วันพฤหัสบดีที่ 24 ธันวาคม พ.ศ. 2552

G-suitและแรง"G”





ในบทความ"นั่งL39ไปดูการฝึกใช้อาวุธ"ที่เพิ่งผ่านตาท่านไปทั้งสี่ตอน ผมได้กล่าวถึงแรง"G”และชุด"G-Suit”ไว้หลายแห่งแต่ก็ไม่ได้ขยายความให้เข้าใจว่าที่เรียกว่า"แรงจี"และ"จีสูท"นั้นสำคัญอย่างไรต่อการบินด้วยเครื่องบินความเร็วสูง บทความชิ้นนี้จะเป็นการขยายความเพื่อให้แฟนคอลัมน์เข้าใจรายละเอียดเกี่ยวกับการบินได้ดีขึ้น

ผู้สนใจเกี่ยวกับการบินคงต้องเคยได้ยินมาบ้างกับเรื่องราวของแรงชนิดหนึ่ง คือ"แรงจี"(G-force)ที่กระทำกับนักบินผู้บังคับเครื่องบินเล็กความเร็วสูง ส่วนใหญ่มักจะเข้าใจผิดไปว่า"G”คือตัวย่อของแรงดึงดูดของโลก"Gravitational force”ในภาษาอังกฤษซึ่งก็ไม่ผิดเสียทีเดียวเพราะมันเป็นส่วนหนึ่งที่มาทำให้แรง"จี"สมบูรณ์ขึ้นเท่านั้น ถ้าตัวอักษร"G”ไม่ได้ย่อมาจากคำเต็มว่า"Gravitational”แล้วมันมาจากไหน?

ถ้าจะไม่ให้อธิบายจนเป็นวิชาฟิสิกส์ก็พูดได้ง่ายๆว่าแรงจีคือ"อัตราเร่ง"(acceleration) หมายความว่าเป็นความเร็วที่เปลี่ยนแปลงไปในช่วงเวลาหนึ่ง ด้วยการยกตัวอย่างคือความเร็วของวัตถุเพิ่มจาก10มาเป็น20../..ในเวลา5วินาที ตรงนั้นแหละคืออัตราเร่งที่เพิ่มความเร็วขึ้นอีก10../..ในเวลา5วินาที แรงจีจะเกิดได้ต่อเมื่อมีอัตราเร่งเท่านั้น ถ้าอัตราเร่งไม่เกิดเพราะความเร็วคงที่ไม่ว่ามันจะสูงแค่ไหนก็ตามย่อมไม่เกิดแรงจี จะเกิดแรงจีได้ต้องมีองค์ประกอบพื้นฐานสองอย่างคืออัตราเร่งและน้ำหนักของวัตถุ คำว่าแรงจีจึงไม่ใช่ตัวย่อแต่เป็นคำเรียกเฉพาะสำหรับ"อัตราเร่ง"ในภาษาอังกฤษ มันถูกเข้าใจผิดว่าเป็น"แรง"(force)เมื่อถูกเรียกว่า g-forceทั้งที่ในความเป็นจริงเป็นเพียงอัตราเร่ง มีหน่วยสากลเป็นระยะทางต่อวินาทียกกำลังสอง(m/s2 )

อัตราเร่งจึงเกิดขึ้นได้ในช่วงใดช่วงหนึ่งของเวลาเท่านั้นเช่นตอนรถยนต์เริ่มออกตัว เมื่อความเร็วของรถเพิ่มขึ้นเรื่อยๆแต่วัตถุในรถคือตัวเรายังอยู่กับที่ จะรู้สึกถึงอัตราเร่งได้ชัดเจนเมื่อหลังถูกกดติดเบาะ ขณะรถเคลื่อนไปแต่ตัวเราซึ่งมีน้ำหนักยังพยายามอยู่นิ่ง ยิ่งอัตราเร่งมากอันหมายถึงความเร็วเพิ่มขึ้นในเวลาอันสั้นและวัตถุน้ำหนักมากแรงจีก็จะมากตาม แต่แรงจีจะหายไปเมื่อไม่เกิดอัตราเร่งอันหมายถึงเมื่อความเร็วคงที่ เช่นเมื่อรถยนต์แล่นด้วยความเร็วใดๆก็ตามที่ไม่ได้เร่งเครื่องและคงความเร็วนั้นไว้ตลอด เมื่อความเร็วคงที่ก็ไม่เกิดความเครียด ไม่มีแรงจี

