สไลม์แบบของไหลแบบนอน-นิวโตเนียนสำหรับผู้เริ่มต้น: เล่นได้ง่าย

ของไหลแบบไม่ใช่นิวตันคืออะไร? วิทยาศาสตร์พื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังพฤติกรรมของสไลม์

การนิยามของไหลแบบไม่ใช่นิวตันเทียบกับของไหลแบบนิวตันโดยใช้ตัวอย่างในชีวิตประจำวัน

น้ำ แอลกอฮอล์เอทิลิก น้ำผึ้ง และของเหลวทั่วไปอื่นๆ อีกมากมายจัดอยู่ในกลุ่มของของไหลแบบนิวตัน (Newtonian fluids) ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกเช่นนั้น อะไรทำให้ของไหลเหล่านี้พิเศษ? ก็คือ ไม่ว่าเราจะใช้แรงมากน้อยเพียงใด ความหนืดของมันจะคงที่เกือบตลอดเวลา ลองเทน้ำออกจากแก้วอย่างช้าๆ เทียบกับการเขย่าขวดน้ำอย่างรุนแรง — ลักษณะการไหลของน้ำจะยังคงสม่ำเสมอไม่ว่ากรณีใดก็ตาม แต่ก็ยังมีของไหลประหลาดอีกกลุ่มหนึ่งที่เรียกว่าของไหลแบบไม่ใช่นิวตัน (non-Newtonian fluids) ซึ่งไม่ปฏิบัติตามกฎเหล่านี้เลย เมื่อถูกกระทำด้วยแรงหรือความดันที่แตกต่างกัน ความหนืดของมันจะเปลี่ยนแปลงอย่างมาก ขึ้นอยู่กับวิธีที่ผู้ใช้งานจัดการกับมัน เช่น สารผสมแป้งข้าวโพดกับน้ำ: หากคนเบาๆ จะแสดงพฤติกรรมเหมือนของเหลว แต่หากตีหรือกระแทกอย่างรุนแรง มันจะกลายเป็นแข็งเกร็งทันทีภายใต้แรงกด

ตัวอย่างในชีวิตประจำวันสามารถอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้อย่างชัดเจน:

• ซอสกะเพรา คือการลดความหนืดภายใต้แรงเฉือน (shear thinning): การเขย่าหรือบีบจะลดความหนืดลง ทำให้มันไหลได้ง่ายขึ้น
• สารผสมแป้งข้าวโพดกับน้ำ มีลักษณะการหนืดเพิ่มขึ้นภายใต้แรงเฉือน: แรงกระแทกอย่างฉับพลันจะทำให้วัสดุแข็งตัวทันที
• ยาสีฟัน อยู่นิ่งเหมือนของแข็ง แต่ไหลออกเมื่อมีแรงกดจากหลอด

สไลม์จัดอยู่ในหมวดหมู่ของของไหลที่มีลักษณะการหนืดเพิ่มขึ้นภายใต้แรงเฉือน เมื่อดึงช้าๆ จะแสดงพฤติกรรมคล้ายของเหลวที่มีความหนืดสูง แต่เมื่อถูกตีหรือดึงอย่างรวดเร็ว จะต้านการเปลี่ยนรูปเหมือนของแข็งชนิดนุ่ม ความทวิลักษณ์นี้เกิดจากการจัดเรียงตัวใหม่แบบไดนามิกของสายพอลิเมอร์—ซึ่งเลื่อนไถลได้อย่างอิสระภายใต้แรงเบา แต่กลับติดขัดและพันกันภายใต้แรงกระทำอย่างฉับพลัน

การหนืดเพิ่มขึ้นภายใต้แรงเฉือน เทียบกับ การหนืดลดลงภายใต้แรงเฉือน: สไลม์เปลี่ยนสถานะอย่างไรภายใต้แรงกระทำ

ของไหลแบบไม่ใช่นิวตันแบ่งออกเป็นสองหมวดหมู่หลักตามลักษณะการตอบสนองของความหนืดต่อแรงเฉือน (แรงที่กระทำขนานกับผิวหน้า) การหนืดลดลงภายใต้แรงเฉือน เช่น ซอสมะเขือเทศหรือสี—จะสูญเสียความต้านทานเมื่อถูกคนหรือเขย่า การหนืดเพิ่มขึ้นภายใต้แรงเฉือน เช่น สไลม์และอูเบิลค์—จะเพิ่มความต้านทานภายใต้แรงกระทำอย่างรวดเร็ว

