200 किमी/घंटा की लेम्बोर्गिनी की चुनौती! 12 मीटर मेज़पोश खींचने का विज्ञान (TBS “नेचर टीचर”) [विज्ञान पर्यवेक्षण एवं उपस्थिति]
मैं केन कुवाको, साइंस ट्रेनर हूँ। हर दिन एक प्रयोग है।
मैंने विज्ञान सलाहकार और कार्यक्रम में प्रतिभागी के रूप में जिस कार्यक्रम में सहयोग किया था, 「地球まるごと大実験ネイチャーティーチャー」, उसका प्रसारण TBS पर 18 जनवरी को हुआ।
यह एक शानदार विज्ञान-मनोरंजन कार्यक्रम है, जिसमें चॉकलेट प्लैनेट के दोनों सदस्य और timelesz के सदस्य खुद को चुनौती देते हुए तरह-तरह के बड़े प्रयोग करते हैं। इस कार्यक्रम का उद्देश्य अलग-अलग क्षेत्रों के विशेषज्ञों को एक साथ लाकर विज्ञान की कठिन चुनौतियों का सामना करना है। इस बार की चुनौती थी 12 मीटर लंबे टेबलक्लॉथ को खींचकर निकालना—एक ऐसा प्रयास जिसे इससे पहले किसी ने नहीं किया था।
इस कार्यक्रम में मैंने भौतिकी विशेषज्ञ, खासकर घर्षण के विशेषज्ञ, के रूप में हिस्सा लिया।
मेरा परिचय भौतिकी के एक जुनूनी दीवाने के रूप में भी कराया गया। इससे पहले एक दूसरे कार्यक्रम में मुझे «मैड साइंटिस्ट» भी कहा जा चुका है…
कार्यक्रम में मेरा थोड़ा मज़ाक भी बनाया गया, लेकिन उस पर ध्यान न दें! मुझे विज्ञान से जुड़ी भूमिका सौंपी गई थी, इसलिए मैं योजना बनाने की बैठकों से ही इस परियोजना में शामिल हो गया था। रस्सी की लंबाई और टेबलक्लॉथ को किस तरह खींचना चाहिए, इसके लिए मैंने गणनाएँ कीं और प्रारंभिक प्रयोग भी किए। प्रसारण से पहले मुझे कार्यक्रम की पूरी तस्वीर पता नहीं थी; मुझे केवल अलग-अलग हिस्सों की जानकारी थी। लेकिन जब मैंने तैयार कार्यक्रम देखा, तो यह बेहद मजेदार और शानदार बना था। टेलीविजन बनाने वाले लोग सचमुच कमाल करते हैं!
टेबलक्लॉथ खींचने का यह प्रयोग केवल कोई जादू या मनोरंजन नहीं है। यह तो पूरी तरह भौतिकी से भरा हुआ प्रयोग है! बच्चों से लेकर बड़ों तक, हर किसी के लिए यह एक आसान प्रवेश-बिंदु है और साथ ही भौतिकी की मूल बातों में रुचि जगाने के लिए भी यह शानदार विषय है। मैं खुद ऐसी गतिविधियों के माध्यम से विज्ञान की मजेदार और रहस्यमय दुनिया को समाज के साथ साझा करना चाहता हूँ और लोगों की जिज्ञासा को बढ़ाना चाहता हूँ। इसलिए जब मुझे यह प्रस्ताव मिला, तो मैंने तुरंत इसे आजमाने का फैसला किया।
मैंने खुद भी टेबलक्लॉथ खींचने की भौतिकी का अध्ययन किया था। हालांकि, मैंने कभी 12 मीटर लंबे टेबलक्लॉथ के साथ ऐसा प्रयोग नहीं किया था। परियोजना का विशाल पैमाना सुनकर ही मैं रोमांचित हो गया। मुझे बचपन से ही बड़े पैमाने के विज्ञान प्रयोग बहुत पसंद रहे हैं, इसलिए पहले देखे गए 10 मीटर के टेबलक्लॉथ प्रयोग को पार करते हुए 12 मीटर की चुनौती बेहद रोमांचक थी।
