ทำไมพื้นผิวด้านโค้งจึงร้อนเร็วกว่าผิวด้านแบน?

ทำไมพื้นผิวด้านโค้งจึงร้อนเร็วกว่าผิวด้านแบน?
[Why the Curved Surface Heats Faster than the Flat Side A Fluid Mechanics Perspective on First Crack]

วันก่อนผมคุยกับน้องสาวท่านหนึ่งเรื่องกลไกการเกิด First Crack ว่ามีที่มาที่ไปทางฟิสิกส์อย่างไร ด้วยเห็นว่าน้องเคยทำงานเกี่ยวกับการบินก็เลยเอามุมมองเกี่ยวกับกระแสลมที่วิ่งเข้ากระทบเมล็ดแล้วทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันและความเร็วของลมซึ่งคล้ายกับกรณีที่ลมปะทะปีกเครื่องบินเหมือนกัน เมื่อเล่าไปแล้วก็กลับมานึกว่าน่าจะเขียนอธิบายให้เห็นภาพอีกทีก็น่าจะดี
เพราะกระแสลมร้อนกระทบผิวเมล็ดที่เป็นทรงรีนี่เองจึงทำให้การถ่ายเทความร้อนที่ผิวด้านโค้งกับด้านแบนเกิดในอัตราไม่เท่ากัน และด้วยเหตุนี้ก็เลยเป็นที่มาของการพัฒนาตัวที่แตกต่างกันระหว่างทั้งสองพื้นที่ กระทั่งกลายเป็นเหตุการณ์ที่เรียกว่า First Crack ในที่สุด
วิทยาศาสตร์อาจมีความเกี่ยวข้องกันหลายตัวแปรจนอาจดูวุ่นวายก็จริง แต่ผมเชื่อว่าเราสามารถทำความเข้าใจได้

หลักการที่เราจะเอามาใช้อธิบายวันนี้เรียกว่า Fluid mechanics และ Thermodynamics นะครับ เด็กวิศวะเครื่องกลและพลังงานหรือเคมี ต้องได้เรียนทุกคน
รู้แล้วสนุกแน่นอน

----------------

1. พื้นฐานของ Bernoulli กับการไหลของลมรอบเมล็ด
ตามหลัก Bernoulli และสมการความต่อเนื่อง (Continuity equation) ลมที่ไหลโอบรอบผิวโค้งจะถูกบีบให้เส้นทางแคบลง ความเร็วลมจึงเพิ่มขึ้น และความดันลดลง ความเร็วที่สูงขึ้นนี้ส่งผลโดยตรงต่อการเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อน (h) ทำให้ด้านโค้งดูดซับพลังงานความร้อนได้รวดเร็วกว่าด้านอื่น
สมการ Bernoulli สำหรับการไหลของของไหล (เช่น อากาศ) แบบ incompressible (สมการอยู่ในภาพประกอบ)

เมื่ออากาศไหลผ่านวัตถุที่มีรูปร่างต่างกัน บริเวณที่มี พื้นที่หน้าตัดเล็กลง หรือ ผิวโค้งทำให้เส้นทางลมโค้งแคบลง จะทำให้ลมต้องวิ่งเร็วขึ้น เพื่อให้ปริมาตรการไหล (flow rate) เท่ากัน ด้วยเหตุนี้ ลมที่วิ่งผ่านผิวโค้งของเมล็ดจึงต้องมีความเร็วสูงกว่าลมที่วิ่งผ่านผิวด้านแบนเป็นปกติครับ

----------------



2. รู้จัก Boundary layer
Boundary layer คืออะไร?
ลองนึกถึงชั้นบาง ๆ ของอากาศที่ ติด อยู่กับผิวของวัตถุเมื่อมีกระแสลมพัดผ่าน ชั้นนี้คือ Boundary layer ซึ่งความหนาของมันจะส่งผลโดยตรงต่อการถ่ายเทความร้อนและแรงเสียดทานของการไหล

บนผิวโค้ง : เมื่อกระแสลมไหลเข้าสู่ผิวโค้ง ลมจะถูก บีบ ให้เร่งตัวตั้งแต่ช่วงต้นของการไหล
ความเร็วลมสูง โมเลกุลอากาศมีพลังงานสูง Boundary layer บาง
Boundary layer บาง ความร้อนจากลมสามารถส่งผ่านสู่ผิวได้ง่าย ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน (h) สูง
บนผิวแบน : ลมไหลบนผิวแบนจะไม่ถูกเร่งตัวมาก
เมื่อไหลไปเรื่อย ๆ Boundary layer จะค่อย ๆ หนาขึ้น เพราะเกิดการแลกเปลี่ยนโมเมนตัมระหว่างชั้นอากาศติดผิวกับชั้นที่ไหลเร็วด้านบน
Boundary layer หนาขึ้น การถ่ายเทความร้อนยากขึ้น ค่า h ต่ำลง

