विमान कसे उडते? सोप्या भाषेत

मानवाने पक्षांकडे पाहत आकाशात झेप घेण्याचे स्वप्न पाहिले. त्यावर शेकडो वर्षे प्रयोग केले. अखेर 20 व्या शतकात विमानाच्या रुपात त्याला यश मिळाले. आज हजारो टन वजनाची विमाने सहजपणे हजारो किलोमीटरचे अंतर पार करतात. पण हे उड्डाण कोणत्याही जादूमुळे नव्हे तर भौतिकशास्त्राच्या ठोस नियमांवर आधारित विज्ञानामुळे होते. 

चला तर मग या ब्लॉगद्वारे आपण समजून घेऊया 'विमान कसे उडते?' या प्रश्नाचे उत्तर अगदी सोप्या भाषेत... 

प्रथम पाहू एअरोडायनॅमिक्स अर्थात वायुगतिकी म्हणजे काय? 

वायुगतिकी म्हणजे हवेचा प्रवाह व वस्तू यांच्यातील परस्परसंबंधांचा अभ्यास. विमान हवेतून जात असताना हवा त्याच्या बॉडीवर व पंखांवर वाहते. या हवेचा वेग, दिशा व दाब बदलतो. या बदलांमुळे विविध शक्ती निर्माण होतात. त्यामुळे विमान उडते व खाली येते. (Aerodynamics – NASA). 

विमान उडण्यासाठी आवश्यक 4 शक्ती 

विमान उडत असताना त्यावर एकाच वेळी 4 शक्ती कार्यरत असतात. पहिली शक्ती म्हणजे लिफ्ट (Lift). ही शक्ती विमानाला वर उचलते व प्रामुख्याने पंखांमुळे निर्माण होते. दुसरी शक्ती म्हणजे थ्रस्ट (Thrust). ही शक्ती विमानाला पुढे ढकलते. ती इंजिनद्वारे तयार होते. तिसरी शक्ती म्हणजे ड्रॅग (Drag). हा हवेचा प्रतिकार असतो. तो विमानाच्या हालचालीला अडथळा निर्माण करतो. चौथी शक्ती म्हणजे गुरुत्वाकर्षण (Gravity). ही ग्रॅव्हिटी विमानाला पृथ्वीच्या दिशेने ओढते. (Forces of Flight – FAA). विमान उडण्यासाठी लिफ्ट ही गुरुत्वाकर्षणापेक्षा जास्त व थ्रस्ट हा ड्रॅगपेक्षा जास्त असणे आवश्यक असते. 

पंखांची रचना - एअरफॉइल (Airfoil) 

विमानाचे पंख सरळ सपाट नसतात. ते एअरफॉइल नामक विशिष्ट आकाराचा असतो. त्यात पंखाचा वरचा भाग वक्र असतो. तर खालचा भाग तुलनेने सरळ असतो. यामुळे पंखाच्या वरून जाणारी हवा अधिक वेगाने, तर खालून जाणारी हवा कमी वेगाने वाहते. 

बर्नुलीचा सिद्धांत व लिफ्ट 

स्विस शास्त्रज्ञ डॅनियल बर्नुली (Bernoulli’s Principle) यांनी सांगितलेल्या सिद्धांतानुसार, द्रव किवा वायूचा वेग वाढला की, त्याचा दाब कमी होतो. विमानाच्या पंखाच्या वरून हवा वेगाने वाहते. त्यामुळे तिथे दाब कमी होतो. पंखाच्या खालच्या बाजूस हवा हळू वाहते, त्यामुळे दाब जास्त राहतो. या दाबातील फरकामुळे पंखावर उचल बल (Lift) निर्माण होते. ते विमानाला वर खेचते. 

न्यूटनचा तिसरा नियम अन् लिफ्ट 

विमान उडण्यामागे फक्त बर्नुलीचा सिद्धांत नाही, तर न्यूटनचा तिसरा नियमही (Newton’s Third Law) फार महत्त्वाचा आहे. या नियमानुसार, प्रत्येक क्रियेला समान व विरुद्ध प्रतिक्रिया असते. विमानाचे पंख हवेला खालच्या दिशेने ढकलतो. त्याच्या प्रतिक्रियेत हवाला पंखाला वर ढकलते. त्यामुळे लिफ्ट तयार होते. आधुनिक एअरोनॉटिकल विज्ञानात बर्नुली व न्यूटन या दोन्ही नियमांचा संयुक्त परिणाम मानला जातो. 

