หลักวิทยาศาสตร์พื้นฐานเกี่ยวกับการลอยตัวในน้ำ เป็นความรู้ที่สำคัญมากในการทำกิจกรรมใต้น้ำทุกชนิด โดยเฉพาะ สำหรับผู้ที่ต้องการทำความเข้าใจเรื่องระบบการจัดการน้ำหนักสำหรับนักดำน้ำ ทั้งสคูบ้า (scuba diving) และฟรีไดฟ์ (freediving) ให้ได้อย่างลึกซึ้ง เพื่อที่จะได้จัดการกับสภาพการลอยตัวของตัวเอง ด้วยเครื่องมือต่างๆ นับตั้งแต่ ตะกั่วถ่วงน้ำหนัก, BCD, จนถึงปอดของตัวเราเอง ได้อย่างมีประสิทธิภาพ รวมถึงเพื่อแนะนำเพื่อนร่วมกิจกรรมหรือนักเรียนดำน้ำได้อย่างละเอียด ชัดเจน และถูกต้อง ตลอดจนการพัฒนาเทคนิคการแก้ปัญหาในสถานการณ์ต่างๆ ได้อย่างเหมาะสม
ความรู้ความเข้าใจในเรื่องนี้ ไม่เพียงแต่จะช่วยให้เราทำกิจกรรมดำน้ำได้อย่างสะดวก ราบรื่น ปลอดภัย ช่วยลดอันตรายหรือแก้ปัญหา เท่านั้น แต่ยังช่วยให้เราผ่อนคลายและสนุกสนานในการดำน้ำมากขึ้นด้วย หากรู้จักประยุกต์ใช้ในสถานการณ์ต่างๆ ได้อย่างถูกต้องและสร้างสรรค์
การลอยตัว
คือสภาพการจมลอยของวัตถุหนึ่งๆ ภายใต้สิ่งแวดล้อมที่มันอยู่
หากสิ่งแวดล้อมมีแรงยกวัตถุนั้นมากกว่าน้ำหนักของมัน วัตถุนั้นก็จะลอยอยู่ได้ “บน” สิ่งแวดล้อมนั้น (ที่ต้องหมายเหตุคำว่า “บน” ก็เพราะว่า ในการลอยตัวนั้น จะมีบางส่วนจมอยู่กับสิ่งแวดล้อมเสมอ เพราะส่วนที่จมในสิ่งแวดล้อมนั่นเองที่ทำให้เกิดแรงยกขึ้นมา) เราเรียกสภาพการลอยตัวแบบนี้ว่า มีการลอยตัวเป็นบวก
แต่ถ้ามีแรงยกไม่มากพอ วัตถุนั้นจะจมลงไปอยู่ภายในสิ่งแวดล้อมนั้นทั้งชิ้น ส่วนจะจมลงไปเรื่อยๆ หรือหยุดนิ่งกลางสิ่งแวดล้อมได้ ก็ขึ้นกับว่า แรงยกนั้นเท่ากับหรือน้อยกว่าน้ำหนักของวัตถุ หากเท่ากันพอดี วัตถุจะหยุดนิ่งกลางสิ่งแวดล้อมนั้นได้ จับไปวางตรงไหนก็อยู่ตรงนั้น ไม่จมลงหรือลอยขึ้น (เมื่อไม่มีแรงอย่างอื่นมากระทำ) เรียกว่ามีการลอยตัวเป็นกลาง หากแรงยกน้อยกว่า วัตถุจะจมลงไปเรื่อยๆ เรียกว่ามีการลอยตัวเป็นลบ
สำหรับนักดำน้ำ ในสถานการณ์ทั่วไป เราต้องการสภาพการลอยตัวที่เป็นกลาง ซึ่งก็คือ สภาพที่แรงยกเท่ากับน้ำหนักตัวของเราพอดี เพราะเราสามารถควบคุมการขึ้นลงด้วยตัวเองได้ ไม่ต้องมีอิทธิพลจากแรงภายนอกมาทำให้เราต้องยุ่งยากขึ้น (มีบางสถานการณ์ที่เราอาจต้องการแรงยกหรือแรงกดมาช่วยด้วย เช่น เมื่อเจอกระแสน้ำแนวตั้ง ที่คอยกดเราให้จมลงหรือลอยขึ้นอย่างหนักหน่วง จนจัดการด้วยตัวเราเองล้วนๆ ทำได้ยาก)