นักวิทยาศาสตร์กำหนดไว้ว่าวัตถุตั้งนิ่งๆอยู่กับพื้นโลกจะมีอัตราเร่งเท่ากับ1จี เพราะมันพยายามกดพื้นลงในขณะที่พื้นเองก็ต้านไว้อยู่ ยันกันไว้ด้วยแรงเท่ากันพื้นก็ไม่ยุบวัตถุเองก็ไม่จมแรงจีจึงมีค่าเท่ากับ1 หมายความว่าน้ำหนักของวัตถุยังคงเดิมมันถึงตั้งอยู่ได้ ถ้าพื้นดินเลื่อนขึ้นกะทันหันด้วยอัตราเร่งระดับหนึ่งเท่านั้นจึงจะเกิดแรงจีขึ้นได้ ซึ่งค่าอัตราเร่งที่จะทำให้เกิดแรงจีมากกว่า1คือต้องเร่งได้มากกว่า 9.80665เมตรต่อวินาทียกกำลังสอง ไม่เกิดแรงจีกับวัตถุใดๆที่ร่วงหล่นอย่างอิสระ และสามารถเกิดแรงจีได้กับวัตถุใดๆที่เคลื่อนที่ในแนวราบเช่นกัน ไม่ใช่เพียงแต่ต้องล่องลอยกลางอากาศแบบเครื่องบินเท่านั้น รถแข่งฟอร์มิวลา1ขณะเลี้ยวโค้งด้วยความเร็วสูงสามารถสร้างอัตราเร่งให้ตัวรถเองและคนขับได้3-4จี เมื่อชลอความเร็วลงตอนเข้าโค้งแล้วดูเหมือนใกล้จะหยุด จริงๆแล้วทั้งคนและรถกำลังพยายามจะเหวี่ยงตัวเองออกจากโค้งนั้น เมื่อหลุดโค้งไปไม่ได้ไม่ว่าจะด้วยความหนืดของดอกยางหรือพื้นถนนยกรับโค้งไว้ก็ตาม ตอนนั้นแหละที่เกิดแรงจีเมื่อน้ำหนักพุ่งไปแล้วแต่วัตถุยังอยู่นิ่ง ถ้ารถหลุดโค้งไปแล้วยังไม่ไปปะทะอะไรเข้าก็ไม่เกิดแรงจี แต่ถ้าปะทะเข้ากับผนังหรือต้นไม้จนเปลี่ยนรูปไปทั้งคนทั้งรถ แรงที่หยุดมันไว้นั่นก็เป็นแรงจีเช่นกัน จีจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับความเร็วและน้ำหนักของรถและคนขับ

เข้าใจพอสังเขปถึงแรงจีทั่วๆไปแล้วลองมาดูที่เครื่องบินกันบ้างโดยเฉพาะเครื่องบินรบ ตัวต้นเหตุที่ทำให้นักบินรบโดยเฉพาะนักบินขับไล่และโจมตีต้องสวมกางเกงที่ถูกเรียกผิดๆมาตลอดว่าเป็น"สูท"(suit) ทั้งที่มันเป็นเพียงกางเกงลูกโป่งรัดช่วงขาและหน้าท้องเท่านั้น เพิ่งจะมาประกอบกันเป็นสูททั้งกางเกงและเสื้อ ที่เรียกว่า"เพรสเชอร์ สูท"(pressure suit)เมื่อไม่กี่ปีมานี้เองเมื่อเครื่องบินความเร็วสูงขึ้นมาก นักบินต้องทนแรงจีมากกว่าแต่ก่อน