कार्यक्रम में मुझे चॉकलेट प्लैनेट के ओसादा और मात्सुओ को भौतिकी की एक छोटी-सी कक्षा लेने का मौका भी मिला।
मैं पहले भी एक दूसरे कार्यक्रम में चॉकलेट प्लैनेट के सदस्यों से मिल चुका था और मुझे अंदाजा था कि उन्हें विज्ञान में काफी रुचि है। इस बार मैंने उन्हें कई प्रयोगात्मक उपकरणों के साथ अलग-अलग प्रयोग करवाते हुए समझाने की कोशिश की। प्रसारण में इनमें से कुछ हिस्से काट दिए गए, लेकिन हमने «डारुमा ओतोशी» जैसा खेल किया, होवरक्राफ्ट चलाया और सामान्य तरीके से भौतिकी की कक्षा भी की। मैं पूरी कोशिश कर रहा था कि विज्ञान की बातें उन्हें अच्छी तरह समझ आएँ।
इन गतिविधियों में मैंने इस प्रयोग की सबसे महत्वपूर्ण अवधारणा, «जड़त्व», के बारे में भी बात की। जड़त्व का अर्थ है कि «जो वस्तु रुकी हुई है, वह रुकी हुई रहना चाहती है और जो वस्तु चल रही है, वह चलती रहना चाहती है»। क्या आपने रोजमर्रा की जिंदगी में इसे कभी महसूस किया है?
बस अचानक चलने लगे तो: शरीर «उसी जगह रुका रहना» चाहता है, लेकिन पैर घर्षण के कारण बस के साथ आगे बढ़ जाते हैं। इसलिए शरीर पीछे की ओर झुकता हुआ महसूस होता है।
बस अचानक रुक जाए तो: शरीर «चलते रहना» चाहता है, लेकिन पैर बस के साथ रुक जाते हैं। इसलिए शरीर आगे की ओर झुककर गिरने जैसा महसूस होता है।
बच्चों का खिलौना «डारुमा ओतोशी» भी इसी जड़त्व का उपयोग करने वाला प्रयोग है। नीचे की लकड़ी के टुकड़े को तेजी से बाहर की ओर मारने पर ऊपर रखा डारुमा «उसी जगह रुके रहना» चाहता है और सीधा नीचे गिर जाता है।
टेबलक्लॉथ खींचने का प्रयोग भी इसी सिद्धांत पर आधारित है। हमारा लक्ष्य है कि बर्तन अपनी जगह पर बने रहें। लेकिन वास्तविक दुनिया में एक परेशानी सामने आती है—घर्षण बल। बर्तन और कपड़े के बीच घर्षण होता है, इसलिए कपड़ा खींचने पर बर्तन भी उसके साथ खिंचने लगते हैं। घर्षण बल की एक दिलचस्प बात यह है कि स्थिर अवस्था में यह धीरे-धीरे बढ़ता है और अधिकतम स्थैतिक घर्षण बल स्थैतिक घर्षण गुणांक तथा अभिलंब बल से निर्धारित होता है। देखने में ऐसा लग सकता है कि संपर्क सतह का आकार भी महत्वपूर्ण होगा, लेकिन सूत्र में संपर्क क्षेत्रफल शामिल नहीं होता।
और इससे भी ज्यादा दिलचस्प बात है इस प्रयोग में महत्वपूर्ण गतिज घर्षण बल। इसकी खासियत यह है कि कपड़ा कितनी तेजी से चल रहा है, इसके बावजूद इसका परिमाण लगभग नहीं बदलता। अनुभव से हमें पता है कि ऐसा होता है, लेकिन सूक्ष्म स्तर पर आखिर ऐसा क्यों होता है, इसका पूरा रहस्य अभी तक हल नहीं हुआ है। यानी घर्षण वास्तव में एक बेहद रहस्यमय बल है!
