แรงไทดัลคืออะไร?
แรงไทดัล หรือน้ำขึ้นน้ำลงนั้น เป็นปรากฏการณ์หนึ่งที่ช่วยสาธิตให้เราเห็นว่าดาราศาสตร์ สามารถส่งผลกระทบต่อชีวิตประจำวันเราได้อย่างไร โดยเฉพาะชาวประมงที่ต้องพึ่งระดับน้ำในการออกเดินเรือ หรือแม้กระทั่งในการกู้เรือสินค้าขนาดยักษ์ให้หลุดออกมาจากคลองสุเอซ[1]
ว่าแต่ว่า แรงไทดัลคืออะไร? วันนี้เราจะมาตอบคำถามนี้กัน โดยเฉพาะคำถามยอดฮิตในหมู่นักเรียนและอาจารย์ว่า "ทำไมแรงไทดัลถึงมีสองด้าน?"
แรงไทดัลนั้นเป็นผลสืบเนื่องมาจากแรงโน้มถ่วง เราค้นพบว่าวัตถุทุกอย่างที่มีมวล ย่อมมีแรงโน้มถ่วง โดยคุณสมบัติที่สำคัญของแรงโน้มถ่วงที่ทำให้เกิดแรงไทดัลนั้น เนื่องมาจากสมบัติสามประการด้วยกัน
1. แรงโน้มถ่วงเป็นแรงระหว่างมวล และมีทิศทางไปยังศูนย์กลางของมวล
2. แรงโน้มถ่วงขึ้นอยู่กับมวล ยิ่งมวลมากยิ่งมีแรงโน้มถ่วงมาก
3. แรงโน้มถ่วงแปรผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง หรือที่เราเรียกกันว่า Inverse Square Law (ISL) นั่นหมายความว่าวัตถุที่อยู่ห่างออกไปสองเท่า จะมีแรงโน้มถ่วงลดลงสี่เท่า
จากคุณสมบัติเหล่านี้ เราจะพบว่าในขณะที่เรานั่งอ่านบทความกันอยู่ตอนนี้ เราไม่เพียงแต่จะมีแรงโน้มถ่วงของโลกที่ดึงเราเอาไว้เพียงเท่านั้น แต่วัตถุทุกๆ วัตถุในเอกภพก็กำลังมีแรงโน้มถ่วงดึงเราเอาไว้อยู่ ดวงจันทร์กำลังดึงดูดเราไปในทิศทางของดวงจันทร์ ไม่ว่าในขณะนี้ดวงจันทร์จะอยู่พ้นขอบฟ้าหรือไม่ และดวงอาทิตย์ก็กำลังดึงดูดเราไปในทิศทางของดวงอาทิตย์
แต่เนื่องจากว่าแรงโน้มถ่วงเป็นแรงที่ไปสู่ศูนย์กลาง และขึ้นอยู่กับระยะทาง เราจะพบว่าแรงโน้มถ่วงที่ดวงจันทร์กำลังทำกับเรา จะไม่เท่ากับผู้สังเกตคนอื่นที่กำลังอยู่อีกฟากหนึ่งของโลก ทั้งโดยแมกนิจูดและทิศทาง อย่างไรก็ตาม แรงโน้มถ่วงจากดวงจันทร์นี้ น้อยกว่าแรงโน้มถ่วงที่เราได้รับจากโลกเป็นอย่างมาก ดวงจันทร์จึงไม่สามารถทำให้เข็มตาชั่งเบนไปได้แต่อย่างใด และเราไม่จำเป็นต้องกังวลเฟสและตำแหน่งของดวงจันทร์ในการชั่งน้ำหนัก
แต่สำหรับของเหลว เช่น น้ำในมหาสมุทรนั้น หากมีแรงกระทำไม่เท่ากันแม้เพียงนิดเดียว ของเหลวนั้นก็ย่อมที่จะไหลจาก "ที่สูงลงสู่ที่ต่ำ" แน่นอนว่าส่วนของโลกที่อยู่ใกล้ดวงจันทร์ที่สุด ย่อมที่จะมีแรงโน้มถ่วงจากดวงจันทร์มากที่สุด เราจึงคาดว่าของเหลวควรจะไปกองกันบริเวณใกล้ดวงจันทร์มากที่สุด
แต่นี่ไม่สามารถอธิบายได้ว่า เพราะเหตุใดเราจึงสังเกตพบปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงวันละสองครั้ง (สำหรับชายฝั่งส่วนมากบนโลก) ในตำแหน่งที่ตรงกันข้ามกัน เราจะอธิบายปรากฏการณ์ที่น้ำขึ้นสูงสุดในตำแหน่งตรงข้ามกับดวงจันทร์ได้อย่างไร?