अँगल ऑफ अटॅक (Angle of Attack) 

अँगल ऑफ अटॅक म्हणजे पंखाचा पुढचा भाग व येणाऱ्या हवेच्या दिशेतील कोन. हा कोन जितका योग्य असेल, तेवढी लिफ्ट अधिक निर्माण होते. पण हा कोन खूप जास्त झाला तर हवा पंखावरून तुटते व लिफ्ट अचानक कमी होते. या स्थितीला स्टॉल (Stall) म्हणतात. ही स्थिती विमानासाठी अत्यंत धोकादायक मानली जाते. 

इंजिन व थ्रस्ट निर्मिती 

विमान उडण्यासाठी पुढे जाणे आवश्यक आहे. कारण, हवा पंखांवर वाहिली तरच लिफ्ट तयार होते. हे पुढे जाण्याचे काम इंजिनाच्या माध्यमातून होते. विमानांमध्ये जेट इंजिन वापरले जाते. यात हवा आत घेतली जाते, इंधन जाळले जाते व प्रचंड वेगाने हवा मागे फेकली जाते. न्यूटनच्या तिसऱ्या नियमानुसार, या क्रियेच्या प्रतिक्रियेत विमान पुडे ढकलले जाते. (Jet Propulsion – NASA). याऊलट लहान विमानांमध्ये प्रोपेलर इंजिन असतसे. प्रोपेलर हवा मागे ढकलतो व विमान पुढे सरकते. 

टेकऑफ प्रक्रिया कशी होते? 

टेकऑफ म्हणजे विमानाचे धावपट्टीवरून उड्डाण. विमान वेग वाढवत धावपट्टीवर पुढे धावते. जसा-जसा त्याचा वेग वाढतो, तसतशी पंखांवर वाहणारी हवा वेगवान होते. योग्य वेग व अँगल ऑफ अटॅक मिळाल्यानंतर लिफ्ट गुरुवाकर्षणापेक्षा जास्त होते व विमान अलगद हवेत झेपावते (Takeoff Mechanics – Aviation Manuals). 

विमानाचे नियंत्रण कसे केले जाते? 

विमान उडताना त्याची दिशा व स्थैर्य राखण्यासाठी काही विशिष्ट उपकरणे वापरली जातात. आयलेरॉन्स (Ailerons) विमानाला डावीकडे व उजवीकडे वळवतात. इलेव्हेटर (Elevator) विमान वर किंवा खाली नेतो. रडर (Rudder) दिशा स्थिर ठेवण्यास मदत करते. हे सर्व नियंत्रण वायुगतिकीच्या नियमांवर आधारित असते. 

लँडिंगवेळी नेमके काय घडते?

विमानाची लँडिंग करताना विमानाचा वेग कमी केला जातो. यासाठी फ्लॅप्स उघडून पंखांचा पृष्ठभाग वाढवला जातो. यामुळे कमी वेगातही लिफ्ट टिकून राहते. हळूहळू लिफ्ट कमी करून विमान जमिनीवर उतरवले जाते. आजची विमाने केवळ भौतिकशास्त्रावरच नव्हे तर संगणकीय प्रणालींवरही अवलंबून आहेत. Fly-by-Wire प्रणाली पायलटच्या आदेशांना इलेक्ट्रॉनिक संकेतांद्वारे नियंत्रित करते. यामुळे उड्डाण अधिक सुरक्षित होते. 

थोडक्यात सांगायचे तर, विमान उंच आकाशात उडणे हा कोणताही चमत्कार नाही तर भौतिकशास्त्र, वायुगतिकी व अभियांत्रिकी यांचा मिलाफ आहे. पंखांची रचना, हवेचा प्रवाह, इंजिनांची शक्ती व मानवी बुद्धीमत्ता यामुळेच अवजड विमानही आकाशात अलगत झेपावू शकते. त्यामुळेच विमान हे आधुनिक विज्ञानाचे उत्कृष्ट उदाहरण मानले जाते. 

