วงแหวนเว็บ

neizod's speculation

insufficient data for meaningful answer

ฟิสิกส์พื้นฐานของการแล่นเรือใบ

Wednesday, November 22, 2023, 12:21 PM

เรือใบนั้นเป็นเทคโนโลยีที่อยู่เคียงข้างมนุษยชาตินับพันปี ตั้งแต่ชาวโพลินีเซียที่แล่นเรือค้นพบหมู่เกาะในแปซิฟิค ชาวไวกิงกับเรือยาวอันน่าเกรงขาม กองเรือของเจิ้งเหอที่ส่งให้จีนเป็นมหาอำนาจ มาจนถึงยุคทองของการสำรวจที่ชาติต่างๆ ในยุโรปต่างแข่งขันกันเดินเรือเพื่อพิสูจน์ว่าโลกกลม

แม้ทุกวันนี้เราจะไม่ได้ใช้เรือใบเป็นหลักอีกต่อไป เนื่องจากเรามีเรือยนต์ที่เดินทางได้อย่างรวดเร็วราบรื่นเชื่อถือได้มากกว่า แต่เรือใบก็ยังคงไว้ซึ่งเสน่ห์ในตัวของมันเอง ซึ่งความโดดเด่นของเรือใบก็คงเป็นการไม่ต้องใช้เชื้อเพลิง1ในการเดินทาง แต่เป็นการดักจับ2พลังงานลมมาเพื่อใช้ขับเคลื่อนให้เรือแล่นไปได้

คำถามสำคัญก็คือว่า แล้วเรือใบนั้นสามารถแล่นไปยังตำแหน่งต่างๆ ที่ต้องการได้อย่างไร? เพราะจากสัญชาตญาณของเราแล้ว วัตถุต่างๆ ควรจะแค่ “ล่องลอยไปตามสายลม” เท่านั้น อย่างเช่นละอองเกสรที่ปลิดปลิวจากดอกไม้ … จริงอยู่ที่ว่าสำหรับเรือใบแล้ว เราไม่จำเป็นต้องกางใบเรือเพื่อรับแรงลมตลอดเวลาก็ได้ หากทิศทางลมไม่เป็นใจ (หรือแม้กระทั่งฟ้าสงบไม่มีลมเลยก็ตาม) เราก็สามารถย้อนกลับไปใช้การพายเรือได้อยู่ดี อย่างไรก็ตามหากเราสามารถฉกฉวยพลังลมมาใช้งานได้ใน(แทบ)ทุกสถานการณ์ก็คงดีไม่น้อยเลยทีเดียว

ในตอนนี้เราจะมาทำความเข้าใจพื้นฐานของการแล่นเรือใบ โดยพิจารณาผ่านโมเดลทางฟิสิกส์ง่ายๆ ที่สนใจเพียงแค่แรงที่มีบทบาทสำคัญเท่านั้น

โมเดลแพติดใบเรือจตุรัส

ยานพาหนะทางน้ำที่เรียบง่ายที่สุดที่เราอาจนึกถึง ก็คงหนีไม่พ้นแพ (raft) ซึ่งเกิดจากการนำท่อนไม้หลายๆ ท่อนมาผูกติดกันเป็นแผ่นแบนๆ และเมื่อเราติดใบเรือรูปสี่เหลี่ยมจตุรัสเพื่อดักจับลมเข้าไป เราก็จะได้ยานพาหนะที่พร้อมจะแล่นไปในทิศทางเดียวกันกับลม เพราะมี “แรงผลัก” (push) จากลมเป็นที่เรียบร้อย

โมเดลแพติดใบเรือ

ปัญหาของโมเดลแพที่เรียบง่ายเช่นนี้ ก็คือว่าเราไม่สามารถบังคับทิศทางของมันได้เลย ใบเรือที่ดักจับลมนั้นจะต้องอยู่ในองศาที่ตั้งฉากกับทิศทางลมเสมอ การปรับองศาใบเรือนี้ก็ไม่ก่อให้เกิดประโยชน์ใดๆ เพราะมันนั้นทำได้เพียงแค่ลดหน้าตัดของใบเรือที่สามารถดักจับลมได้เท่านั้นเอง