ในการจะพิจารณาเช่นนี้นั้น มีแรงโน้งของวัตถุอีกสิ่งหนึ่งที่เราจะต้องพิจารณาไปด้วย นั่นก็คือพื้นโลกที่อยู่ด้านใต้ของพวกเรา เพราะนอกไปจากน้ำในมหาสมุทรที่โดนดึงดูดไปด้วยแรงโน้มถ่วงจากดวงจันทร์แล้ว ตัวโลกเองก็ถูกดึงดูดเข้าหาดวงจันทร์ด้วยเช่นกัน
ดังนั้น หากทั้งน้ำ และภาชนะที่บรรจุน้ำ ต่างก็กำลังถูกแรงดึงดูดไปด้วยแรงที่เท่าๆ กัน เราก็จะไม่พบว่าน้ำในแก้วนั้นควรจะมีการเคลื่อนไหวแต่อย่างใด เช่นเดียวกับน้ำที่อยู่บนแก้วที่วางอยู่นิ่งๆ บนโต๊ะ สิ่งที่เราควรจะพิจารณาในการพิจารณาถึงแรงไทดัล ก็คือผลต่างระหว่างแรงที่กระทำต่อน้ำในมหาสมุทร ณ จุดใดๆ บนพื้นโลก เมื่อเทียบกับแรงที่กระทำกับศูนย์กลางของโลก
ซึ่งหากใครเคยได้เรียนเรื่องของเวคเตอร์ ในตอนมัธยมศึกษาปีที่สี่ เราก็จะพบว่าเราสามารถนำจำนวนที่เป็นเวคเตอร์มาลบกันได้ โดยการกลับข้างลูกศรและนำมาเรียงต่อกัน จากนั้นเส้นที่ลากจากจุดเริ่มไปยังจุดสุดท้ายจะแทนปริมาณเวคเตอร์สุดท้าย เราสามารถแสดงผลลัพธ์จากแรงโน้มถ่วงที่ดวงจันทร์กระทำต่อผิวโลกส่วนต่างๆ (ลูกศรสีแดง) ลบกับแรงเฉลี่ยที่กระทำต่อโลก (แทนด้วยลูกศรสีเขียวในภาพที่สอง) และผลลัพธ์ที่ได้คือลูกศรสีเหลือง ที่แสดงในภาพที่สาม และถ้าเราพิจารณาตามหลักคณิตศาสตร์แล้ว เราจะพบว่า "ผลต่าง" ของแรงโน้มถ่วงนั้นก็คือการหา gradient ของแรงโน้มถ่วงนั่นเอง เนื่องจากแรงโน้มถ่วงนั้นเป็น inverse square law เราจึงพบว่าแรงไทดัลนั้นจะแปรผกผันกับระยะห่างยกกำลังสาม หรือ inverse cube law นั่นเอง
แต่ถ้าจะพูดให้ง่ายๆ ก็คือ น้ำในมหาสมุทรบริเวณที่อยู่ตรงข้ามกับดวงจันทร์นั้น ได้รับแรงโน้มถ่วงจากดวงจันทร์ในอัตราที่ต่ำกว่าพื้นที่อยู่เบื้องใต้ จึงเป็นเหตุว่าทำไมบริเวณด้านตรงข้ามดวงจันทร์เราจึงพบกับน้ำขึ้นสูงสุดเช่นกัน นอกไปจากนี้จากภาพเราจะพบว่าผิวโลกในบริเวณที่ตั้งฉากกับดวงจันทร์นั้นได้รับแรง "กด" ลง เนื่องมาจากทิศทางของแรงโน้มถ่วงที่เบี่ยงไปจากที่ศูนย์กลางของโลกได้รับเพียงเล็กน้อย เป็นผลให้เกิดน้ำลง
จากภาพที่สาม วงรีสีฟ้าเป็นภาพแสดงแทนถึงผิวน้ำในมหาสมุทรโดยคร่าวๆ เราจะพบว่าอิทธิพลจากแรงไทดัลนั้นเปรียบได้กับการ "บีบ" แก้วน้ำกระดาษสักใบหนึ่ง ให้เปลี่ยนรูปจากวงกลมเป็นวงรี นั่นหมายความว่าน้ำขึ้นน้ำลงจะเกิดน้ำขึ้นสูงสุดวันละสองครั้ง และน้ำลงสูงสุดวันละสองครั้ง ในเกือบทุกกรณี
