पाण्याच्या दाबाचा संशोधक ब्लेझ पास्कल

या आधीचा लेख : वातावरणामधील हवेचा दाब
https://anandghare2.wordpress.com/2021/10/07/%e0%a4%b5%e0%a4%be%e0%a4%a4%e0%a4%be%e0%a4%b5%e0%a4%b0%e0%a4%a3%e0%a4%be%e0%a4%ae%e0%a4%a7%e0%a5%80%e0%a4%b2-%e0%a4%b9%e0%a4%b5%e0%a5%87%e0%a4%9a%e0%a4%be-%e0%a4%a6%e0%a4%be%e0%a4%ac/

अनेक जुन्या काळातल्या चित्रांमध्ये गोपालकृष्णाला पिचकारीमधून गोपिकांवर रंग उडवत असतांना दाखवले असते. रंग उडवण्याची पिचकारी खूप पूर्वीपासून प्रचलित झाली आहे. डॉक्टरांची इंजेक्शन देण्याची सुई, रंग उडवणारी पिचकारी आणि मोठाले दगडधोंडे उचलून इकडून तिकडे टाकणारी किंवा मोटारीच्या बॉडी तयार करण्यासाठी लोखंडाच्या पत्र्यांना आकार देणारी अवजड यंत्रे हे सारे ज्या शास्त्राच्या तत्वांवर काम करतात त्याचे नांव आहे द्रव चालिकी (हैड्रॉलिक्स). यातील सिलिंडरमध्ये एक द्रव पदार्थ घेऊन त्यावर दट्ट्याने दाब दिला जातो आणि त्या दाबामुळे पिचकारीमधील पाणी जोरात बाहेर फेकले जाते किंवा इंजेक्शनच्या सिरिंजमधील औषध शरीरात ढकलले जाते. यंत्रामधील तरफांचे दांडे या दाबाच्या शक्तीमुळे अवजड वस्तू उचलतात किंवा त्यांचेवर जोराने दाब देतात. या शास्त्रात पाणी आणि इतर द्रव पदार्थांच्या गुणधर्मांचा शास्त्रशुध्द अभ्यास केला जातो. धरण, तलाव, विहीर यासारख्या स्रोतांपासून आपल्या घरातल्या नळाच्या तोटीपर्यंत होणारा पाणीपुरवठा, तसेच औषधे, रसायने वगैरेंचे कारखाने, तेलशुध्दीकरणकेंद्रे (रिफायनरीज), विद्युतकेंद्रे (पॉवर स्टेशन्स) वगैरे ठिकाणी जे पंप, व्हॉल्व्ह, टाक्या वगैरे असतात, पाइपांचे जाळे असते त्या सर्वांचे डिझाइन हैड्रॉलिक्सच्या नियमांच्या आधाराने केले जाते. यावरून मानवाच्या विकासाच्या दृष्टीने हे शास्त्र किती महत्वाचे आहे हे लक्षात येईल.

प्राचीन कालापासून नद्यांवरील बंधारे आणि तलावांचे बांधकाम केले जात आले आहे. पिचकारी, हापसा (हँडपंप) यासारखी साधी यंत्रे खूप पूर्वीपासून उपयोगात होती. मात्र सतराव्या शतकात होऊन गेलेल्या ब्लेझ पास्कल या फ्रेंच शास्त्रज्ञाने त्यामागे असलेल्या विज्ञानाचा पध्दतशीर अभ्यास करून त्यासंबंधीचे नियम आणि सिध्दांत पहिल्यांदा व्यवस्थितपणे मांडले. तो गॅलीलिओ आणि टॉरिसेली या इटालियन शास्त्रज्ञांच्या काळातला होता आणि त्यांच्या संपर्कात होता. त्याला सुध्दा गणित हा विषय अत्यंत प्रिय होता. त्याने गणितात विशेष प्राविण्य मिळवले होते आणि गणितातल्या काही संकल्पनांना त्याचे नाव दिले आहे. त्याने एक यांत्रिक कॅलक्युलेटर तयार केला होता. तो संगणकांचा एक पूर्वज होता असे म्हणता येईल. याची आठवण ठेवून सुरुवातीच्या काळातल्या एका संगणकीय आज्ञावलीच्या (कॉंप्यूटर प्रोग्रॅमिंगच्या) भाषेला पास्कलचे नाव दिले होते.

पाण्यात बुडून खोलवर जातांना त्या जलतरणपटूला वरील पाण्याचा वाढत असलेला दाब चांगला जाणवतो. पाण्याच्या पृष्ठभागापासून खाली जातांना हा दाब खोलीच्या समप्रमाणात वाढत जातो असे पास्कलला दिसले. म्हणजे पाण्याच्या पातळीच्या पाच मीटर खाली त्याचा जितका दाब असतो त्याच्या दुप्पट इतका दाब दहा मीटर खाली असतो. आकृती क्र.१ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे पाण्याने भरलेल्या एका उंच टाकीच्या तीन नळांमधून पाणी बाहेर पडत असले तर सर्वात खालच्या नळामधून जोरात बाहेर पडलेले पाणी दूरवर जाते आणि उंचावरील नळातून बाहेर निघालेले पाणी जवळच खाली पडते. पास्कलने असेही दाखवून दिले की कुठल्याही ठिकाणी तो दाब फक्त खालच्या पाण्यावर पडत नसून तो सर्व बाजूंना सारखा असतो. वर असलेले पाणी त्याच्या वजनामुळे खालच्या पाण्याला वरून खाली ढकलत असले तरी ते पाणी इतर बाजूंनाही ढकलले जाते. ज्या पात्रात ते पाणी ठेवले असेल त्यामधून आकृती १ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे या अंतर्गत दाबामुळे ते सर्व बाजूंनी जिथे वाट मिळेल तिथून वेगाने बाहेर येते.