โมเดลกระดูกงูเรือ

เราจะพิจารณายานพาหนะที่ซับซ้อนขึ้นมาอีกเล็กน้อย แต่ความซับซ้อนนี้ถือเป็นจุดสำคัญทีเดียว ซึ่งก็คือเรือแบบที่มีกระดูกงูเรือ (keel) วางพาดเป็นแนวยาวจากหัวเรือไปยังท้ายเรือ นั่นคือตอนนี้เรือของเราไม่ได้มีหน้าตาเหมือนกันไปหมดในทุกทิศทางแล้ว แต่จะมีรูปทรงเป็นแนวยาวที่เน้นให้เห็น “หัวเรือ” อย่างชัดเจน นี่จะเป็นส่วนที่คอยกำกับทิศทางว่าเรือจะแล่นไปยังทิศทางไหนนั่นเอง

โมเดลเรือยาว (longship) ของชาวไวกิง เรือรบอันน่าเกรงขามแห่งทะเลเหนือ

ความสำคัญที่เรือมีรูปทรงแนวยาวพร้อมกับกระดูกงูเรือเช่นนี้ ก็เพราะว่าใต้ผิวน้ำมี “แรงต้าน” (drag) ต่อวัตถุที่เคลื่อนไหว โดยแรงต้านนี้แปรผันตรงกับขนาดพื้นที่หน้าตัดที่ตั้งฉากกับทิศทางที่เคลื่อนไหว ดังนั้นหัวเรือที่เรียวแหลมก็จะมีแรงต้านน้อย ต่างจากแนวกราบเรือที่มีแรงต้านสูงเพราะเรือมีรูปทรงยาว ส่งผลให้เรือเคลื่อนที่ไปทางด้านหน้าได้ง่ายกว่าด้านข้างนั่นเอง (ลองเทียบกับรถยนต์ที่ถูกผลักให้ล้อหมุนไปด้านหน้าได้ง่ายกว่าถูกผลักให้ไถลทางด้านข้าง)

นี่ทำให้เรือใบมีความสามารถที่สำคัญเพิ่มขึ้นมา คือการที่มันสามารถ “เลี้ยว” ไปตามลมได้ ซึ่งในมุมของฟิสิกส์แล้วมันก็คือการแตกเวกเตอร์แรงลมจากใบเรือเพื่อมาหักล้างกับแรงต้านทางกราบเรือ จึงเหลือเพียงแค่เวกเตอร์ในแกนหัวเรือที่ไม่โดนหักล้างนั่นเอง

ลมการค้า

แม้ว่าเรือของเรา(ในตอนนี้)จะไม่สามารถแล่นย้อนทิศทางลมได้ก็ตาม แต่เนื่องจากโลกเป็นทรงกลมที่หมุนรอบตัวเอง ทว่าโลกก็มีชั้นบรรยากาศซึ่งเป็นของไหล (fluid) ที่พยายามจะหมุนไปพร้อมกับโลกเช่นกัน จึงทำให้ชั้นบรรยากาศในแต่ละส่วนของโลกนั้นหมุนด้วยความเร็วที่เหลื่อมกันไป เกิดเป็นสภาพอากาศที่มีลมพัดในทิศทางที่คงที่ตลอดทั้งปีในภาพรวม กล่าวคือ พัดจากตะวันออกไปยังตะวันตกในแถบเส้นศูนย์สูตร (โลกป่องที่สุด จึงหมุนเร็วที่สุดตรงนี้ และทำให้ชั้นบรรยากาศหมุนตามไม่ทัน) และพัดจากตะวันตกกลับมายังตะวันออกเมื่ออยู่ใกล้ขั้วโลก สภาพอากาศเช่นนี้ก็เปรียบเสมือน “ถนนไฮเวย์” ของเรือใบ จึงเหมาะกับการเดินเรือเป็นกิจวัตรโดยไม่ออกนอกเส้นทาง เช่น เรื่อบรรทุกสินค้า ดั่งจะเห็นได้จากชื่อลมนั่นเอง

