึกษาปริญญาโท-เอก ด้วย )

ส่วนระเบิดนิวเคลียร์อีก 2 ลูกจากโครงการแมนแฮตตันที่นำไปใช้งานจริง  ทิ้งจริง  ตายจริง ก็คือ ….
– ระเบิดนิวเคลียร์ Little Boy ทิ้งลงที่เมืองฮิโรชิมะ 6 สิงหาคม 1945  
– ระเบิดนิวเคลียร์ Fat Man ทิ้งลงที่เมืองนางาซากิ 9 สิงหาคม 1945 

โครงการแมนแฮตตันเลือกสถานที่เป็นทะเลทรายที่ Los Alamos รัฐนิวเม็กซิโก  เพราะต้องการพื้นที่ห่างไกล โดดเดี่ยว และไม่มีผู้คนอาศัย   นักวิทยาศาสตร์ยังต้องการพื้นที่ราบเพื่อลดผลกระทบจากการระเบิด  และต้องมีลมพัดเพียงเล็กน้อยเพื่อลดกระจายกัมมันตภาพรังสี  พลโท Leslie จึงได้เสนอสถานที่แห่งนี้  และเมื่อเริ่มโครงการ ฯ  นักวิทยาศาสตร์ของสหรัฐแคนดาดา และอังกฤษจะต้องมาอยู่ใน site นี้โดยห้ามติดต่อโลกภายนอกเป็นเวลา 2 ปีเศษ

ระเบิดนิวเคลียร์
ลูกระเบิด ฯ ลูกแรกที่ทดลองในโครงการนี้ใช้ทั้ง Plutonium เป็นตัว fissile (Fissile คือ ธาตุกัมมันตรังสีที่กำเนิดปฏิกิริยาลูกโซ่ ทำให้เกิดการระเบิดรุนแรง)  ทางทีมงานได้เรียกชื่อระเบิดนี้ว่า “Gadget”   gadget นี้เป็นระเบิดแบบ Implosionมิใช่แบบ gun type  รายละเอียดตามภาพล่างนี้ครับ

การทดลองระเบิดนิวเคลียร์ลูกแรก
การทดลองระเบิด ฯ ลูกแรกนี้  ก็คือเรื่องราวของภาพยนตร์เรื่องนี้ซึ่งเราก็ต้องรอลุ้นชมฉากนี้ในภาพยนตร์ระดับ Nolan ก็น่าจะทำฉากนี้ออกมาได้อลังการนะครับ

ระเบิดถูกจุดเมื่อวันที่ 16 กรกฎาคม 1945  ทีมนักวิทยาศาสตร์พบว่าระเบิดมีพลังมากกว่าที่คาดไว้มาก มีรายงานอธิบายถึงการระเบิดว่า ….
   ” อุปกรณ์ดังกล่าวระเบิดด้วยพลังงานเท่ากับ 24.8 ± 2 กิโลตัน TNT ทรายในทะเลทรายซึ่งส่วนใหญ่เป็นซิลิกา หลอมละลายกลายเป็นแก้วสีเขียวอ่อนที่มีกัมมันตภาพรังสีอ่อน ๆ ซึ่งมีชื่อว่า Trinitite(หรืออีกชื่อคือ Alamogordo glass)  การระเบิดสร้างหลุมลึกประมาณ 1.4 เมตร  กว้าง 80 เมตร  ในช่วงเวลาของการระเบิด ภูเขาโดยรอบสว่างไสว 
สว่างกว่าแสงอาทิตย์เวลากลางวันนาน 1 – 2 วินาที และมีรายงานความร้อนที่ “ร้อนเหมือนเตาอบ” ที่เบสแคมป์สีของแสงที่สังเกตได้เปลี่ยนจากสีม่วงเป็นสีเขียวและในที่สุดก็เป็นสีขาว เสียงคำรามของ Shock wave ใช้เวลา 40 วินาทีในการมาถึงผู้สังเกตการณ์ และเมฆดอกเห็ดสูงถึง 12.1 กิโลเมตร “

ลูกไฟแดงฉาน พร้อมเมฆรูปเห็ดของระเบิด “Gadget”

แถมอีกนิด …. ใน Trailer เรื่องนี้ตั้งแต่เริ่มต้นท่านจะได้ยินเสียงแกร่ก ๆๆๆ หลายท่านอาจสงสัยว่าเสียงอะไร ?