แต่เรื่องที่เราต้องเข้าใจเพิ่มเติมก็คือ ด้วยคุณสมบัติภายในร่างกายของมนุษย์เอง คือการมี ถุงลม คือ ปอด ที่หดขยายขนาดได้ ทำให้จุดที่เราจะมีสภาพการลอยตัวเป็นกลางนั้น ไม่ตายตัว แต่เปลี่ยนไปตามระดับความลึกด้วย
เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น ต้องค่อยๆ ทำความเข้าใจกันครับ โดยเริ่มต้นจาก ที่มาของ “แรงลอยตัว” หรือ “แรงยก” ก่อนจะไปต่อด้วยว่า ทำไมสภาพการลอยตัวของมนุษย์มีปอดอย่างเราจึงมีสภาพการลอยตัวที่ไม่ตายตัว
แรงลอยตัว หรือ แรงยก เกิดขึ้นได้อย่างไร
แรงยกที่ของเหลวดันวัตถุใดๆ เอาไว้นั้น เกิดขึ้นจากการที่วัตถุนั้นพยายามจะเข้าไปแทนที่ของเหลว (อธิบายแบบให้เห็นภาพนิดนึงว่า) ของเหลวก็จะมีแรงดันสู้กลับไป เท่ากับน้ำหนักของตัวเองในปริมาตรที่เท่ากับส่วนที่วัตถุนั้นพยายามจะเข้ามาแทนที่
หรืออธิบายแบบทางการนิดนึง ก็คือ แรงยกจะมีขนาดเท่ากับ น้ำหนักของของเหลวส่วนที่ถูกแทนที่นั้น หรือก็คือ น้ำหนักของของเหลวที่มีปริมาตรเท่ากับวัตถุส่วนที่จมอยู่ในของเหลว
หากวัตถุมีความหนาแน่นน้อยกว่าของเหลว เมื่อวัตถุนั้นจมลงไปในของเหลว (คือ ไปแทนที่ของเหลว) เพียงปริมาณนิดเดียว ก็เกิดแรงยกจากของเหลวเพียงพอที่จะชนะน้ำหนักของวัตถุทั้งชิ้นแล้ว ทำให้วัตถุนั้นไม่จมลงไปในของเหลวอีกต่อไป หยุดอยู่เพียงแค่ส่วนที่แรงยกจากของเหลวจะพอดีกับน้ำหนักของมัน … ซึ่งเราเรียกสถานะแบบนี้ว่า ลอยตัวอยู่เหนือของเหลว (โดยที่จริงคือ จมอยู่บางส่วน) ในการดำน้ำเราเรียกว่า มีการลอยตัวเป็นบวก (positive buoyancy)
หากวัตถุมีความหนาแน่นมากกว่าของเหลว แรงยกจากของเหลวปริมาตรเท่ากับวัตถุ ย่อมมีแรงน้อยกว่า สู้น้ำหนักของวัตถุไม่ได้ วัตถุก็จะจมลงไปในของเหลวทั้งชิ้น และจมลงไปเรื่อยๆ จนถึงก้นภาชนะที่รองรับ ในการดำน้ำเราเรียกว่า มีการลอยตัวเป็นลบ (negative buoyancy)
หากวัตถุมีความหนาแน่นเท่ากับของเหลวพอดี ก็แปลว่า น้ำหนักของวัตถุ กับ แรงยกของของเหลว ย่อมเท่ากันเสมอไป และถ้าไม่มีแรง อื่นใดมากระทำอีก วัตถุนั้นจะหยุดอยู่กลางน้ำ ไม่ว่าเราจะจับมันไปวางไว้ที่ใด ก็จะหยุดอยู่ที่นั้น ไม่จมลง ไม่ลอยขึ้น ในการดำน้ำเราเรียกว่า มีการลอยตัวเป็นกลาง (neutral buoyancy)
คำนวณแรงยกได้อย่างไร
