เรียนรู้ STEM+A กับมิวเซียมสยาม : ไขความลับความแข็งแกร่ง
กิจกรรมที่ 4 เรียนรู้ STEM+A กับมิวเซียมสยาม : ไขความลับความแข็งแกร่ง
คำอธิบาย
ตึก หรืออาคารเป็นสิ่งปลูกสร้างที่มีความคงทนแข็งแรงมาก ตึกมิวเซียมสยามสร้างขึ้นในสมัยรัชกาลที่ 6 และมีอายุครบ 100 ปี ในปีพ.ศ.2565 เป็นอาคารรูปแบบตะวันตกที่สร้างโดยสถาปิกชาวอิตาเลียน ชื่อ นายมาริโอ ตามาญโญ ออกแบบอาคารไว้หลายแห่ง เช่น พระที่นั่งอัมพรสถาน พระที่นั่งอนันตสมาคม พระราชนิเวศน์มฤคทายวัน บ้านนรสิงห์ (ปัจจุบันคือทำเนียบรัฐบาล) ห้องสมุดเนลสันเฮย์ และ สถานีรถไฟกรุงเทพ (หัวลำโพง) ซึ่งอาคารเหล่านี้ล้วนมีอายุนับร้อยปี เช่นเดียวกับตึกมิวเซียมสยาม
อาคารเหล่านี้มีรูปลักษณ์ต่างกัน สร้างด้วยเทคนิคและวัสดุต่างกัน ประโยชน์ใช้สอยก็แตกต่างกันด้วย แต่สิ่งหนึ่งที่อาคารทั้งหมดนี้มีเหมือนๆ กันคือ ความแข็งแรงทนทาน ยืนหยัดให้ผู้คนใช้งานมานานถึง 100 ปีได้แบบสบายๆ
อะไรคือความลับและเบื้องหลังความทนทานของอาคารเหล่านี้?
เรามาทดลองทำกิจกรรมสนุกๆ เพื่อไขความลับว่าสถาปนิกทำอย่างไรให้อาคารแต่ละหลัง แข็งแรงทนทาน ใช้งานได้ และยังมีความสวยงามอยู่ของอาคาร 100 ปี
กิจกรรมนี้เหมาะกับ เด็กตั้งแต่ 10 ปีขึ้นไป
ระยะเวลาทำกิจกรรม 30 – 45 นาที
อุปกรณ์ที่ใช้ในกิจกรรม
1) เก้าอี้ จำนวน 2 ตัว
2) กระดาษ A4 จำนวน 4-5 แผ่น
3) ไม้บรรทัด 1 ด้าม
4) เหรียญบาท 7-10 เหรียญ
ไขความลับความแข็งแกร่ง 1 : คุยกับคาน
นอกจากเสาแล้ว อีกองค์ประกอบสำคัญในโครงสร้างตึกก็คือ คาน (Beam)
อาจพูดได้ว่า สำหรับตึกทุกหลัง ถ้ามีเสา ก็ย่อมมีคาน ไม่ว่าจะเป็นคานที่มองเห็นชัดเจน หรือคานที่กลมกลืนกับองค์ประกอบอื่นจนแทบมองไม่เห็นก็ตาม
เพราะคานและเสาทำงานร่วมกันในการรับน้ำหนักมหาศาลของตึกทั้งหลัง
คาน ทำหน้าที่รับน้ำหนักสิ่งที่อยู่ด้านบนทั้งหมด ก่อนจะกระจายน้ำหนักออก และส่งต่อไปยังเสาต่างๆ ซึ่งเปรียบเสมือนโครงกระดูกของตึก ที่ช่วยกระจายและส่งต่อน้ำหนักของวัสดุก่อสร้างรวมถึงสิ่งอื่นๆ ภายในไปสู่ฐานราก ทำให้ตัวตึกยังรับน้ำหนักทั้งหมดไหว
มาลองสร้างคานแบบง่ายๆ เพื่อทำความเข้าใจเรื่องนี้ให้มากขึ้นกันดีกว่า อุปกรณ์มีเพียง
1) ขวดน้ำขนาด 350 มล. 3-5 ขวด
2) หลอดกาแฟแบบยาว 1 ห่อ (ประมาณ 50 หลอด)
3) ถังน้ำใบเล็ก 1 ใบ
4) เทปกาว/ หนังยาง/ เชือก
วางเก้าอี้ 2 ตัวห่างกันราว 20 เซนติเมตร แล้วนำกระดาษ A4 1 แผ่นมาใช้แทนคาน วาง (แนวนอน) พาดระหว่างเก้าอี้ 2 ตัว ซึ่งใช้แทนเสา
จากนั้นนำเหรียญบาทมาวางกลางกระดาษ ดูซิว่าคานกระดาษนี้รับน้ำหนักได้กี่เหรียญ
ต่อมาลองพับกระดาษเป็นตัว W แล้ววางเหรียญบนกระดาษอีกครั้ง สังเกตดูว่าการใช้คานกระดาษแบบนี้ รับน้ำหนักเหรียญได้มากกว่าเดิมหรือไม่
แล้วถ้าลองดัดแปลงคานกระดาษให้เป็นแบบอื่นล่ะ เช่น พับกระดาษหลายๆ ทบ พับเป็นตัว U ม้วนเป็นทรงกระบอก หรือพับเป็นกล่องสี่เหลี่ยม ฯลฯ แล้วนำมาลองรับน้ำหนักเหรียญพร้อมสังเกตผลลัพธ์ที่ได้ดู
ตามปกติ เมื่อวางสิ่งของไว้บนกระดาษ น้ำหนักสิ่งของจะกดลง ทำให้กระดาษรับน้ำหนักไม่ไหวและยุบตัว นี่เป็นเพราะกระดาษยังไม่มีคุณสมบัติของคาน
แต่ถ้าพับกระดาษจนเกิดสันขึ้นตามความยาวกระดาษจะทำให้กระดาษมีคุณสมบัติของคานที่รับน้ำหนักได้
นั่นแสดงว่าเราเพิ่มความแข็งแรงให้วัสดุต่างๆ ได้นะ ถ้ารู้วิธี
ไขความลับความแข็งแกร่ง 2 : คานสุดแกร่ง
มีวิธีไหนช่วยให้คานแข็งแรงขึ้นได้บ้าง?