เราทราบดีว่าเลือดเป็นของเหลวไม่ต่างจากน้ำหรือของเหลวอื่นๆ โดยธรรมชาติแล้วของเหลวจะไหลลงต่ำตามแรงโน้มถ่วงและจะไหลลงเร็วยิ่งขึ้นเมื่อถูกกดดัน เลือดในร่างกายคนจะไหลไปเลี้ยงส่วนต่างๆด้วยการบีบรัดของหัวใจและหลอดเลือด ในสภาวะแวดล้อมตามปกติที่ตัวนักบินมีอัตราเร่ง1จี คืออยู่นิ่งๆหรือเคลื่อนที่่ด้วยความเร็วสม่ำเสมอไม่ว่าจะเป็น10หรือ900กิโลเมตรต่อชั่วโมง การไหลเวียนของเลือดจะเป็นปกติทุกอวัยวะจะมีเลือดไปเลี้ยงโดยเฉพาะสมอง สมองที่ไม่ขาดเลือดจะทำให้นักบินตื่นตัว คิด,ตัดสินใจและเคลื่อนไหวได้เป็นปกติรวมถึงมองเห็นภาพได้ชัดเจน แต่เมื่อใดที่สมองขาดเลือดพฤติกรรมทั้งหมดจะกลายเป็นตรงกันข้าม นักบินจะหมดสติ ที่เคยมองเห็นชัดๆจะพร่าพรายเมื่อเลือดไม่ไปเลี้ยงสมองและตา เพื่อป้องกันไม่ให้สมองนักบินขาดเลือดเขาจึงต้องมีเครื่องช่วยกดดันไล่เลือดขึ้นเลี้ยงสมองอยู่ตลอดเวลา

เปรียบเลือดเป็นน้ำในกระป๋องนมผูกเชือกที่เราเหวี่ยงเป็นวง ยิ่งเหวี่ยงเร็วยิ่งพบว่ากระป๋องนั้นยิ่งหนัก หมายความว่าอัตราเร่งที่เพิ่มขึ้นทำให้น้ำพยายามดันตัวเองให้ทะลุก้นกระป๋องด้วยแรงที่มากขึ้นเรื่อยๆ ถ้าก้นกระป๋องอ่อนนุ่มและเปื่อยน้ำก็จะพุ่งออกจากตรงนั้น เปรียบได้กับเลือดของเราที่ถูกเหวี่ยงให้ไหลจากหัวไปกองที่เท้าขณะเครื่องบินหักเลี้ยว ยิ่งเครื่องบินเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงแรงจีก็ยิ่งรุนแรง เราไม่รู้สึกถึงแรงจีในรถยนต์ธรรมดาหรือเครื่องบินโดยสารเพราะอัตราเร่งไม่รุนแรงพอ กล่าวคือทั้งสองตัวอย่างมีการเปลี่ยนแปลงความเร็วไม่ฉับพลันเท่ากับเครื่องบินรบความเร็วสูงเช่นเครื่องบินขับไล่หรือโจมตี ที่การออกแบบและกำลังของเครื่องยนต์สามารถก่อให้เกิดอัตราเร่งได้มากกว่า1จีหรือ9.80665เมตรต่อวินาทียกกำลังสองเมื่อเปลี่ยนทิศทางทั้งนั้น