จากคำอธิบายข้างต้นที่ว่า แรงยกที่ของเหลวกระทำต่อวัตถุ จะมีขนาดเท่ากับ น้ำหนักของของเหลวส่วนที่ถูกแทนที่ด้วยวัตถุ เราก็ต้องคำนวณหาน้ำหนักของของเหลวส่วนนั้นนั่นเอง
โดยปกติ เราจะทราบความหนาแน่น (density) ซึ่งเป็นความสัมพันธ์ระหว่าง น้ำหนัก กับ ปริมาตร ของสิ่งต่างๆ ตามธรรมชาติอยู่แล้ว เช่น น้ำบริสุทธิ์มีความหนาแน่นเท่ากับ 1 กิโลกรัมต่อ 1 ลิตร (1,000 ซีซี) ส่วนน้ำทะเลมีความหนาแน่นประมาณ 1.020 – 1.029 กิโลกรัมต่อ 1 ลิตร
ดังนั้น ถ้าเรารู้ปริมาตรของของเหลวส่วนที่ถูกแทนที่อยู่ เราก็สามารถคำนวณหาน้ำหนักของของเหลวส่วนนั้นได้โดยเอาปริมาตรของส่วนนั้น คูณกับค่าความหนาแน่นซึ่งทราบอยู่แล้ว
และสำหรับการดำน้ำ ปริมาตรของส่วนที่น้ำทะเลถูกแทนที่อยู่ ก็คือปริมาตรของร่างกายนักดำน้ำนั่นเอง เราจึงคำนวณแรงยกต่อร่างกายของเราได้จากสูตร
ปริมาตรของร่างกายเรา x ความหนาแน่นของน้ำทะเล
สภาพการลอยตัวของร่างกายมนุษย์
ร่างกายมนุษย์ประกอบด้วยองค์ประกอบหลักๆ 3 อย่างที่มีผลมากกับการลอยตัวในน้ำ นั่นก็คือ กระดูก กล้ามเนื้อ และไขมัน
- กระดูก มีความหนาแน่นมากกว่านำ้ประมาณ 50% แต่มีปริมาณไม่มากนัก
- กล้ามเนื้อ มีความหนาแน่นมากกว่าน้ำเพียงเล็กน้อย
- ไขมัน มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ
ร่างกายมนุษย์โดยเฉลี่ยจะมีความหนาแน่นประมาณ 95% ของน้ำบริสุทธิ์ (สำหรับคนที่พอมีพื้นฐานวิทยาศาสตร์มาแล้ว อธิบายว่า มีความถ่วงจำเพาะประมาณ 0.95) คนส่วนใหญ่จึงลอยอยู่ในน้ำได้ โดยมีส่วนที่ลอยเหนือน้ำประมาณ 5% และจมอยู่ในน้ำ (แทนที่น้ำอยู่) อีกประมาณ 95% 1
คนที่มีไขมันในร่างกายมาก ก็จะมีความหนาแน่นน้อยกว่าตัวเลขข้างต้น และจะมีส่วนที่ลอยอยู่เหนือน้ำมากกว่านี้ ส่วนคนที่มีกล้ามเนื้อมาก (ต้องมากจริงๆ เช่น คนที่เล่นกล้ามหรือนักเพาะกาย) ก็จะมีส่วนที่ลอยอยู่เหนือน้ำน้อยกว่านี้ และจมน้ำมากกว่านี้ แต่หากหายใจเข้าเต็มปอด คนส่วนใหญ่ก็ยังคงมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำอยู่
และสำหรับในน้ำทะเล (ซึ่งมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำบริสุทธิ์ประมาณ 3%) ก็จะมีแรงยกมากกว่าน้ำจืดอีกประมาณ 3% ด้วย คนเกือบทั้งหมดในโลกจึงมีสภาพการลอยตัวในน้ำทะเลเป็นบวก
