വിമാനങ്ങൾ പറക്കുന്നതെങ്ങനെ?

ബർണൂളി തത്വം അനുസരിച്ചാണ് വിമാനങ്ങൾ പറക്കുന്നത് എന്നാണ് പാഠപുസ്തകങ്ങൾ പൊതുവേ പറയാറ്. അദ്ധ്യാപകരും അങ്ങനെയാണ് പഠിപ്പിക്കാറ്. പക്ഷേ, ചില കുരുത്തംകെട്ട പൈലറ്റ്മാർ വിമാനം തലകീഴാക്കി പറപ്പിച്ച് നമ്മളെ വെല്ലുവിളിക്കുന്നു. ശരിക്കും ഇവിടെ എന്താണ് സംഭവിക്കുന്നത്?

പക്ഷികളെപ്പോലെ പറക്കാൻ ആദിമ മനുഷ്യർക്കു തന്നെ ആഗ്രഹം തോന്നിക്കാണണം. എന്നാൽ പക്ഷികളെപ്പോലെ ചിറകടിച്ച് പറക്കാനുള്ള മോഹങ്ങളൊന്നും ഫലപ്രദമായില്ല. പിന്നീട് ഹൈഡ്രജനോ ചൂടുവായുവോ ബലൂണുകളിൽ നിറച്ച് പറക്കാനായി ശ്രമം. അതു പലപ്പോഴും വിജയിക്കുകയും ചെയ്തു. എങ്കിലും കുറഞ്ഞ വേഗം, ഗതി നിയന്ത്രിക്കാനുള്ള ബുദ്ധിമുട്ടുകൾ, അപകടങ്ങൾ എന്നിങ്ങനെ പല കാരണങ്ങളാൽ അതിനും വലിയ ഭാവി ഉണ്ടായില്ല. ഇപ്പോഴത്തെ യാത്രാ വിമാനങ്ങൾക്ക് ഒരു നല്ല അടിത്തറ നൽകിയത് റൈറ്റ് സഹോദരന്മാർ വികസിപ്പിച്ച ഡിസൈനുകളാണ്. ഇത്തരം വിമാനങ്ങൾ ഉയർന്നു പറക്കുന്നത് എങ്ങനെ എന്നത് പല പുസ്തകങ്ങളിലും കാണാറുള്ള ഒരു ചോദ്യമാണ്. ഉത്തരമായി ബെർണൂളി തത്വം എന്നും കാണാറുണ്ട്. അത് ഞാൻൾപ്പടെ അദ്ധ്യാപകർ വിവരിക്കാറുമുണ്ട്? അത് എത്രത്തോളം ശരിയാണ് എന്ന് നമുക്കൊന്ന് പരിശോധിക്കാം.

നമുക്ക് ബെർണൂളി തത്വത്തിൽ നിന്നു തുടങ്ങാം. ബെർണൂളി കുടുംബം ധാരാളം പ്രതിഭാധനരെ സൃഷ്ടിച്ചിട്ടുണ്ട്. ഇവിടെ നമ്മൾ സംസാരിക്കാൻ പോകുന്ന തത്വത്തിൻ്റെ പിന്നിലുള്ളത് ദാനിയേ ബർണൂളി (Daniel Bernoulli, 1700-1782) ആണ്. ഇദ്ദേഹം 1738-ൽ പ്രസിദ്ധീകരിച്ച ഹൈഡ്രോ ഡൈനാമിക്ക (Hydrodynamica) എന്ന പുസ്തകത്തിലാണ് ഈ തത്വം ആദ്യമായി വിശദീകരിച്ചത്. ഇത് യഥാർത്ഥത്തിൽ ദ്രവങ്ങളിലെ ഊർജസംരക്ഷണ നിയമവുമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു.