ถ้า1จีเท่ากับน้ำหนักปกติ การที่เครื่องบินบินมาแล้วลดความเร็วฉับพลันเพื่อหักเลี้ยวแทบเป็นมุมฉากจนทำให้เกิดอัตราเร่งหนีศูนย์ขึ้นมากกว่า1จี ซึ่งอาจเป็นได้ตั้งแต่4ถึง9 น้ำหนักของเครื่องบินและนักบินก็จะเพิ่มขึ้นชั่วขณะตั้งแต่4ถึง9เท่า(ปัจจุบันเครื่องบินรบทำจีได้มากที่สุดถึง12แต่นักบินกับจีสูทปกติทนได้9เว้นแต่กับจีสูทรุ่นใหม่ที่ทำให้นักบินทนแรงจีได้เท่าเครื่องบิน) อันหมายความว่านักบินน้ำหนัก80 ..จะมีน้ำหนักเป็น80คูณจำนวนแรงจีต้ั้งแต่คูณ2ถึงคูณ9 ยิ่งจีมากเลือดก็ยิ่งไหลลงเท้าเร็ว ถ้าเลี้ยวแล้วคงอัตราเร่งไว้นานอาการหน้ามืดตามัวก็ยิ่งนาน วิธีสู้กับแรงจีหรือไล่เลือดกลับสู่สมองตามหลักง่ายๆคือต้องบีบเส้นเลือดในส่วนต่ำที่สุดของร่างกายถึงส่วนกลางให้ตีบเพื่อไล่เลือดกลับ จะบีบได้ก็ต้องมีแรงกดดันสม่ำเสมอตลอดช่วงขาและหน้าท้อง ตรงนี้แหละที่จีสูทหรือชื่อเต็มๆว่า”แอนตี้จีสูท”(anti-G suit)เข้ามามีบทบาท

จีสูทแบบมาตรฐานนั้นโดยสภาพคือกางเกงไล่เลือด มันเป็นกางเกงขายาวพอดีตัวแบบไม่มีเป้าหัวและเว้นช่องว่างตรงเข่า ใช้สวมทับชุดบินกันไฟ(ลาม)หรือที่เรียกกันติดปากว่าชุดหมี กางเกงตัวนี้พิเศษกว่ากางเกงธรรมดาคือมีสภาพเป็นถุงลมรัดไว้ตลอดช่วงขาถึงหน้าท้อง ได้ลมจากท่อต่อเข้าหัวต่อในห้องนักบิน เมื่อใดที่เครื่องบินเลี้ยวด้วยอัตราเร่งสูงกว่า1จีวาล์วอัตโนมัติจะเปิดปล่อยลมเข้าถุงลมในจีสูทให้พองรัดไล่เลือดตลอดลำตัวช่วงล่างกลับขึ้นสู่สมองทันที กางเกงจะรัดน้อยๆหรือรัดติ้วจนหน้าเขียวก็ขึ้นอยู่กับความสาหัสของแรงจีเมื่อเครื่องบินเลี้ยว ประมาณว่าเลือดที่ถูกกดดันหนักด้วยแรง7-9 จีจะมีความหนาแน่นใกล้เคียงกับเหล็ก นอกจากสมองที่ต้องต่อสู้กับการขาดเลือดแล้วหัวใจยังต้องทำงานหนัก เพื่อสูบฉีดเหล็กเหลวไปเลี้ยงสมองและกล้ามเนื้อ!

แรงจีเกิดเฉพาะกับเครื่องบินเจ็ตเท่านั้นหรือเปล่า? คนทั่วไปมักจะถามเช่นนี้ซึ่งความจริงแล้วไม่ใช่ แรงจีเกิดจากอัตราเร่งไม่ได้เกิดจากประเภทเครื่องยนต์ แม้แต่เครื่องบินใบพัดก็ตามถ้าบินด้วยความเร็วสูงแล้วหักเลี้ยวฉับพลันแรงจีก็เกิดเช่นกัน ไม่แปลกที่นักบินรบเครื่องบินใบพัดจะสวมจีสูท นักบินรบสมัยสงครามโลกครั้งที่2เองก็พบปัญหาหน้ามืดระหว่างเครื่องบินหักเลี้ยวเช่นกันแต่ด้วยเทคโนโลยีที่ยังไม่ก้าวหน้า ทางแก้ปัญหาจึงมีแค่ให้ยกขาให้สูงที่สุดเท่าที่จะทำได้ เครื่องบินรบเยอรมันบางรุ่นมีแป้นให้นักบินใช้วางเท้าสูงกว่าปกติเพื่อป้องกันเลือดไหลลงเท้า หรือไม่ก็ใช้ความชำนาญเลี้ยงแพนหางตั้งและแพนหางดิ่งให้พอเหมาะเครื่องจะได้ไม่เลี้ยวหักมุมมากจนตัวเองทนแรงจีไม่ไหว และอีกประการหนึ่งคือความเร็วที่ยังไม่สูงเหมือนทุกวันนี้นักบินจึงพอทนแรงจีช่วงสั้นๆได้โดยไม่ต้องสวมจีสูท