ทิศทางลมในภาพรวมของโลกใบนี้ ภาพจาก Wikipedia

ขอเสียของการเดินทางตามกระแสลมด้วยเรือที่มีความสามารถจำกัดเช่นนี้ ก็คือถ้าเราแล่นเรือเลยจากจุดที่ต้องการจอดเรือเทียบท่าไป มันจะเสียเวลามากๆ ในการพายเรือเพื่อย้อนกลับมายังจุดเดิม … ซึ่งก็คงไม่เป็นไร ยังไงโลกก็กลม ถ้าไม่อยากพายเรือย้อนก็แค่แล่นเรือวนรอบโลกแทนก็ได้ 😜

โมเดลใบเรือสามเหลี่ยม

โมเดลที่ผ่านๆ มาบอกเราว่าเราควรกางใบเรือให้ตั้งฉากกับลม (เพื่อรับแรงผลักจากลมให้ได้มากที่สุด) แต่ถ้าเรากางใบเรือให้เฉียงกับลมจนใกล้จะขนานไปกับลมหล่ะ? สัญชาตญาณของเราอาจบอกว่านั่นเป็นสิ่งไม่ควรทำ เพราะว่ามันจะทำให้แรงผลักที่ได้จากลมหายไปจนหมด แต่ในทางฟิสิกส์แล้วมันกลับให้แรงอีกแบบขึ้นมาแทน ซึ่งก็คือ “แรงยก” (lift) ที่อธิบายคร่าวๆ ตามหลักกลศาสตร์ของไหลได้ว่าเกิดจากการที่ลมสองฝั่งวิ่งผ่านใบเรือเป็นระยะทางมากน้อยไม่เท่ากัน จึงทำให้เกิดเป็นแรงยกในแนวตั้งฉากกับทิศทางลมนั่นเอง (คำอธิบายในทำนองเดียวกันกับการทำงานของปีกเครื่องบิน)

โมเดลเรือดาว (dhow) ของชาวอาหรับ ที่เคยโลดแล่นค้าขายในมหาสมุทรอินเดีย

เอาจริงๆ แล้วใบเรือไม่จำเป็นต้องมีรูปร่างเป็นสามเหลี่ยมก็ได้ แต่ใบเรือสามเหลี่ยมที่ลากจากหัวเรือไปยังท้ายเรือ (fore-and-aft) นั้นทำให้เราบังคับรูปทรงของมันให้มีความโค้งจนเกิดแรงยกได้ง่ายกว่า

จุดแล่นเรือ

ถึงแม้ว่าเราจะสามารถสร้างแรงแบบใหม่ขึ้นมาแทน และแตกเวกเตอร์แรงเพื่อแล่นเรือสวนทางลมได้แล้ว แต่ก็ไม่ใช่ว่าเราจะแล่นสวนทางลมได้ในทุกองศาในโลกความจริง เพราะในมุมที่ใกล้กับลมมากๆ นั้นเวกเตอร์ที่แตกแกนมาจะมีแรงไม่พอพาเรือเคลื่อนที่ไปข้างหน้า โดยปรกติสำหรับเรือใบทั่วไปแล้ว เราจะตีคร่าวๆ ว่ามุม 0°±45° จากจุดกำเนิดของลมนั้นคือโซนห้ามไป (no-go zone) เพราะในโซนนี้เราจะไม่สามารถสร้างแรงขับเคลื่อนได้เพียงพอ

แผนภาพจุดแล่นเรือ การจัดองศาใบเรือ และความเร็วในมุมต่างๆ เมื่อเทียบกับลม

สำหรับมุมอื่นๆ ก็เป็นไปตามโมเดลเรือที่เราได้พูดถึงไปแล้ว นั่นคือในช่วงมุมแล่นไปตามลม (ช่วง 180°±45°) การกางใบเรือเพื่อรับลมเต็มๆ เพื่อสร้างเป็นแรงผลักนั้นให้ประสิทธิภาพที่สุด ส่วนในช่วงที่ตั้งฉากกับลมไปจนถึงย้อนลม (±90°±45°) นั้นให้กางใบเรือเฉียงๆ เพื่อสร้างเป็นแรงยกมาแตกเวกเตอร์นั่นเอง

ซิกแซกทวนลม

จากแผนภาพจุดแล่นเรือ มันหมายความว่าเราไม่สามารถแล่นเรือในโซนห้ามไปได้ แต่ว่าถ้าเกิดจุดที่เราต้องการแล่นเรือไปอยู่ในโซนนั้นหล่ะ เราไม่ต้องแล่นเรืออ้อมโลกเพื่อกลับมาอีกทีหรอกหรือ?