ബർണൂളി തത്വത്തെ ഒരു സമവാക്യം ആയി എഴുതിയാൽ അത് ഇങ്ങനെയിരിക്കും:

\(\frac{1}{2}\rho v^2 +\rho g h +P=constant\)

യൂണിറ്റ് വ്യാപ്തമുള്ള ദ്രാവകത്തിൻ്റെ ഊർജമാണ് ഈ സമവാക്യം സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. ഇതിൽ ആദ്യ ടേം ഗതികോർജത്തെയും (kinetic energy), രണ്ടാമത്തേത് ഗുരുത്വം കൊണ്ടുള്ള സ്ഥിതികോർജത്തെയും (gravitational potential energy) മൂന്നാമത്തേത് മർദ്ദം (pressure) കൊണ്ടുള്ള ഊർജത്തെയും പ്രതിനിധാനം ചെയ്യുന്നു. ഇതു ജലം പോലുള്ള ദ്രാവകങ്ങൾക്കും വായു പോലുള്ള വാതകങ്ങൾക്കും ബാധകമാണ്. തിരശ്ചീനമായി ഒഴുകുന്ന ദ്രാവകങ്ങളുടെ കാര്യമെടുത്താൽ സമവാക്യത്തിലെ \(\rho g h\) എന്ന ഭാഗം മാറില്ല. അത്തരം സന്ദർഭങ്ങളിൽ വേഗം (v) കൂടുതൽ ഉള്ളിടങ്ങളിൽ പ്രഷർ (P) കുറവായിരിക്കുമെന്നാണല്ലോ സമവാക്യം നമ്മളോടു പറയുന്നത്. ഇവിടെ കൊടുക്കുന്ന ചിത്രത്തിൽ അതു വ്യക്തമാകുന്നു.

ഇവിടെ ഇടുങ്ങിയ ഭാഗത്തുകൂടെയും വീതി കൂടിയ ഭാഗത്തുകൂടെയും ഒരേ അളവിൽ ദ്രാവകം ഒഴുകണമെങ്കിൽ ഇടുങ്ങിയ ഭാഗത്ത് വേഗം കൂടണമല്ലോ? (യൂണിറ്റു സമയം കൊണ്ട് കടന്നുപോകുന്ന ദ്രാവകത്തിൻ്റെ അളവ് = area x speed).

ഇടതുഭാഗത്തുനിന്നും ദ്രാവകം ഇടുങ്ങിയ ഭാഗത്തേക്ക് ഒഴുകുമ്പോൾ മർദ്ദത്തിലുള്ള വ്യത്യാസം കാരണം ദ്രാവകം ത്വരണം (ആക്സിലറേറ്റ്) ചെയ്യപ്പെടുന്നു. അങ്ങനെ വേഗം കൂടുന്നു. ഇടുങ്ങിയ ഭാഗത്ത് നിന്ന് വലത്തോട്ട് നീങ്ങുമ്പോൾ ആകട്ടെ മർദ്ദം കാരണം വേഗം കുറയുന്നു. ഇക്കാരണത്താൽ വേഗം കൂടുമ്പോൾ മർദ്ദം കുറയുന്നു എന്ന് പൊതുവായി പറയാറുണ്ട്. ഇനി നമുക്ക് വിമാനത്തിൻ്റെ കാര്യത്തിലേക്ക് വരാം. പല പുസ്തകങ്ങളിലും ഇത് വിശദീകരിക്കുന്നത് ഏറോഫോയിൽ (aerofoil) എന്ന ഒരു സംഗതി വിവരിച്ചുകൊണ്ടാണ്. സാധാരണ വിമാനങ്ങളുടെ ചിറകുകളുടെ ക്രോസ്-സെക്ഷൻ ഏതാണ്ട് ഇതേ രൂപത്തിലാണ്.