วิธีที่สไลม์เปลี่ยนสถานะระหว่างกันขึ้นอยู่เป็นหลักกับการเคลื่อนที่ของโมเลกุลพอลิเมอร์เหล่านั้น เมื่อการเคลื่อนที่เกิดขึ้นอย่างช้าๆ หรือเบาๆ สายโซ่ยาวๆ ภายในวัสดุ PVA สามารถเลื่อนผ่านกันได้อย่างง่ายดาย เนื่องจากมีแรงเสียดทานน้อยมาก นี่คือเหตุผลที่สไลม์สามารถไหลได้เหมือนของเหลวทั่วไป อย่างไรก็ตาม เมื่อมีการกระทำอย่างรวดเร็วหรือรุนแรง เช่น การดึงอย่างฉับพลันหรือการตีอย่างแรง สายโซ่พอลิเมอร์เดียวกันนั้นจะพันกันก่อนที่จะสามารถจัดเรียงตัวเองใหม่ได้ สิ่งที่เกิดขึ้นต่อไปนั้นน่าสนใจมาก ความยุ่งเหยิงที่เกิดขึ้นจะสร้างการเชื่อมต่อชั่วคราวภายในวัสดุ ซึ่งทำให้วัสดุทั้งหมดต้านทานการเคลื่อนที่มากกว่าปกติอย่างมาก ความต้านทานที่เกิดขึ้นอย่างฉับพลันนี้จึงสร้างความรู้สึกแข็งตัวที่เราสัมผัสได้เมื่อสัมผัสหรือใช้งานสไลม์ภายใต้แรงกดดัน

การตอบสนองนี้ไม่เพียงแต่น่าดึงดูดทางสายตาเท่านั้น—แต่ยังสะท้อนหลักการพื้นฐานของวิชาเรโอลอจี (rheology) และวิทยาศาสตร์วัสดุ ทำให้สไลม์กลายเป็นจุดเริ่มต้นที่เข้าถึงได้ง่ายสำหรับการสำรวจว่าโครงสร้างโมเลกุลควบคุมพฤติกรรมในระดับมาโครได้อย่างไร

การผลิตสไลม์แบบของไหลที่ไม่ใช่แบบนิวตันอย่างปลอดภัย: สูตรสำหรับผู้เริ่มต้นและแนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด

สูตรสไลม์ที่ใช้โบรอกซ์ พร้อมสัดส่วนที่แม่นยำและมาตรการความปลอดภัยสำหรับผู้ผลิตครั้งแรก

สูตรสไลม์คลาสสิกที่เชื่อถือได้เริ่มต้นด้วยกาว PVA สีขาว 1 ถ้วย และน้ำ ½ ถ้วย ผสมให้เข้ากันอย่างทั่วถึง จากนั้นแยกต่างหากโดยการละลายผงโบรอกซ์ 1 ช้อนชาในน้ำอุ่น 1 ถ้วย ค่อยๆ เทสารละลายโบรอกซ์ลงในส่วนผสมกาวขณะคนอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งได้เนื้อสัมผัสตามต้องการ—ซึ่งมักเกิดขึ้นภายใน 30–60 วินาที

เมื่อทำสไลม์ โบรักซ์จะทำหน้าที่เชื่อมสายพอลิเมอร์ PVA เข้าด้วยกัน จนเกิดโครงข่ายยืดหยุ่นที่เราคุ้นเคยกันดี อย่างไรก็ตาม ความปลอดภัยต้องมาก่อน! โบรักซ์อาจระคายเคืองผิวหนังและดวงตา และไม่ใช่สิ่งที่ควรรับประทานอย่างเด็ดขาด ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีผู้ใหญ่คอยดูแลอย่างใกล้ชิด พร้อมสวมถุงมือไนไตรล์และแว่นตานิรภัยเพื่อความปลอดภัยก่อนเริ่มทำสไลม์ เมื่อสไลม์เสร็จสมบูรณ์แล้ว ให้เก็บไว้ในภาชนะที่ปิดสนิทเพื่อป้องกันไม่ให้แห้ง และอย่าลืมล้างมือให้สะอาดหลังเล่นสไลม์เสร็จ ครูจำนวนมากชื่นชอบวิธีนี้ เพราะสอดคล้องกับมาตรฐาน NGSS ที่กล่าวถึงความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างของวัสดุกับคุณสมบัติของมัน ห้องปฏิบัติการในห้องเรียนทั่วประเทศใช้เทคนิคนี้เป็นประจำ เนื่องจากให้ผลที่เชื่อถือได้ทุกครั้ง และแสดงพฤติกรรมแบบไม่ใช่นิวตัน (non-Newtonian behaviors) ได้อย่างชัดเจนน่าทึ่ง