เทคนิคการบังคับเรือเพื่อให้เดินทางสวนเข้าไปยังใจกลางลม

กลายเป็นว่าคำตอบนี้สามารถตอบได้ง่ายๆ ด้วยเรขาคณิตได้เลย ซึ่งก็คือ เราจะไม่แล่นเรือเข้าไปในโซนนั้นตลอดเวลา แต่เราจะแล่นเรือให้ขนานกับขอบข้างใดข้างหนึ่งของโซน (ซึ่งก็คือยังมีแรงลมช่วยให้เรือแล่นไปได้อยู่) แล้วอาศัยการเปลี่ยนทิศหัวเรืออย่างรวดเร็วเพื่อ “ซิกแซก” เรือให้ข้ามไปแล่นขนานกับขอบอีกข้างของโซนนั่นเอง ซึ่งเมื่อมองในภาพรวมในระยะยาวแล้วก็จะเหมือนกับว่าเราแล่นเรือทวนลมเข้าไปในโซนนั้นได้ เราเทคนิคการควบคุมเรือเช่นนี้ว่า “การเปลี่ยนทิศลมเรือเมื่อแล่นสวนลม” (tacking)3 ซึ่งถือว่าเป็นเทคนิคสำคัญที่เติมเต็มการเดินเรือให้สมบูรณ์เลยก็ว่าได้

แล่นเรือเร็วกว่าลม

นอกจากนี้ แผนภาพจุดแล่นเรือยังบอกเราในเรื่องที่แอบขัดกับสามัญสำนึก(อีกแล้ว)ในอีกประเด็น คือ การที่เรือแล่นตามลม (ที่ 180°) นั้นทำความเร็วได้น้อยกว่าแล่นเฉียงๆ (ที่ ±135°) ซึ่งถ้าจะเอาให้ละเอียดถูกต้องจริงๆ คงต้องอธิบายกันยาว แต่เราอาจลองพิจารณาแนวคิดพื้นฐานง่ายๆ อย่าง “ลมปรากฏ” (apparent wind) ซึ่งเป็นลมที่เราสัมผัสรับรู้ได้ในขณะที่เคลื่อนที่ โดยมันจะเป็นการหักล้างกันระหว่างลมที่พัดมาจริงๆ กับอากาศที่อยู่เฉยๆ ของมันแต่เราวิ่งเข้าไปปะทะนั่นเอง

พูดเป็นภาษาฟิสิกส์ก็คือ $\vec{V}_A = \vec{V}_T - \vec{V}_B$ เมื่อ $\vec{V}_A$ คือลมปรากฏ, $\vec{V}_T$ คือลมจริง, และ $\vec{V}_B$ คือความเร็วเรือ

ขีดจำกัดความเร็วของเรือใบ

เช่นนี้แล้วก็จะได้ว่า หากเราแล่นเรือตั้งฉากไปกับลมตรงๆ ยิ่งเรือเราเคลื่อนที่ได้เร็วเท่าไหร่ เราจะยิ่งได้รับลมส่งท้ายน้อยลงเท่านั้น จนถึงจุดที่เรือแล่นได้เร็วเท่ากับลมจริงพอดี ณ จุดนั้นเราก็จะไม่ได้รับแรงลมส่งท้ายอีกต่อไป เพราะลมปรากฏเหลือศูนย์เป็นที่เรียบร้อย หรือพูดอีกอย่างก็คือ ขีดจำกัดความเร็วของเรือที่แล่นตั้งฉากกับลมนั้นก็คือความเร็วของลม