มันคือเสียง Click จากเครื่องตรวจจับรังสีในยุคแรก ๆ

เรียกว่าเครื่อง Geiger counter (Geiger–Müller counter)คิดค้นโดย Hans Geiger และ Walther Müller นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันการทำงานของเครื่องนี้  ผมขออธิบายตามภาพครับ

เครื่อง Geiger counter ยุคนี้เป็นระบบ Digital หมดแล้วจะเป็นเสียง beep ๆๆๆ  แทน  เครื่องก็ขนาดเล็กลงมาก

ความเข้าใจเรื่อง Cycle ของแบตเตอรี่

หลายท่านคงเคยได้ยินคำว่า “Cycle” มานานแล้ว  แบตเตอรี่ในอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น มือถือ Notebook หรือของใหญ่แบบรถยนต์ EV จะมี Cycle ในการใช้งาน  ถ้าเป็นสมัยก่อนก็ 500 Cycle  สมัยนี้เทคโนโลยีพัฒนาขึ้นก็จะมีจำนวน Cycle มากขึ้นเป็นประมาณ 800 ถึง 1,000 หรืออาจจะมากกว่านั้นเล็กน้อย  ส่วนแบตเตอรี่ขนาดใหญ่อย่างในรถยนต์ EV ก็จะมี Cycle ใกล้เคียงหลักหมื่นเลยครับเพราะเป็นแบตเตอรี่แบบ Lithium Iron Phosphate (LFP)

คำว่า “Cycle” หมายความถึงจำนวนรอบการใช้ ที่จะทำให้แบตชุดนั้นมีค่าความจุ (Capacity) เหลือต่ำกว่า 80% เมื่อเทียบกับของใหม่  อย่างเช่น แบตเตอรี่มือถือขนาด 5,500 mAh และมีสเปคที่ 1,200 Cycle ถ้าเราใช้แบตเตอรีก้อนนั้นครบ 1,200 Cycle  ความจุ (Capacity) ของแบตเตอรี่ก้อนนั้นจะลดลงต่ำกว่า 80% จากโรงงาน  ก็คือ capacity แบตจะลดลงเหลือต่ำกว่า 4,400 mAh

จำนวนของ Cycle จากโรงงานนี้จะคิดที่การใช้งานแบตเตอรี่ในระดับ 0 – 100% DoD (Depth of Discharge) ครับ  กล่าวคือบริษัทผู้ผลิตจะมีมาตรฐานการกำหนดอายุแบตด้วยการทดสอบแบบนี้ ….
🛑 ชาร์จให้เต็ม 100%
🛑 จ่าย Load จนเหลือ 0%
🛑 ทดสอบแบบนี้ที่อุณหภูมิ 25 ℃

และประเด็นที่สำคัญมากก็คือ ถ้าเราพยายามรักษาประจุของแบตเตอรี่ระหว่าง 20 – 80%  ก็คือทั้งใช้ / ชาร์จไว้ในช่วงประมาณ 20 – 30% และในช่วงปลาย 70 – 80% (อย่าปล่อยให้หมดใกล้ 0% และอย่าชาร์จให้เต็ม 100%)  จำนวนของ Cycle จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก  ที่ว่ามากนี้อาจจะเพิ่มได้ถึง 3 เท่าจากเดิมครับ

อย่างเช่น สมมุติแบตเตอรี่ชุดนึงมีสเปคจากโรงงานคือ 1,000 Cycle  แต่ถ้าเราพยายามทั้งใช้และชาร์จให้มันอยู่ในช่วงประมาณ 30 ถึง 70%  จำนวน Cycle ของมันจะเพิ่มจาก 1,000 ไปได้เป็น 2,000 – 3,000 Cycle ได้เลย !