ഈ ചിത്രത്തിൽ വരച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെയാണ് കാര്യങ്ങളെങ്കിൽ ചിറകിനുമുകളിലൂടെ സഞ്ചരിക്കുന്ന വായു താഴേക്കൂടി സഞ്ചരിക്കുന്ന വായുവിനേക്കാൾ കൂടുതൽ ദൂരം സഞ്ചരിക്കണം. അതിനാൽ തന്നെ അതു കൂടുതൽ സ്പീഡിൽ സഞ്ചരിക്കണം (ഈ വരിയിൽ ഒരു തെറ്റുണ്ട്, അതറിയാൻ തുടർന്നു വായിക്കുക). ഇവിടെയാണ് ബെർണൂളി തത്വം കടന്നുവരിക. സ്പീഡ് കൂടുന്നിടത്ത് മർദ്ദം അഥവാ പ്രഷർ കുറഞ്ഞിരിക്കും. ചിറകിനു മുകളിലുള്ളതിനേക്കാൾ പ്രഷർ താഴെ ഉണ്ടാകുമ്പോൾ പരിണിത ബലം (resultant force) മുകളിലേക്കായിരിക്കും. ഈ ബലമാണ് (lift) താഴോട്ടുള്ള ഗുരുത്വ ബലത്തിനെതിരെ (weight) പ്രവർത്തിച്ച് വിമാനത്തെ താങ്ങിനിർത്തുന്നത് എന്നതാണ് സാധാരണ വിശദീകരണം. ഇതു കൂടാതെ വിമാനത്തിൻ്റെ എഞ്ചിനുകൾ മുന്നോട്ടുള്ള തള്ളൽ (thrust) നൽകുന്നു. കൂടാതെ ഘർഷണം മൂലം ഉള്ള പിന്നോട്ടുള്ള വലിക്കലും (drag) ഉണ്ടാകും. ഇങ്ങനെ നാലു ബലങ്ങൾ നമ്മൾ പരിഗണിക്കണം.

ഈ വിശദീകരണം വിശ്വസിച്ച് അതും പഠിപ്പിച്ച് ഇരിക്കുമ്പോഴാണ് ചില പൈലറ്റുമാർ വിമാനത്തെ തലതിരിച്ച് പറത്തുന്ന ചിത്രങ്ങളും വീഡിയോകളും കാണുന്നത്. ഈ സൂത്രപ്പണി കൂടുതലും ഒപ്പിക്കുന്നത് യുദ്ധവിമാനങ്ങളുടെ പൈലറ്റുമാരാണ്. പോരെങ്കിൽ ഇത്തരം സ്റ്റണ്ടുകൾക്കുവേണ്ടി പ്രത്യേകം ഡിസൈൻ ചെയ്ത വിമാനങ്ങളും നിലവിലുണ്ട്. സാധാരണ യാത്രാവിമാനങ്ങൾ ഇങ്ങനെ തലതിരിഞ്ഞ യാത്രയ്ക്കു പറ്റുന്ന രീതിയിൽ അല്ല ഡിസൈൻ ചെയ്തിട്ടുള്ളത്. എങ്കിലും ചില അസാധാരണ സന്ദർഭങ്ങളിൽ ഒന്നുരണ്ടു പൈലറ്റുമാർ ആ പണി ചെയ്തിട്ടുണ്ട്.

ഇവിടെയാണ് നമ്മൾ ഉരുവിട്ടുപഠിച്ചത് ശരി തന്നെയോ എന്നു പരിശോധിക്കേണ്ടി വരുന്നത്. നമ്മൾ, അദ്ധ്യാപകർ വിട്ടുപോകുന്ന ചില കാര്യങ്ങൾ പരിഗണിക്കേണ്ടി വരുന്നത്.