เครื่องบินขับไล่สมัยใหม่มักจะถูกออกแบบให้เครื่องยนต์แรง มีปีกเล็กซ้อนปีกใหญ่เพื่อต้านอากาศลดรัศมีเลี้ยวให้แคบลง(เช่นยาส39"กริปเปน”)นักบินยุคปัจจุบันจึงถูกเครื่องบินทำทารุณกรรมมากกว่าสมัยสงครามโลกครั้งที่2หลายเท่า เครื่องบินที่ถูกออกแบบมาเพื่อเน้นการคลุกวงในแบบด็อกไฟต์ โดยเฉพาะF16เมื่อแรกเริ่มยังเป็นเครื่องบินต้นแบบทำนักบินหน้ามืดจนโหม่งโลกไปก็หลาย ด้วยเหตุที่มันมีความคล่องตัวสูงมีรัศมีเลี้ยวฉกาจจนบินท่าทางแปลกๆได้มาก และทุกครั้งที่มันตีวงนักบินต้องรับภาระหนัก ถึงตัวเครื่องเองจะรับภาระจากอัตราเร่งได้สูงสุด12จี แต่นักบินด้วยจีสูทปกติจะรับภาระได้ 9จี ทุกครั้งที่โดนเหวี่ยงนักบินจะแทบสิ้นสติ แม้ว่าเก้าอี้เอนหลัง30องศาของมันจะช่วยลดภาระได้3จี จีสูทกับการเกร็งตัวช่วย(L1-M1 manoeuvre)ช่วยลดภาระได้อีก3-4จี อัตราเร่งที่เหลือเมื่อหักจาก9จีคือภาระที่นักบินต้องรับไปเต็มๆ

ถึงเราจะรู้จักแรงจีกันมากในส่วนจีบวกคือแรงจีที่กระทำลงด้านล่างของวัตถุ ซึ่งจะทำให้น้ำหนักมากขึ้นเป็นเท่าตามขนาดของแรงจี ในทางกลับกันถ้าแรงจีกระทำกับวัตถุในทางสวนทางกับแรงโน้มถ่วง หรือดึงขึ้นข้างบน มันก็จะถูกเรียกว่าแรงจีลบ ตัวอย่างคือเมื่อนักบินบินหักเลี้ยวแล้วแทนที่จะหันท้องเครื่องออกตามปกติซึ่งเลือดจะไหลลงเท้า แต่กลับหันศีรษะออก แรงจีที่พุ่งจากปลายเท้าไปศีรษะก็จะดันเลือดกลับขึ้นจนเลือดตกศีรษะ เส้นเลือดในตาจะปูดจนตาแดงก่ำปวดหัวตุบๆ การคงจีลบไว้นานๆมีผลเสียพอที่จะทำให้เส้นเลือดในสมองแตกตายได้ แต่นักบินขับไล่จะพบกับจีลบได้น้อยเพราะไม่ใช่ท่าบินเพื่อปฏิบัติภารกิจตามปกติ จีสูทจึงมีไว้รองรับภาระของอัตราเร่งเฉพาะจีบวกเท่านั้น