อย่างไรก็ตาม หากเราแล่นเรือตามลมเฉียงๆ แม้ในช่วงแรกที่ออกตัวเราอาจทำความเร็วได้น้อยกว่า แต่เมื่อแล่นเรือไปเรื่อยๆ เราจะเห็นว่าขีดจำกัดความเร็วไม่ได้ถูกจำกัดด้วยความเร็วของลมอีกต่อไป เพราะลมปรากฏนั้นก็ต้องถูกแตกเวกเตอร์ด้วยเช่นกัน จนส่งผลให้ความเร็วเรือในทิศที่เฉียงกับลมนั้นมีค่ามากกว่าความเร็วลมจริงได้ในที่สุด

แน่นอนว่าด้วยการวิเคราะห์คร่าวๆ เช่นนี้ ความเร็วเรือในแกนเดียวกับลมจริงนั้นก็จะไม่สามารถเร็วไปกว่าลมจริงอยู่ดี แต่ในโลกจริงเราจะไม่ตรึงมุมใบเรือไว้ให้ตั้งฉากกับลมจริงไปตลอดเช่นนี้ เพราะยิ่งเราเคลื่อนที่เร็วเท่าไหร่ เราก็จะยิ่งได้ลมปรากฎพัดปะทะเข้าทางหัวเรือมากขึ้นเท่านั้น ส่งผลให้เราสามารถปรับมุมใบเรือเพื่อสร้างเป็นแรงยกได้อีกด้วย และเราจะได้ความเร็วเรือที่แตกเวกเตอร์มาในแนวแกนของลมจริงว่าสามารถเร็วมากกว่าลมจริงได้อีกด้วย

ดังนั้นการแล่นเรือล่องไปตามลม เราก็จะไม่แล่นในมุมเดียวกันกับลมอยู่ดี เกิดเป็นโซนไม่ควรไป (ต่างจากโซนห้ามไปที่เราไม่สามารถสร้างแรงขับเคลื่อนได้เลย แต่ในโซนไม่ควรไปนี้เราแค่จะไปได้ช้า) ดังนั้นแม้เราจะแล่นเรือตามลมก็ตาม แต่เราก็ควรจะซิกแซกลงไปไม่ต่างกับตอนสวนทางลม โดยเราจะเรียกเทคนิคนี้ว่า “การเปลี่ยนทิศลมเรือเมื่อแล่นตามลม” (jibing)

อ้างอิง

  1. ในที่นี้มองว่าเชื้อเพลิงคือพลังงานที่ถูกกักเก็บเตรียมไว้ก่อนหน้าการเดินทาง (ถ่านหิน, น้ำมัน, ไฟฟ้า) ไม่สามารถสกัดสังเคราะห์เพิ่มเติมขึ้นเองในภายหลังได้ ซึ่งมองแบบนี้อาหารสำหรับแรงงานมนุษย์ก็คงต้องนับว่าเป็นเชื้อเพลิงอย่างหนึงหละมั้ง… (but you get the idea, right?) 

  2. ภาษาอังกฤษใช้คำว่า harness ซึ่งแปลตามพจนานุกรมได้ว่า “ใช้พลังงานจาก” ซึ่งไม่สื่ออะไรเท่าไหร่ แต่คำแปลอื่นคือการ “กุมบังเหียน” ที่น่าจะสื่ออะไรได้มากกว่า เพราะเราไม่ได้สามารถสร้างพลังเหล่านั้นขึ้นมาเองได้ แต่เป็นการฉกฉวยแปลงพลังงานที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติเหล่านั้นมาใช้งาน 

  3. พจนานุกรมภาษาไทยยังไม่มีการถอดศัพท์นี้ตรงๆ แต่รากศัพท์มันมาจาก tack ที่หมายถึงทิศของลมพัดเข้ามาปะทะกราบซ้ายหรือกราบขวาของเรือ ดังนั้น tacking หรือการเปลี่ยนทิศลมเรือ ก็คือการเลี้ยวเรือไปจนลมเปลี่ยนมาปะทะกราบอีกข้างนั่นเอง 

neizod

author