สรุปเบื้องต้นว่า
ผิวโค้ง เร่งลมเร็ว Boundary layer บาง รับความร้อนเร็ว
ผิวแบน ลมช้ากว่า Boundary layer หนาขึ้นเร็ว รับความร้อนช้า

----------------


3. ด้านโค้งร้อนเร็วกว่าด้านแบน จึงเป็นเหตุทำให้เมื่อถึงช่วงขยายตัวของเมล็ด (ก่อน first crack เล็กน้อย) ด้านโค้งจะขยายตัวก่อน
ผมนั่งทำคำนวณดูค่าอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปเล่นๆ โดยให้ AI ช่วยคำนวณตามแบบสมมติฐานแบบต่างๆ ก็เห็นว่าค่าอุณหภูมิด้านแบนยังไงก็จะขึ้นช้าตามหลังด้านโค้งอยู่เสมอ
ความต่างของอัตราการร้อนระหว่างสองด้านนี้ทำให้เกิด temperature gradient หรือความแตกต่างของอุณหภูมิ ภายในเนื้อเมล็ด ด้านโค้งจะขยายตัวก่อน ขณะที่ด้านแบนยังเย็นกว่าเล็กน้อย ความไม่สมดุลนี้สะสมพลังงานกลในรูปของแรงดึงและแรงเฉือน (tensile & shear stress) ภายใน cell wall

----------------


4. Shear Stress and First Crack Initiation
เมื่อความต่างของการขยายตัวมากพอ โครงสร้าง cell wall จะไม่สามารถทนแรงเฉือนที่เกิดจาก ΔT ได้ จุดที่โครงสร้างบางและได้รับความร้อนหรือแรงลมมาก เช่น ปลายวงรี หรือ ร่องกลางใกล้ด้านโค้ง มักเป็นตำแหน่งเริ่มต้นของ First crack การปะทะของลมตรงปลายเมล็ดในดรัมแบบมี axial airflow (เมล็ดหมุนแนวยาว ในทิศทางการหมุนเดียวกับการหมุนของดรัม) ยิ่งเร่งให้จุดเหล่านี้ร้อนนำ
ด้วยเหตุนี้เราจะเห็นรอยแตกของเมล็ดกาแฟที่ด้านแบนบริเวณใกล้ปลายทรงรีเสมอ เพราะจุดนั้นเป็นจุดที่บางและมีแรงเฉือนเกิดขึ้นมากที่สุด

----------------

5. Arabica vs Robusta Differences
ผมขอวิเคราะห์เพิ่มเติมว่าเมล็ด Arabica มีรูปทรงรีเด่น ทำให้เกิด ΔT ภายในสูงกว่า ส่งผลให้ shear stress ชัดเจนและเสียง crack ดัง ขณะที่ Robusta ทรงมน ΔT และ shear stress จึงต่ำกว่า ทำให้เสียง crack เบากว่า (ตรงนี้ยังไม่มีใครทำงานวิจัยออกมา แต่ขอวิเคราะห์เป็นทฤษฎีเอาไว้อย่างนี้ก่อน)
เวลาคั่วโรบัสต้าจึงฟังเสียงแครกยากกว่าอราบิก้าครับ ขออนุญาตฟันธงว่าเป็นเพราะ shape ที่ค่อนข้างกลมของเขานี่แหละที่สร้างงานยากให้พวกเรา
________________________________________
สรุป
ที่จริงผมเคยเขียนเล่าเรื่องนี้ไปแล้วโดยอ้างอิงงานวิจัยของทั้งต่างประเทศและของบ้านเรา (อ่านได้จากลิงค์ข้างใต้บทความนี้) แต่ครั้งนี้ผมลองเล่าในอีกแบบหนึ่งเพื่อให้พวกเราได้มองเห็นเกี่ยวกับเหตุการณ์เกิด First Crack กันครบทุกมิติ ซึ่งความเข้าใจที่มากขึ้นจะช่วยให้ความคลุมเครือต่างๆ ลดลงไปโดยปริยาย
นักคั่วที่มีประสบการณ์จะเห็นว่าเมล็ดกาแฟมีการพัฒนาตัวที่ไม่เท่ากันระหว่างด้านโค้งกับด้านแบนจริง และแน่นอนว่ารสชาติของทั้งสองส่วนนี้ก็ย่อมแตกต่างกันไปด้วย
เมื่อเข้าถึงเหตุและผล...เราก็จะแม่นยำมากขึ้น
กาแฟของเราก็จะงดงามมากขึ้นเช่นกัน

ขอบคุณครับ
กี้ 14/8/2568

อ่านบทความประกอบ "ทำไมรอยแตก First Crack ถึงต้องอยู่ที่ด้านแบนของเมล็ด?"