ทางเลือกแทนโบรักซ์ (ใช้เบกกิ้งโซดาผสมสารละลายสำหรับคอนแทคเลนส์) สำหรับผู้ที่มีผิวบอบบางและสำหรับการใช้งานในห้องเรียน

นักเรียนที่มีความไวต่อสารหรือทำงานในสถานที่ที่ไม่อนุญาตให้ใช้โบรัคซ์ สามารถลองใช้ผงฟูและสารล้างเลนส์สัมผัสแทนได้ ขั้นแรก ผสมกาวโรงเรียนสีขาวประมาณ 1 ถ้วยเข้ากับผงฟู 1/4 ถ้วย จากนั้นค่อยๆ เติมสารล้างเลนส์สัมผัสทีละหยด ซึ่งโดยทั่วไปจะมีกรดบอริกและโซเดียมโบรเอตเป็นส่วนประกอบ พร้อมนวดส่วนผสมด้วยมือจนเริ่มยืดตัวและจับตัวกันอย่างดี วิธีนี้ใช้ได้ผลดีในการทำสไลม์โดยไม่ต้องกังวลเรื่องการสัมผัสโบรัคซ์

สูตรใหม่นี้ทำงานในลักษณะคล้ายกับเวอร์ชันก่อนหน้าเมื่อพูดถึงการข้นตัวภายใต้แรงเครียด เนื่องจากยังมีกรดบอริกอยู่ในส่วนผสม ซึ่งช่วยให้เกิดพันธะเคมีเหล่านั้นได้ แต่ในปริมาณที่น้อยกว่าเดิม จึงทำให้อ่อนโยนต่อผิวบอบบางมากขึ้น งานวิจัยระบุว่า ผู้คนรายงานว่าระดับการระคายเคืองลดลงประมาณร้อยละ 63 หลังจากใช้สูตรนี้แทนสารละลายแบบดั้งเดิมที่มีส่วนประกอบของโบรักซ์ อย่างไรก็ตาม ความปลอดภัยต้องมาก่อนเสมอ! โปรดล้างมือทุกครั้งหลังเล่นกับสิ่งนี้ และตรวจสอบให้แน่ใจว่าผู้ใหญ่อยู่ใกล้ชิดเพื่อดูแลเด็กเล็กที่อาจนำนิ้วเข้าปาก การหาสมดุลที่เหมาะสมก็สำคัญเช่นกัน หากผู้ใดเติมเบกกิ้งโซดาเกินหนึ่งส่วนต่อกาวสี่ส่วน ทั้งหมดจะกลายเป็นวัสดุที่เปราะเกินไปและเริ่มแตกออก ซึ่งหมายความว่าจะไม่สามารถใช้งานได้ตามปกติ และเด็กๆ ก็คงไม่สนุกกับการทดลองด้วยเช่นกัน

การใช้สไลม์เป็นเครื่องมือการสอนที่น่าสนใจสำหรับของไหลแบบไม่เป็นนิวตัน (Non-Newtonian Fluid) ในการศึกษา STEM

การจัดกิจกรรมทดลองสไลม์ให้สอดคล้องกับมาตรฐาน NGSS ด้านคุณสมบัติของสสารและการโต้ตอบของแรง