ที่เป็นเช่นนี้เพราะว่า การพยายามรักษาประจุอยู่ในช่วง 30 – 70% นั้น เป็นการเลี่ยงช่วง “เครียด” ของแบตเตอรี่ได้อย่างดีที่สุด  สภาพทางเคมีของแบตเตอรี่จะทำงานได้อย่างสบาย ๆ โดยไม่มีความเครียดขณะที่มีประจุจำนวนระหว่างนี้  ดังนั้นจำนวน Cycle จึงเพิ่มขึ้นอย่างมหาศาลครับ

ส่วนการนับ Cycle ของแบตเตอรี่ที่บางท่านอาจจะยังไม่ทราบก็คือ  มิใช่ว่าการชาร์จและการใช้ในหนึ่งวัน = 1 Cycle  แต่มันจะต้องนับตั้งแต่การ “ใช้” 0 –  100% ของประจุของมันครับ อย่างเช่น ….
🛑 คืนอาทิตย์ชาร์จเต็ม 100%
🛑 วันจันทร์ใช้จนเหลือ 70%
🛑 วันอังคารใช้จนเหลือ 40%
🛑 วันพุธใช้จนเหลือ 3%
จันทร์ – พุธ 3 วันนี้เราใช้ไป 1 Cycle ของแบตชุดนี้

จำนวนไ Cycle ของวันจันทร์-อังคาร-พุธที่บอก 1 Cycle นี้  ไม่เกี่ยวเลยว่าเราจะชาร์จเท่าไหร่  การนับ Cycle ดูที่การ “ใช้” เท่านั้น  ว่าใช้สะสมกันเต็ม 100% เมื่อไหร่  นั่นคือ 1 Cycle ครับ

และจากตัวอย่างวันจันทร์-อังคาร-พุธที่เราใช้ครบ 1 Cycle นี้  หากแบตเตอรี่ก้อนนั้นมีสเปคจากโรงงาน 1,200 Cycle  ดังนั้น “จำนวนวัน” ที่เราสามารถใช้ได้โดยที่สุขภาพแบตเตอรี่ยังดีอยู่ก็คือ 1,200 × 3 = 3,600 วัน (ประมาณ 9.8 ปี)

และแบตก้อนเดียวกัน 1,200 Cycle  ถ้าเราพยายามใช้ให้ได้ระหว่าง 20 – 80%  จำนวน Cycle ก็จะมากขึ้นอีก

Terminal velocity (ความเร็วสุดท้าย)

เมื่อเวลาวัตถุตกลงมาระยะหนึ่งในอากาศตัววัตถุจะต้านอากาศไปด้วย และการที่ต้านลมไปด้วย + ตกไปด้วยในขณะเดียวกันนี้  จะทำให้ความเร็วในการตกนั้นไม่เป็นไปตามสูตร V = Root(2gh) …. แต่จะกลายเป็นความเร็วที่คงที่เรียกว่า Terminal velocity (ความเร็วสุดท้าย)  ซึ่งแรงต้านอากาศที่กระทำต่อวัตถุนั้นจะหักลัางก้บแรงจากความโน้มถ่วงพอดี  วัตถุจึงมีแรงลัพท์ในแนวดิ่งเป็นศูนย์  ความเร็วที่ตกลงมาจึงคงที่ครับ

การคำนวณเรื่องนี้มีสูตรสำเร็จดังนี้

มีเว็บที่คำนวณ Online ด้วยครับ คลิกที่นี่

idea ยกตัวอย่าง ….

ลูกเหล็กทรงกลมมวล 10 กิโลกรัม (เส้นผ่านศูนย์กลาง 13.5 cm)  ตกจากยอดตึก Burj Khalifa สูง 828 เมตร หากคิดตามสูตร  V = Root(2gh)  ก็จะได้ว่าลูกเหล็กจะมีความเร็วตอนกระทบพื้นเท่ากับ Root(2 • 9.806 • 828) = 127.4 เมตร/วินาที

แต่หากใช้สูตร Terminal velocity (โดยใช้ projected area = 0.12 ตารางเมตร) จะได้ความเร็วตอนกระทบพื้นเท่ากับ 48 เมตร/วินาที  เท่านั้นครับ

สำหรับการตกของวัตถุ 2 ชิ้นที่น้ำหนักต่างกันมากในสภาพที่ไม่มีแรงต้านอากาศ ตัวอย่างที่ดีก็คือคลิปนี้ครับ เป็นคลิปที่ Professor Brian Cox ไปทดลองปล่อยลูกโบลิ่งและ “ขนนก” ในห้องสูญญากาศขนาดยักษ์ที่ Space Power Facility ของ NASA

(เลื่อนไปที่เวลา 2:50)