कार्यक्रम में हमने घर्षण के कारण को समझाने के लिए सतह की ऊबड़-खाबड़ संरचना का मॉडल इस्तेमाल किया था, लेकिन वास्तव में इसके अलावा भी कई कारण हैं।
・परमाणु स्तर पर बंधनों को तोड़ने वाला बल (आसंजन सिद्धांत)
・सामने वाले पदार्थ को दबाकर और फैलाकर आगे बढ़ने वाला बल
इनमें से आसंजन सिद्धांत को सबसे अधिक महत्वपूर्ण माना जाता है। इसके बारे में अधिक जानकारी यहाँ दी गई है। कार्यक्रम के प्रयोग में हमने केवल दो टूथब्रशों को एक साथ जोड़कर उनके घर्षण बल का उपयोग किया और उससे 3 किलोग्राम का वजन भी उठा लिया।
घर्षण बल को बढ़ाने के तरीके को दिखाने के लिए हमने कारों को रस्सी से खींचने वाला एक प्रयोग भी किया। दो समान शक्ति वाली कारों को जोड़कर, एक कार में कुछ बदलाव करके उसे दूसरी कार पर जीत दिलानी थी। सवाल था—आखिर ऐसा कैसे किया जाए? इसके बारे में यहाँ विस्तार से बताया गया है।
हम चल पाते हैं और कारें रुक पाती हैं—यह सब घर्षण बल की वजह से संभव है। विज्ञान और प्रौद्योगिकी की दुनिया में घर्षण को नियंत्रित करने की तकनीक लगातार विकसित हो रही है।
कर्लिंग: बर्फ की सतह को पॉलिश करके घर्षण को बेहद कम किया जाता है।
होवरक्राफ्ट: हवा की मदद से वाहन को ऊपर उठाकर अभिलंब बल कम किया जाता है, जिससे घर्षण भी कम हो जाता है।
सुपरकंडक्टिंग मैग्लेव: चुंबकीय बल की मदद से वाहन को ऊपर उठाकर घर्षण को लगभग शून्य तक कम किया जाता है और 500 किमी/घंटा की गति हासिल की जाती है।
इस बार की चुनौती इस बात पर निर्भर थी कि हम «घर्षण को कितना कम कर सकते हैं और जड़त्व का कितना अधिक उपयोग कर सकते हैं»।
टेबलक्लॉथ खींचने में सफलता के 4 महत्वपूर्ण बिंदु
इसलिए मैंने कार्यक्रम में चॉकलेट प्लैनेट के सदस्यों को 12 मीटर लंबे कपड़े को खींचकर निकालने के लिए निम्नलिखित चार रणनीतियाँ सुझाईं।
जबरदस्त गति गतिज घर्षण बल के काम करने के समय को जितना संभव हो उतना कम करना है। अगर कपड़ा पलक झपकते ही खींच लिया जाए, तो बर्तनों को हिलने का मौका ही नहीं मिलेगा।
सिलवटें न बनने दें कपड़े में सिलवट पड़ते ही वह एक «दीवार» की तरह काम करके बर्तनों को धक्का दे सकती है। इसकी कुंजी है कि टेबलक्लॉथ को कहाँ से और किस तरह खींचा जाए।
भारी बर्तन हल्के प्लास्टिक के कप की तुलना में भारी काँच की प्लेटों में «अपनी जगह पर बने रहने की प्रवृत्ति यानी जड़त्व» अधिक होती है, इसलिए सफलता की संभावना बढ़ जाती है।
फिसलने वाला पदार्थ गतिज घर्षण गुणांक कम होने के कारण चिकने और आसानी से फिसलने वाले कपड़े का चुनाव करना बेहद जरूरी है।
इस विषय को और विस्तार से समझने के लिए यह लेख भी देखें।
गणना से निकला «200 किमी/घंटा» का लक्ष्य
तो आखिर कितनी गति की जरूरत थी? सामान्य आकार की मेज पर टेबलक्लॉथ खींचने के सफल उदाहरणों का वीडियो विश्लेषण करने पर पता चला कि लगभग «0.20 सेकंड» में कपड़ा खींच लेने पर सफलता की संभावना काफी अधिक होती है। इसे 12 मीटर की लंबाई पर लागू करके गणना करें तो आवश्यक गति 60 मीटर प्रति सेकंड निकलती है। यानी लगभग 216 किमी/घंटा!