पास्कलने सांगितलेली महत्वाची गोष्ट म्हणजे पाण्यावरला हा दाब त्याच्या स्तंभाच्या उंचीवर अवलंबून असतो. आपला सिध्दांत सिध्द करून दाखवण्यासाठी त्याने एक प्रयोग केला. आकृती २ पहा. खाली एका मोठ्या टाकीत पाणी भरून त्यात एक लहान व्यास असलेला पण उंचच उंच पाइप उभा करून तो त्यात वरून पाणी ओतत गेला. तसतसा खालील टाकीमधल्या पाण्यावरचा दाब वाढत गेला. जवळ जवळ तीन मजले इतक्या उंचीवर पाणी पोचल्यावर त्या पाण्याने निर्माण केलेला दाब खालच्या टाकीला सहन झाला नाही आणि ती गळायला लागली. इथे तसे पाहता पाइपातल्या पाण्याचे वजन फार जास्त नव्हते, पण त्याचा दाब वजनाच्या प्रमाणात न वाढता तो उंचीच्या प्रमाणात वाढत गेला. पास्कलने असे प्रतिपादन केले की बंदिस्त द्रवाच्या एका भागातल्या दाबात झालेला बदल इतर सर्व भागांमध्ये तितकाच पसरतो. त्यामुळे उभ्या पाइपाच्या खाली असलेल्या पाण्यावर पडलेला दाब टाकीमध्ये सगळीकडे पसरला आणि ती कडेने गळायला लागली. या तत्वाचा उपयोग करून पास्कलने पहिली हैड्रॉलिक प्रेस तयार केली. यात एक लहान आकाराचे आणि दुसरे मोठ्या आकाराचे पात्र तळाशी एकमेकांना जोडले होते. लहान पात्रातल्या दट्ट्याला हाताने दाबून पाण्यावर दाब दिला की त्या दाबाने मोठ्या पात्रातल्या दट्ट्यावर ठेवलेली जड वस्तू सहजपणे उचलली जात होती. ही एक प्रकारची नवी तरफ पास्कलने तयार करून त्यातून एक नवे यंत्र जगाला दिले. कापसाचे गठ्ठे करण्यासाठी त्याचा उपयोग होऊ लागला.

टॉरिसेलीने तयार केलेल्या दाबमापकावर (बॅरोमीटरवर) पास्कलने पुढे संशोधन केले. ते एकाच जागी ठेवून हवेचा दाब वेळोवेळी कसा बदलतो, उंच जागी नेल्यावर तो कसा कमी होतो वगैरे निरीक्षणे करून तिच्यावरून काही निष्कर्ष काढले आणि प्रसिध्द केले. त्यामागची शास्त्रीय कारणे तेंव्हा माहीत नव्हती, पण वातावरणाच्या अभ्यासाला त्यामधून दिशा मिळाली. बॅरोमीटरमधील पाऱ्याच्या स्तंभाच्या वर असलेल्या पोकळीत कुठला तरी अदृष्य वायू भरलेला असणार असे त्या काळातल्या शास्त्रज्ञांना वाटत होते. ते निर्वात पोकळीची कल्पनाही करू शकत नव्हते. पास्कलने प्रयोग, निरीक्षणे आणि तर्कशुध्द विचार यांच्या जोरावर असे सिध्द करून दाखवले की त्या जागेत काहीही असणे शक्यच नाही, ती पूर्णपणे रिकामी निर्वात अशी पोकळी (व्हॅक्यूम) असणार. त्यामधून एक नवे शास्त्र आणि तंत्रज्ञान उदयाला आले.

गॅलीलिओ, टॉरिसेली, पास्कल वगैरेंच्या काळात विज्ञान (सासन्स) या नावाची ज्ञानाची वेगळी शाखा नव्हती. तत्वज्ञानाच्या अंतर्गत नैसर्गिक तत्वज्ञान या नावाखाली ते शिकले व शिकवले जात असे. संशोधन, प्रयोग, निरीक्षण, तर्कसंगत विवेचन वगैरेंमधून निसर्गाच्या नियमांचा पध्दतशीर अभ्यास करणे, त्यामधून निघालेल्या सिध्दांतांची प्रात्यक्षिके करून पडताळणी करणे याची जी वैज्ञानिक पध्दत (सायंटिफिक मेथड) गॅलीलिओने घालून दिली तिचा पास्कलने अधिक विकास केला. त्यामधून हळूहळू विज्ञान हे एक वेगळे वैशिष्ट्यपूर्ण शास्त्र तयार होत गेले, तसेच तंत्रज्ञानाला पायाभूत सिध्दांतांची जोड मिळत गेल्याने त्याच्या विकासालाही वेग आला. द्रवरूप किंवा वायुरूप अशा प्रवाही पदार्थांना (फ्लूइड्सना) लागू पडणारे दाबाविषयीचे पायाभूत नियम पास्कलने मांडले होते. याची आठवण ठेवून आता जागतिक प्रमाणानुसार (एसआय सिस्टिमनुसार) दाब (प्रेशर) हा प्रवाही पदार्थांचा गुणधर्मच पास्कल या एककात (युनिट्समध्ये) मोजला किंवा व्यक्त केला जातो.