ทั้งนี้ทั้งนั้น ปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงที่เกิดมาจากแรงไทดัลนั้น จะเกิดขึ้นได้ก็เฉพาะกับระบบน้ำที่เชื่อมต่อกับน้ำส่วนอื่นบนโลก น้ำที่แยกออกโดยสิ้นเชิง เช่น น้ำในทะเลสาป หรือน้ำในแก้วที่เราถือ ฯลฯ แม้ว่าจะได้รับแรงโน้มถ่วงจากดวงจันทร์ต่างไปจากน้ำบริเวณอื่นบนโลก แต่เนื่องจากน้ำในมหาสมุทรอื่นไม่สามารถไหลมาชดเชยได้ จึงจะไม่พบปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงในทะเลสาปน้ำจืด ทะเลสาปน้ำเค็มที่ไม่มีทางออกสู่ทะเล และการรดน้ำต้นไม้หรือการเลือดออกในมนุษย์นั้นไม่ได้เกี่ยวข้องกับแรงไทดัลแต่อย่างใด
นอกไปจากนี้ ปากอ่าวที่มีลักษณะปิดในบางครั้งอาจจะเกิดกระแสน้ำขึ้นลงที่มีการแทรกสอดกัน เป็นผลให้ในบางพื้นที่มีกระแสน้ำขึ้น-ลงที่ซับซ้อนไปกว่า semidiurnal tide ที่พบได้บนชายฝั่งส่วนมากบนโลก
นอกไปจากดวงจันทร์แล้ว อีกวัตถุท้องฟ้าหนึ่งที่มีแรงไทดัลในระดับที่สามารถสังเกตได้บนโลก ก็คือดวงอาทิตย์ ซึ่งถึงแม้ว่าดวงอาทิตย์จะมีมวลมากกว่าดวงจันทร์เป็นอย่างมาก และมีแรงโน้มถ่วงต่อใจกลางของโลกมากกว่า (แรงโน้มถ่วงจากดวงอาทิตย์ ณ วงโคจรของโลกนั้นมากกว่า 177 เท่าของแรงโน้มถ่วงจากดวงจันทร์) แต่แรงไทดัลซึ่งเป็น gradient ของแรงโน้มถ่วงนั้นแปรผกผันกับระยะห่างยกกำลังสาม ด้วยเหตุนี้เราจึงพบว่าแรงไทดัลจากดวงอาทิตย์บนโลกนั้น อ่อนแรงกว่าแรงไทดัลจากดวงจันทร์ถึงกว่า 1 ใน 3
ซึ่งหากเราเปรียบแรงไทดัลได้กับการ "บีบ" วงกลมให้กลายเป็นวงรีเช่นดังภาพแล้ว เราจะพบว่าแรงไทดัลจากดวงอาทิตย์และดวงจันทร์จะเปรียบได้เสมือนกับเด็กสองคนที่แย่งกันบีบแก้วน้ำใบเดียวกัน หากเด็กทั้งสองคนนี้กำลังบีบน้ำไปในทิศทางเดียวกัน เช่นในช่วงข้างแรมหรือข้างขึ้น 15 ค่ำ ที่ดวงจันทร์ โลก และดวงอาทิตย์อยู่ในแนวเดียวกันพอดี เราจะพบว่าในช่วงนั้นแรงไทดัลจากวัตถุทั้งสองจะเสริมกัน และเราจะพบปรากฏการณ์น้ำขึ้นน้ำลงที่แกว่งตัวได้แรงที่สุด เราเรียกว่า "น้ำเกิด" (spring tide) ในทางตรงกันข้าม หากเราให้เด็กสองคนบีบแก้วน้ำในมุมตั้งฉากกัน แรงบีบจะหักล้างกันในบางส่วน และในช่วงข้างขึ้นหรือแรม 8 ค่ำ จะเป็นช่วงที่ระดับน้ำขึ้น-น้ำลง มีการแกว่งตัวน้อยที่สุด เราเรียกว่า "น้ำตาย" (neap tide) (ภาพล่าง)
อ้างอิง/อ่านเพิ่มเติม:
[1] https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/1560520504158150