«कपड़े को 200 किमी/घंटा की गति से खींचना होगा!»
यही इस चुनौती का अविश्वसनीय लक्ष्य बन गया। इसे संभव बनाने के लिए हमारे लिए तेज त्वरण क्षमता वाली सुपरकार, Lamborghini, तैयार की गई।
तैयारी और प्रारंभिक प्रयोग
1．रस्सी की लंबाई की गणना
सामान्य कार की त्वरण क्षमता (अधिकतम त्वरण लगभग 10 m/s² मानकर) से पीछे की ओर गणना करने पर पता चला कि 200 किमी/घंटा तक पहुँचने के लिए लगभग 151 मीटर की दौड़ की दूरी चाहिए। कुछ अतिरिक्त गुंजाइश रखते हुए हमारे लिए 200 मीटर लंबी रस्सी तैयार की गई।
2．सबसे बेहतरीन कपड़ा «Toyoflon»
घर्षण को कम करने के लिए चॉकलेट प्लैनेट के दोनों सदस्यों के लिए Toray Industries, Inc. द्वारा विकसित «Toyoflon» नामक विशेष फाइबर तैयार किया गया। यह लगभग सपने जैसा कपड़ा था, क्योंकि इसका घर्षण गुणांक बहुत कम था। हालांकि, इसकी थोड़ी अधिक भार वाली प्रकृति चिंता का विषय थी। इसका वजन खींचने की गति को कैसे प्रभावित करेगा? और क्या इसमें आसानी से सिलवटें पड़ेंगी? इसका पता केवल वास्तविक प्रयोग करके ही चल सकता था। इसके डेवलपर श्री शिबाता भी उस दिन हमारे साथ मौजूद थे।
3．प्रारंभिक प्रयोग (2 मीटर)
सबसे पहले हमने 2 मीटर लंबे Toyoflon से प्रयोग किया। गणना के अनुसार, बर्तनों के खिसकने की सैद्धांतिक दूरी केवल 0.21 सेमी थी। जब वास्तव में हमने इसे Lamborghini से खींचा तो… बर्तन केवल 3 सेमी खिसके। कोई सिलवट भी नहीं बनी और परिणाम शानदार रहा। पूरी तरह सफल!
«यह तो हो जाएगा!»
मेरे और श्री शिबाता के अलावा, टेबलक्लॉथ खींचने में माहिर जादूगर JOE・MAGIC (जोमाजी) और Takahashi Racing के श्री तनाबे भी हमारी टीम में शामिल हुए। अब हमारे पास विशेषज्ञों की पूरी टीम थी और सभी ने मिलकर पूरी ताकत लगा दी।
असल चुनौती और फिर……
आखिरकार 12 मीटर वाले प्रयोग का समय आ गया। Lamborghini ने जोरदार आवाज के साथ रफ्तार पकड़ी और टेबलक्लॉथ 200 किमी/घंटा की गति से एक झटके में खींच लिया गया। परिणाम था……
अरे! अरे! अरेरे!!! बहुत, बहुत बड़ी असफलता!!! बर्तन मेज पर टिके रहने के बजाय जोरदार तरीके से हवा में उछल गए! उस समय मैं भी जैसे पूरी तरह ढह गया और वहीं बैठ गया।
लेकिन स्टूडियो में दर्शकों का रोमांच जगाने के मामले में हमें 93 अंक मिले, जो काफी शानदार स्कोर है। अगर पूरे जापान के प्राथमिक विद्यालय के बच्चे इस प्रयोग को देखकर रोमांचित हुए हों, तो मुझे बहुत खुशी होगी।
असफलता क्यों हुई? प्रयोग से मिले डेटा ने क्या बताया
जब हमने VTR को धीमी गति से चलाकर उसका विश्लेषण किया, तो असफलता का कारण धीरे-धीरे सामने आया।
बहुत बड़ी सिलवटें बन गईं