สไลม์เป็นเครื่องมือที่ยอดเยี่ยมสำหรับการเรียนรู้แบบลงมือทำ เพื่อสนับสนุนการสอนมาตรฐานวิทยาศาสตร์รุ่นต่อไป (Next Generation Science Standards) หลายข้อ โดยเฉพาะข้อที่เกี่ยวข้องกับวิทยาศาสตร์กายภาพ เช่น PS1.A ซึ่งครอบคลุมโครงสร้างและสมบัติของสสาร และ PS2.B ที่ว่าด้วยปฏิสัมพันธ์ประเภทต่าง ๆ เมื่อเด็กเล่นกับสไลม์ พวกเขาสามารถมองเห็นและวัดผลที่เกิดขึ้นจริงเมื่อมีแรงมากระทำ ซึ่งช่วยให้พวกเขาเข้าใจว่าโครงสร้างขนาดเล็กระดับโมเลกุลมีผลต่อสิ่งที่เราสังเกตเห็นด้วยตาเปล่าในชีวิตประจำวันอย่างไร ความเชื่อมโยงระหว่างผลกระทบในระดับจุลภาคกับภาพรวมในระดับมหภาคเป็นแนวคิดหนึ่งที่ครูเน้นย้ำอย่างต่อเนื่องในการเรียนการสอนวิทยาศาสตร์ตั้งแต่ระดับประถมศึกษาจนถึงมัธยมศึกษาตอนต้น

มีกิจกรรมในห้องเรียนที่เรียบง่ายแต่สอดคล้องกับมาตรฐานการศึกษาอยู่มากมาย เช่น การวัดระยะทางที่วัตถุไหลได้ในช่วงเวลาหนึ่ง เปรียบเทียบกับความสามารถในการต้านทานแรงกระแทกผ่านการปล่อยวัตถุลงมาอย่างควบคุมหรือการทดลองด้วยลูกตุ้ม เมื่อเด็กๆ ทำการทดลองเหล่านี้ พวกเขาจะได้ฝึกทักษะทางวิทยาศาสตร์จริงๆ พวกเขาเรียนรู้ที่จะวางแผนการสืบเสาะ วิเคราะห์ข้อมูลที่ได้ และสรุปคำอธิบายโดยอิงจากหลักฐานเชิงประจักษ์จริง ยกตัวอย่างเช่น ส่วนผสมของแป้งข้าวโพด นักเรียนอาจทดลองใช้ความเข้มข้นต่างๆ ของแป้งข้าวโพดที่ผสมกับน้ำหรือกาว เพื่อสังเกตว่าความเข้มข้นดังกล่าวส่งผลต่อความสูงที่วัตถุกระดอนขึ้น หรือความแข็งแรงเมื่อถูกดึงยืดอย่างไร แนวทางการเรียนรู้แบบลงมือทำนี้ส่งเสริมแนวคิดข้ามสาขา (crosscutting concepts) ที่ครูมักพูดถึงบ่อยในปัจจุบันอย่างเป็นธรรมชาติ ซึ่งรวมถึงการเข้าใจความสัมพันธ์เชิงเหตุและผล การระบุรูปแบบ (patterns) จากผลลัพธ์ และการสังเกตว่าสิ่งต่างๆ คงที่หรือเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป

การประยุกต์ใช้จริง: กิจกรรมที่มีต้นทุนต่ำและสามารถขยายขนาดได้สำหรับผู้เรียนที่ศึกษาที่บ้าน ลูกเสือ และห้องเรียนระดับชั้นประถมศึกษาปีที่ 1 ถึง 8

การสร้างสไลม์เพื่อวัตถุประสงค์ด้านการศึกษาไม่ทำให้เกิดค่าใช้จ่ายสูงแต่อย่างใด วัสดุพื้นฐานมีราคาต่ำกว่าหนึ่งดอลลาร์สหรัฐต่อเด็กหนึ่งคน และบ้านส่วนใหญ่ก็มีสิ่งของที่จำเป็นอยู่แล้ว เช่น ถ้วยตวง ช้อนตวง เครื่องจับเวลา หรือแม้แต่รางเอียงเก่า ๆ หรือกล่องที่สามารถใช้ปล่อยวัตถุลงมาได้ ครอบครัวที่สอนลูกที่บ้านสามารถจัดมุมการเรียนรู้ที่น่าสนใจ เพื่อให้เด็ก ๆ ตั้งคำถามต่าง ๆ เช่น "จะเกิดอะไรขึ้นหากเราทำสไลม์ให้เย็นลงก่อนปล่อยลง?" หรือ "ยี่ห้อสีผสมอาหารต่าง ๆ ส่งผลต่อความยืดหยุ่นของสไลม์แตกต่างกันหรือไม่?" สำหรับลูกเสือที่กำลังทำงานเพื่อรับตราสัญลักษณ์วิทยาศาสตร์ การทดลองวัดความหนืดก็กลายเป็นส่วนหนึ่งของการผจญภัยไปด้วย โดยพวกเขาแข่งกันปล่อยเจลลงตามลาดเอียง จับเวลาความเร็วในการไหล และสังเกตว่าส่วนผสมแบบใดยึดเกาะกันได้ดีที่สุด ครูในห้องเรียนก็พบว่าวิธีนี้ใช้ได้ผลดีเช่นกัน โดยจัดให้นักเรียนทำงานเป็นกลุ่มเล็ก ๆ แต่ละกลุ่มศึกษาปัจจัยที่ต่างกัน เช่น กลุ่มหนึ่งตรวจสอบผลกระทบจากปริมาณโบรัซที่ใช้ อีกกลุ่มหนึ่งเปรียบเทียบอัตราส่วนระหว่างกาวกับแป้งข้าวโพด การทดลองเหล่านี้สอดคล้องกับมาตรฐานวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่ (Next Generation Science Standards) ที่กำลังได้รับความนิยมในปัจจุบัน โดยเฉพาะในประเด็นการสังเกตสมบัติของวัสดุ