आता विमानाचे जनक राईट बंधूंविषयी थोडीशी माहिती

ऑरविल राईट व विल्बर राईट हे अमेरिकेच्या ओहयो राज्यातील डेटन शहरातील दोन भाऊ होते. त्यांना आधुनिक विमानशास्त्राचे जनक मानले जाते. औपचारिक अभियांत्रिकीचे शिक्षण नसतानाही त्यांनी यांत्रिकी, भौतिकशास्त्र व सूक्ष्म निरीक्षण यांच्या आधारे उड्डाणाचे मुलभूत तत्त्व समजूनि घेतले. सायकल दुरुस्ती व विक्रीच्या व्यवसायातून त्यांना संतुलन, नियंत्रण व गती यांचा प्रत्यक्ष अनुभव मिळाला. तो पुढे विमानाचे नियंत्रण करण्यासाठी निर्णायक ठरला. त्या काळातील अनेक विमान प्रयोग अपयशी ठरत होते. पण राईट बंधूंनी विमान नियंत्रण हा कळीचा प्रश्न ओळखून त्यावर संशोधन केले. (Smithsonian – Wright Brothers Biography).

स्वतःचे विमान तयार करताना त्यांनी केवळ पंख किंवा इंजिनावर नाही, तर वायुगतिकीच्या शास्त्रीय प्रयोगांवर भर दिला. पक्ष्यांचे उड्डाण निरीक्षण करून त्यांनी पंख वाकवून दिशा बदलण्याची Wing Warping संकल्पना मांडली. ही संकल्पना आजच्या आयलेरॉन्स प्रणालीचा पाया मानली जाते. राईट बंधूंनी स्वतःचा लहान विंट टनेल तयार करून पंखांच्या विविध आकारांवर प्रयोग केले. लिफ्ट व ड्रॅगविषयी अधिक अचूक मोजमाप मिळवले. तत्कालीन बाजारपेठेत उपलब्ध जड इंजिनांऐवजी स्वतःचे हलके पेट्रोल इंजिन विकसित केले. ते उड्डाणासाठी पुरेसे ठरले (NASA – Early Aeronautics Research).

एकाच दिवसात 4 वेळा उड्डाण अन् घडला इतिहास 

राईट बंधूंनी या अभ्यासानंतर Wright Flyer हे विमान तयार केले. ते अत्यंत साधे होते. पण वैज्ञानिकदृष्ट्या अत्यंत क्रांतिकारी होते. लाकडी फ्रेम, कापडी पंख, दोन प्रोपेलर व Wing Warping नियंत्रण प्रणाली ही त्याची प्रमुख वैशिष्ट्ये होती. हवेचा प्रतिकार कमी करण्यासाठी हे विमान झोपलेल्या स्थिती चालवण्यात आले. ही त्या काळातील विलक्षण कल्पना होती. या रचनेमुळे विमान प्रथमच स्थिर, नियंत्रित व पुनरावृत्तीयोग्य उड्डाण करू शकले. 

राईट बंधूंनी 17 डिसेंबर 1903 रोजी उत्तर कॅरोलिनातील किटी हॉक येथे राईट बंधूंनी पहिला यशस्वी प्रयोग केला. ऑरविल राईट यांनी Wright Flyer उडवून अवघ्या 12 सेकंदांत 36 मीटर अंतर पार केले. त्या दिवशी एकूण 4 उड्डाणे झाली. त्यातील शेवटचे उड्डाण 59 सेकंद चालले. विशेष म्हणजे या ऐतिहासिक क्षणी अवघे काही साक्षीदार उपस्थित होते. चौथ्या उड्डाणानंतर जोरदार वाऱ्यामुळे विमानाचे नुकसान झाले. पण तोपर्यंत नियंत्रित, इंजिनयुक्त विमान उड्डाणाचा इतिहास घडला होता.

0+ Great