อย่างไรก็ตาม สภาพการลอยตัวของมนุษย์ แม้ในแหล่งน้ำเดียวกัน ในเวลาใกล้ๆ กัน (ซึ่งน้ำทะเลยังไม่ได้เปลี่ยนความเข้มข้นตามฤดูกาล) ก็ไม่ได้มีค่าคงที่ตายตัวตลอดเวลา แต่กลับเปลี่ยนไปแทบจะทุกวินาทีเลยทีเดียว
เหตุใด มนุษย์เราจึงมีสภาพการลอยตัวไม่ตายตัว
ตอบอย่างสั้นๆ ว่า เพราะมนุษย์เรามีปอด เป็นถุงเก็บอากาศที่ขยายและหดตัวได้ นั่นเอง
ถ้าเราอยู่ในน้ำ เมื่อปอดขยายตัว ปริมาตรของร่างกายเราก็เพิ่มขึ้น เมื่อปริมาตรของร่างกายเราซึ่งกำลังแทนที่น้ำอยู่ เพิ่มมากขึ้น น้ำก็จะมีแรงยกตัวเรามากกว่าตอนที่ปอดหดตัว ก็คือแรงลอยตัวเพิ่มขึ้น
ในทางกลับกัน เมื่อปอดหดตัว ปริมาตรของร่างกายเราลดลง น้ำก็จะมีแรงยกตัวเราลดลงตามไปด้วย
ปอดของนักดำน้ำจะขยายหรือหดตัว ด้วย 2 สาเหตุหลัก คือ การหายใจเข้าออก และการลงสู่ความลึกหรือขึ้นสู่ที่ตื้น (หรือเรียกว่าการเปลี่ยนระดับความลึก)
สำหรับนักดำน้ำลึก ที่พาเอาถังอากาศติดตัวไปด้วยตลอดเวลา การเปลี่ยนระดับความลึกไม่มีผลต่อขนาดของปอด เพราะจะได้รับอากาศเต็มปริมาตรปอดอยู่ตลอดเวลา มีเพียงการหายใจเข้าออกเท่านั้นที่จะทำให้ปอดขยายหรือหดตัวแล้วทำให้เกิดแรงยกเพิ่มขึ้นหรือลดลง และนักดำน้ำลึกก็ใช้คุณสมบัตินี้ในการควบคุมการลอยตัวขึ้นลงระหว่างการดำน้ำ
แต่สำหรับนักดำน้ำฟรีไดฟ์ ที่ต้องหายใจออก ส่งอากาศจากปอดเข้าสู่หน้ากากเพื่อป้องกัน mask squeeze ซึ่งทำให้ปอดหดตัวเล็กน้อย และทำให้แรงยกก็ลดลงไปด้วย และเมื่อลงสู่ความลึก ปอดยังจะหดตัวจากความกดดันที่เพิ่มขึ้นด้วย ทำให้แรงยกลดลงไปอีก สภาพการลอยตัวของนักดำน้ำฟรีไดฟ์ จึงลดลงไปตามความลึกที่เพิ่มขึ้นด้วย
ใครยังสนใจเรื่องการลอยตัวในแง่มุมอื่นใดอีก ลองบอกมาที่เพจต่างๆ ของเราได้นะ จะมาอธิบายเพิ่มเติมให้ในโอกาสต่อไป
Footnotes
- อ้างอิงจาก บทที่ 3 การทรงตัวในน้ำ ในหนังสือ คู่มือการออกกำลังในสระน้ำ โดย สมชาย รัตนทองคำ … ทั้งนี้แหล่งข้อมูลอ้างอิงไม่ได้บอกไว้ชัดเจนว่า ค่าความถ่วงจำเพาะนี้ คิดจากตอนที่ปริมาตรปอดเป็นอย่างไร (เป็นตอนหายใจเข้าเต็มปอด หรือหายใจออกหมดปอด) จึงขอให้ถือว่า คิดจากตอนที่ปอดมีรูปร่างปานกลาง มีปริมาณอากาศภายในปอดพอสมควร เพราะหากคิดเมื่อปอดแฟบ ไม่มีอากาศในปอดเลย มนุษย์ส่วนใหญ่น่าจะมีความหนาแน่นใกล้เคียงกับน้ำ หรือมากกว่าน้ำ เลยทีเดียว และหากไม่มีอากาศเลย แต่มีน้ำอยู่ในปอดมาก มนุษย์ส่วนใหญ่ก็มักจะจมน้ำ