สวัสดีชาว Maker ทุกคนครับ! ปกติเวลาเราพูดถึงวิชาฟิสิกส์ที่ทำให้ของลอยได้ (Levitation) ด้วยคลื่นเสียงอัลตราโซนิก เรามักจะนึกถึงทริคคลาสสิกที่ใช้ตัวส่งสัญญาณ (Ultrasonic transducers) หลายๆ ตัวมาสร้าง "คลื่นนิ่ง (Standing wave)" เพื่อดักจับเม็ดโฟมหรือวัตถุเล็กๆ ไว้ตรงกลางคลื่นใช่ไหมครับ?

แต่วันนี้เราจะพาไปรู้จักกับการลอยตัวรูปแบบใหม่ที่ต่างออกไป ซึ่งถูกนำมาโชว์ให้เห็นภาพชัดๆ ผ่านโปรเจกต์ โต๊ะแอร์ฮอกกี้อัลตราโซนิก (Ultrasonic air hockey table) ของ Steve Mould ครับ!

ค้นพบโดยบังเอิญจากระบบตอร์ปิโด! 🚀

การลอยตัวรูปแบบที่ไม่ค่อยคุ้นตานี้ ถูกค้นพบโดยคุณ Bob Collins ในขณะที่เขากำลังง่วนอยู่กับการพัฒนาระบบนำวิถีตอร์ปิโดครับ เรื่องของเรื่องคือตอนที่เขาพยายามวางเลนส์แก้วลงบนตัวส่งสัญญาณอัลตราโซนิก เลนส์มันกลับ "ลื่นไถล" ออกไปทันที!

พอเขาทดลองต่อก็พบความจริงที่น่าทึ่งว่า ตัว Transducer นี้สามารถลอยตัวอยู่เหนือพื้นผิวอะไรก็ได้ ขอแค่พื้นผิวนั้น "เรียบและแบนพอ" ครับ

มันลอยได้ยังไง? (ไขความลับวิชาฟิสิกส์) 🤓

หลักการของมันไม่ได้ใช้คลื่นนิ่งเหมือนแบบเก่า แต่เป็นการดักจับ "ชั้นอากาศที่บางมากๆ (Thin layer of air)" ไว้ระหว่างตัว Transducer กับพื้นผิวเรียบครับ มาดู Step การทำงานกัน:

• เมื่อ Transducer สั่นและพุ่งเข้าหาพื้นผิวอย่างรวดเร็ว มันจะบีบอัดชั้นอากาศตรงกลาง และดันให้อากาศบางส่วนทะลักออกไปด้านข้าง
• ในทางกลับกัน จังหวะที่มันเด้งตัวดึงกลับ อากาศก็จะไหลกลับเข้ามาเติม
• จุดพีคอยู่ตรงนี้ครับ: ในจังหวะที่มันกดลง (Downstroke) ช่องว่างที่อากาศจะหนีออกไปได้มัน "แคบกว่า" ตอนที่มันดึงตัวขึ้น (Upstroke) ทำให้เกิดแรงต้าน (Drag) จากพื้นผิวมากกว่า
• ผลก็คือ ปริมาณอากาศที่ไหลเข้ากับไหลออกมัน "ไม่เท่ากัน" ครับ! พอถึงระยะห่างจุดหนึ่งที่แรงดันอากาศเข้า-ออกเกิดความสมดุล ตัว Transducer ก็จะลอยตัวอยู่บนชั้นอากาศบางๆ นั้นได้นั่นเอง

โต๊ะแอร์ฮอกกี้จิ๋วของ Steve Mould 🏑

Steve Mould ได้นำหลักการนี้มาสร้างเป็นสนามแอร์ฮอกกี้ขนาดจิ๋ว โดยให้ "พื้นโต๊ะ" เป็นตัวสั่นสะเทือน ทำให้แผ่นฮอกกี้ (Puck) ลอยขึ้นมาได้

แต่ตอนแรกที่เขาลองใช้ Transducer แค่ตัวเดียว มันดันเกิดคลื่นนิ่ง (Standing waves) บนพื้นโต๊ะ ทำให้แผ่นฮอกกี้ไปติดแหง็กอยู่ตามเส้นโหนด (Node lines) ซะงั้น เขาเลยแก้เกมด้วยการใช้ Transducer 2 ตัว วางไว้คนละฝั่งของโต๊ะ และตั้งค่าให้มันสั่นแบบ เหลื่อมเฟสกัน (Out of phase) วิธีนี้ช่วยลบจุดบอด (Dead spots) บนโต๊ะออกไปได้เกือบหมดเลยครับ!

โปรเจกต์อัลตราโซนิกอื่นๆ ที่น่าสนใจ

แม้ว่าสนามแอร์ฮอกกี้ของ Steve จะเล็กจนต้องใช้ไม้จิ้มฟันเล่น แต่มันก็พิสูจน์ให้เห็นว่าหลักการนี้ทำงานได้จริงครับ สำหรับใครที่อยากดูโปรเจกต์เกี่ยวกับการลอยตัวด้วยคลื่นเสียงแบบอื่นๆ เรามีมาฝากกันด้วย:

• ถ้าอยากได้โต๊ะแอร์ฮอกกี้แบบสเกลคนเล่นจริง ลองดูโปรเจกต์ Air Hockey Table Build นี้ได้เลย
• สำหรับมือใหม่ที่เพิ่งเข้าวงการ ลองเริ่มจากชุดคิท Simple electronics kits ที่ประกอบและเข้าใจง่าย
• ใครสายล้ำๆ ต้องไม่พลาดโปรเจกต์ Full volumetric display ที่ใช้คลื่นเสียงสร้างภาพ 3 มิติ
• หรือจะประยุกต์ใช้ทำ Photography station ล็อกตัวแมลงกลางอากาศเพื่อถ่ายภาพมาโครก็ยังได้!