कपड़े के दोनों किनारों से बड़ी-बड़ी «सिलवटें» पैदा हुईं। ये सिलवटें लहरों की तरह आगे बढ़ीं और बर्तनों को नीचे से ऊपर की ओर धक्का देने लगीं। परिणामस्वरूप बर्तन हवा में उछल गए। VTR को ध्यान से देखने पर ऐसा लगा कि इन सिलवटों के बनने का एक कारण कपड़े के नीचे से हवा का प्रवेश था। अंततः हमें लगा कि समस्या मेज के जोड़ और टेबलटॉप के बीच के जोड़ से संबंधित हो सकती है। हमें टेबलटॉप को और अधिक साफ-सुथरे तरीके से एकसाथ जोड़ना चाहिए था।
इसके अलावा, टेबलक्लॉथ खींचते समय सामने रखी गई छड़ को किस तरह रखा जाए, इस पर भी अधिक ध्यान देने की जरूरत थी। VTR से भी पुष्टि हुई कि यह छड़ काफी ऊँची स्थिति में थी, जिससे हवा अंदर प्रवेश कर गई थी।
इसके अलावा, तैयार किए गए बर्तन भी काफी हल्के थे। अगर बर्तनों का वजन कुछ बढ़ाकर उनका जड़त्व मजबूत किया जाता और उन्हें सिलवटों के झटके सहने लायक बनाया जाता, तो सफलता की संभावना और बढ़ सकती थी। उदाहरण के लिए, प्लेट के ऊपर सेब रखा जा सकता था या चाकू-कांटे का इस्तेमाल न किया जा सकता था।
【एक और मौका दीजिए!】
यह बेहद कठिन है, लेकिन 12 मीटर लंबे टेबलटॉप को बिना किसी जोड़ वाली एक ही बड़ी पट्टी में बनाया जा सकता है। या फिर टेबलक्लॉथ के नीचे एक और कपड़ा रखकर उसे मजबूती से स्थिर किया जा सकता है। प्रयोगों में असफलता होना स्वाभाविक है—मैं इसे एक बार फिर चुनौती देना चाहता हूँ!!
शुरुआत में मुझे लगा था कि हमें दोबारा प्रयास करने का मौका जरूर मिलेगा। लेकिन कई परिस्थितियों के कारण हम केवल एक ही बार प्रयोग कर सके और यहीं प्रयोग समाप्त हो गया। इस बात का मुझे बहुत अफसोस है। फिर भी, अगर इसे इस नजरिए से देखें कि हमें एक नया डेटा मिला, तो शायद यह एक अच्छा प्रयोग ही था।
हर दिन एक प्रयोग है।
लोकेशन पर उपलब्ध समय की वजह से हमारे पास केवल एक मौका था। दोबारा चुनौती न दे पाना बेहद निराशाजनक था, लेकिन यही वास्तविकता है।
प्रयोगों में «असफलता» जैसी कोई चीज नहीं होती। हमारे पास केवल «जो अपेक्षित था, वह नहीं हुआ» वाला डेटा होता है। 12 मीटर जैसी अज्ञात चुनौती का सामना हमने गणना और सिद्धांत के आधार पर किया, लेकिन अप्रत्याशित «सिलवटों» नामक भौतिक घटना ने हमें रोक दिया। यह अनुभव अगली सफलता की दिशा में एक ठोस कदम बनेगा। हमारी रोजमर्रा की जिंदगी भी ऐसी ही है। जब चीजें हमारी उम्मीद के मुताबिक नहीं होतीं, तब भी वह एक मूल्यवान डेटा-पॉइंट होता है। अगर मुझे फिर कभी ऐसा मौका मिला, तो इस बार मिले डेटा के आधार पर अगली बार मैं इसे जरूर सफल करके दिखाऊँगा!
अन्य बातें
कार्यक्रम का आधिकारिक पूर्व-प्रसारण वीडियो भी जारी किया गया था।
मैं खुद भी उस पूर्व-प्रसारण वीडियो में थोड़ी देर के लिए दिखाई देता हूँ।
हिरोसे सुज़ु के साथ किया गया «विद्युत प्रमाणपत्र» प्रयोग भी जरूर देखें! इसे भी देखने की सलाह देता हूँ।
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