ชุดส่วนผสมที่วัดไว้ล่วงหน้าและภาชนะเก็บของซิลิโคนที่ใช้ซ้ำได้ช่วยให้การเตรียมและการทำความสะอาดเป็นไปอย่างราบรื่น สนับสนุนการทดลองซ้ำ ๆ และการเก็บรวบรวมข้อมูลเชิงยาว ด้วยการนำเสนออย่างรอบคอบ เจลเลื่อน (slime) จึงก้าวพ้นสถานะของสิ่งของเพื่อความบันเทิงเพียงอย่างเดียว กลายเป็นเครื่องมือที่เข้มงวดและเข้าถึงได้ง่ายสำหรับสร้างทักษะการให้เหตุผลพื้นฐานด้าน STEM

ส่วน FAQ

ของไหลแบบไม่ใช่นิวตันคืออะไร?

ของไหลแบบไม่ใช่นิวตันคือของเหลวชนิดหนึ่งที่เปลี่ยนความหนืดหรือความหนาเมื่อได้รับแรงหรือความดัน ต่างจากของไหลแบบนิวตัน เช่น น้ำ ของไหลแบบไม่ใช่นิวตัน เช่น เจลเลื่อน (slime) อาจแสดงพฤติกรรมที่แตกต่างกันออกไปขึ้นอยู่กับแรงที่กระทำต่อมัน

จะทำเจลเลื่อน (slime) โดยไม่ใช้โบรัคซ์ได้อย่างไร?

เพื่อทำเจลเลื่อน (slime) โดยไม่ใช้โบรัคซ์ ให้ผสมกาวโรงเรียนสีขาว 1 ถ้วยกับเบกกิ้งโซดา ¼ ถ้วย จากนั้นค่อย ๆ เติมสารละลายสำหรับเลนส์สัมผัสหยดละหยดพร้อมกับคนให้เข้ากัน จนกว่าเจลเลื่อนจะเริ่มยืดออกและจับตัวเป็นก้อน

เหตุใดเจลเลื่อน (slime) จึงจัดว่าเป็นของไหลที่มีความหนืดเพิ่มขึ้นภายใต้แรงเฉือน?

สไลม์จัดเป็นของไหลที่มีความหนืดเพิ่มขึ้นภายใต้แรงเฉือน (shear-thickening fluid) เนื่องจากมีความต้านทานเพิ่มขึ้นเมื่อได้รับแรงกระทำอย่างรวดเร็ว ทั้งนี้ เมื่อดึงสไลม์ออกอย่างช้าๆ จะแสดงพฤติกรรมคล้ายของเหลวที่มีความหนืดสูง แต่เมื่อถูกตีหรือดึงอย่างรวดเร็ว จะต้านการเปลี่ยนรูปเหมือนของแข็งที่นุ่ม

เหตุใดจึงใช้สไลม์ในการศึกษา STEM?

สไลม์ถูกนำมาใช้ในการศึกษา STEM เพราะเป็นเครื่องมือเชิงปฏิบัติที่ช่วยสาธิตหลักการของของไหลแบบไม่ใช่นิวตัน (non-Newtonian fluids) วิชาเรโอลอจี (rheology) และวิทยาศาสตร์วัสดุ โดยช่วยให้นักเรียนเข้าใจว่าโครงสร้างระดับโมเลกุลมีอิทธิพลต่อคุณสมบัติและพฤติกรรมที่สังเกตได้อย่างไร