เมื่อคำนึงถึงความเร็วของเครื่องบินรบ อัตราเร่งจีและสภาพร่างกายอันทรมานทรกรรมของนักบิน การเป็นนักบินขับไล่ยุคปัจจุบันจึงไม่ใช่เรื่องสะดวกสบาย เขาเท่เมื่อไต่ลงมาจากเครื่องบินพร้อมเครื่องแต่งกายอันรุงรังก็จริง แต่ไม่มีใครรู้หรอกว่านักบินรบต้องเจอกับอะไรบ้างในค็อกพิทอันแสนแคบพอให้วางตัวได้ ผมเขียนถึงความรู้สึกของนักบินขับไล่ได้เพราะเคยสวมจีสูทมาแล้วสองครั้ง ครั้งแรกกับเอฟ16เมื่อห้าปีที่แล้วและอีกครั้งที่เพิ่งผ่านไปเมื่อวันที่4กันยายนนี้กับแอล39ในที่นั่งหลังครั้งละหนึ่งชั่วโมงกว่าๆ ถึงจะไม่ได้บังคับเครื่องเองแต่ก็ได้ใช้กางเกงประหลาดๆนี้แบบเต็มร้อย เข้าใจความรู้สึกของนักบินชัดเจนเลยเมืื่อจีสูทบีบรัด ยิ่งเลี้ยวแรงยิ่งหน้ามืดชุดก็ยิ่งบีบรัดมาก มองอะไรก็แทบไม่เห็นขณะแรงจีเล่นงาน ภาพที่เคยเห็นชัดๆลีบเล็กลงแทบเป็นเส้นเดียวขนาบด้วยพื้นที่มืดซ้ายขวา เหมือนจอทีวีใกล้จะดับ

ความคิดเมื่อได้ดูภาพยนตร์สารคดีเกี่ยวกับเครื่องบินขับไล่เปลี่ยนไปทันทีหลังได้สัมผัสจีสูท ทุกวันนี้เมื่อได้เห็นเครื่องบินในภาพยนตร์เลี้ยวผมยังรู้สึกได้ว่าท้องไส้ปั่นป่วน ไม่มีภาพเท่ๆกับรอยยิ้มพิมพ์ใจของทอม ครูซในหัวอีกต่อไป เห็นแต่ภาพตัวเองกำลังต่อสู้กับอาการใกล้จะเป็นลมหน้าเขียวหน้าเหลืองอย่างเดียว

ใครที่คิดอยากสวมจีสูทสักครั้งในฐานะนักบินรบจริงๆจงสังวรณ์ไว้เลยว่าคุณต้องแข็งแรง มีจิตใจพร้อมจริงๆ ถ้าตัวเองไม่แกร่งเป็นทุนอยู่แล้วถึงจะมีจีสูทก็คงช่วยอะไรไม่ได้ หลับคาเครื่องจริงๆไม่ได้ล้อเล่น จะตื่นขึ้นมาอีกแบบเป็นๆหรือตื่นขึ้นในสวรรค์-นรกที่ไหนคงมีแต่พระเจ้าเท่านั้นที่รู้!

4 ความคิดเห็น:

  1. ไม่ระบุชื่อ26 สิงหาคม 2554 10:18

    แรงจีที่ทำให้ G-switch ในอุปกรณ์ ELT ทำงานเมื่อเครื่องตกคือแรงอะไร หาได้อย่างไรครับ

    ตอบลบ
  2. สรศักดิ์ สุบงกช30 สิงหาคม 2554 17:30

    ถ้ารู้แล้วก็โปรดอย่ามาถามแบบลองภูมิกันครับ ผมไม่รู้หรอก ถามนักบินแล้วเขาก็ไม่รู้เหมือนกัน

    ตอบลบ
  3. ไม่ระบุชื่อ6 กันยายน 2554 10:51

    ต้องขอโทษด้วยครับถ้าคำถามทำให้คิดแบบนั้น ผมไม่รู้จริง ๆ หาคำตอบทางอินเตอร์เน็ตก็ยังไม่มีที่ชัดเจน พอได้อ่านบทความก็เลยถามครับขอบคุณครับ

    ตอบลบ
  4. ไม่ระบุชื่อ1 พฤษภาคม 2558 16:30

    ฝึกแรงจีได้ที่ใหนมั่งคับผมอยากฝึกคับ

    ตอบลบ