ആദ്യം പറയേണ്ടത് വായു ഏറോഫോയിലിനു മുകളിലും താഴെയും സഞ്ചരിക്കുമ്പോൾ ഒരുമിച്ച് വാലറ്റത്ത് എത്തുമെന്ന ധാരണയെ സംബന്ധിച്ചാണ്. ഈ ‘equal transit time’ എന്ന ധാരണ തെറ്റാണ് . സത്യത്തിൽ ഏറോ ഫോയിലിൻ്റെ മുകളിലൂടെ സഞ്ചരിക്കുന്ന വായുവാണ് ആദ്യം എത്തുക. ഇത് പരീക്ഷണങ്ങളിലൂടെ കണ്ടെത്തിയ കാര്യമാണ്. അതിനാൽ തന്നെ equal transit time ധാരണയനുസരിച്ച് കണക്കുകൂട്ടിയാൽ തെറ്റുകൾ വരും. ബെർണൂളി തത്വം ശരിയല്ല എന്നതല്ല ഇതിനർത്ഥം. ബെർണൗളി തൻ്റെ തത്വങ്ങൾ കണ്ടെത്തിയത് ഐസക്ക് ന്യൂട്ടൻ്റെ സിദ്ധാന്തങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയാണ്. അങ്ങനെയെങ്കിൽ നമുക്ക് അവിടെ നിന്നു തുടണാം. താഴെ കൊടുത്തിരിക്കുന്ന ചിത്രങ്ങൾ നോക്കുക. അതിൽവായു സഞ്ചരിക്കുന്ന വഴി മാർക്കു ചെയ്തിരിക്കുന്നതു കാണുക. വായുവിൻ്റെ സഞ്ചാരദിശ താഴേക്കു തിരിയാൻ കാരണം വിമാനത്തിൻ്റെ ഭാഗങ്ങൾ അതിൽ ചെലുത്തുന്ന ബലമാണ്. ന്യൂട്ടൻ്റെ മൂന്നാം ചലനനിയമം അനുസരിച്ചു പരിശോധിച്ചാൽ ഇതിനു തുല്യവും വിപരീതവുമായ ഒരു ബലം വായു വിമാനത്തിലും ചെലുത്തും. ഇതാണ് ലിഫ്റ്റ് നൽകുന്നത്. ഏറോഫോയിലിൻ്റെ മുകളിലൂടെ സഞ്ചരിക്കുന്ന വായുവിൻ്റെ കാര്യത്തിലും ഈ ദിശാവ്യതിയാനം ഉണ്ടാകുന്നെണ്ടന്ന കാര്യം ഓർക്കുക. ഇതു കൂടി പരിഗണിച്ചാൽ കാര്യങ്ങൾ എളുപ്പമാകും.

ചിത്രത്തിൽ angle of attack എന്നു സൂചിപ്പിച്ചിട്ടുള്ള കോൺ പൂജ്യത്തിൽ നിന്ന് കൂടുമ്പോൾ ലിഫ്റ്റും കൂടുന്നു. എന്നാൽ ഇതിനും ഒരു പരിധിയുണ്ട്. Angle of attack പരിധി വിട്ടാൽ ലിഫ്റ്റ് കിട്ടാതാവും.

ഇനി നമുക്ക് വിമാനങ്ങൾ തലകീഴാക്കി പറപ്പിക്കുന്ന സന്ദർഭങ്ങളിൽ എന്താണു സംഭവിക്കുന്നതെന്നു നോക്കാം. അവിടെയും angle of attack എന്നത് positive ആയി നിലനിർത്തിയാണ് പ്രധാനമായും ലിഫ്റ്റ് സൃഷ്ടിക്കുന്നത്. ഷോകൾക്ക് ഉപയോഗിക്കുന്ന പല സ്റ്റണ്ട് വിമാനങ്ങളിലും ഏറോഫോയിൽ സിമെട്രിക് ആയിരിക്കും. അതായത് ഇതു നേരെ പറന്നാലും തലതിരിഞ്ഞു പറന്നാലും ഏറോഫോയിൽ ഒരേ തരത്തിലാണ് ബലം ചെലുത്തുക.

ചുരുക്കിപ്പറഞ്ഞാൽ ബർണൂളി തത്വത്തിൻ്റെ ലളിതമായ പ്രയോഗം കൊണ്ട് വിമാനത്തിൻ്റെ ചലനം വിശദീകരിക്കാൻ കഴിയില്ല. സത്യത്തിൽ ഇതു പഠിക്കാൻ ഇറങ്ങിത്തിരിച്ചാൽ വിദഗ്ധരുടെ ഇടയിൽ പോലും തെറ്റിദ്ധാരണകളും തർക്കങ്ങളും ഉണ്ടെന്നു മനസ്സിലാകും. തത്കാലം ഇത്ര മാത്രം. പിന്നെ ഒരു കാര്യം കൂടി. ആരും ന്യൂട്ടണും ബെർണൂളിക്കും തെറ്റുപറ്റി എന്നൊന്നും പറഞ്ഞു വരേണ്ട. അവർ വിമാനം പറപ്പിക്കുന്നതിനെക്കുറിച്ചൊന്നും ഗവേഷണം നടത്തിയിട്ടില്ല.

അധിക വായനയ്ക്ക്