ถ้าลองนำวัสดุไม่แข็งแรง รับน้ำหนักได้น้อย และมีความยาวไม่มาก มาดัดแปลงเป็นคาน คานนั้นจะแข็งแรงขึ้นมาได้ไหม
มาลองทำตามโจทย์ที่ท้าทายจากตามาญโญกัน
เริ่มจากหาอุปกรณ์เพิ่มเติม
1) ขวดน้ำขนาด 350 มล. 3-5 ขวด
2) หลอดกาแฟแบบยาว 1 ห่อ (ประมาณ 50 หลอด)
3) ถังน้ำใบเล็ก 1 ใบ
4) เทปกาว/ หนังยาง/ เชือก
โจทย์ของตามาญโญมีอยู่ว่า...
ให้เด็กๆ วางเก้าอี้ห่างกัน 20 เซนติเมตร แต่ถ้าเด็กโตกว่าระดับอนุบาลให้วางเก้าอี้ห่างกัน 50 เซนติเมตร!
จากนั้นใช้หลอดกาแฟ 50 หลอดมาประกอบเป็นคาน (ยึดให้ติดกันด้วยเทปกาว เชือก หรือหนังยาง) แล้ววางพาดระหว่างเก้าอี้ 2 ตัวซึ่งทำหน้าที่แทนเสา
เสร็จเรียบร้อยแล้วให้ทดสอบคุณสมบัติการรับน้ำหนัก ด้วยการแขวนถังน้ำตรงกลางคาน แล้ววางขวดน้ำใส่ถังไปเรื่อยๆ
มาดูกันว่าคานสุดแกร่งแบบไหนจะรับน้ำหนักได้มากที่สุด
การคำนวณน้ำหนักโดยประมาณ: น้ำขวดขนาด 350 มิลลิลิตร มีน้ำหนัก 350 กรัม
ดูตัวอย่างเทคนิคการสร้างคานได้ในคลิปนี้เลย
ไขความลับความแข็งแกร่ง 3 : คานนี้มีที่มา
การทดลองที่ผ่านมา เราใช้วัสดุที่ไม่แข็งแรงมาทำคาน ได้แก่ กระดาษกับหลอดกาแฟ ซึ่งพบว่าเราเพิ่มความแข็งแรงให้คานรับน้ำหนักมากขึ้นได้ ด้วยหลักทางวิศวกรรม หรือหลักความแข็งแรงของวัสดุ
สำหรับคานในสิ่งก่อสร้างจริงๆ นั้น ทำมาจากวัสดุหลายชนิด เช่น คานไม้ นิยมใช้ในอาคารแบบดั้งเดิม เป็นคานที่มีข้อจำกัดเรื่องการรับน้ำหนักเยอะๆ และอาจผุพังง่ายตามข้อจำกัดของไม้แต่ละชนิด
คานเหล็ก
สร้างจาก “เหล็กรูปพรรณ” หรือเหล็กที่ผ่านกระบวนการผลิตและแปรรูปเป็นรูปทรงต่างๆ ให้เหมาะสมกับการงานแต่ละประเภท ใช้งานง่ายและสะดวกสบาย คือนำเหล็กรูปพรรณมาเชื่อมประกอบกันได้ทันที ช่วยประหยัดเวลาก่อสร้างได้มาก แต่ก็มีข้อจำกัด
ทั้งเรื่องความทนทานและความสามารถในการรับน้ำหนัก
ทั้งไม้และเหล็กล้วนเป็นวัสดุที่ต้องนำมาต่อกัน ในกรณีที่ความยาวไม่พอ แตกต่างจาก คานคอนกรีตเสริมเหล็ก ซึ่งหล่อขึ้นตามความยาวและขนาดที่สถาปนิกกำหนดไว้
คอนกรีตเสริมเหล็ก
ประกอบด้วยปูนซีเมนต์ น้ำ ทราย หิน และเสริมความแข็งแกร่งด้วยเหล็กเส้น เพื่อเพิ่มคุณสมบัติช่วยรับแรงดึง นับเป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมมานานกว่า 100 ปี เพราะแข็งแรง มั่นคง และราคาไม่สูง
คานในตึกมิวเซียมสยาม เป็นคานคอนกรีตเสริมเหล็ก
ตึกมิวเซียมสยามทั้งหลัง สร้างด้วยคอนกรีตเสริมเหล็ก
