हम हवा के समंदर की तलहटी में रहते हैं! प्लास्टिक की बोतल का प्रयोग खोलता है वायुदाब का राज़ (वयस्कों के लिए हाई स्कूल भौतिकी की दोबारा पढ़ाई)
मैं हूँ साइंस ट्रेनर कुवाको केन। मेरे लिए हर दिन एक प्रयोग है!
अचानक एक सवाल: क्या अभी आपके हाथ के पास कोई पेंसिल है? अगर है, तो चलिए एक छोटा-सा प्रयोग करते हैं। पेंसिल को दोनों सिरों से दोनों हाथों की तर्जनी उँगलियों के बीच पकड़िए और धीरे-धीरे दबाइए। अब बताइए, किस उँगली में ज़्यादा दर्द हो रहा है, दाईं या बाईं?
“बलों का संतुलन” और “क्रिया-प्रतिक्रिया का नियम” के हिसाब से तो दोनों उँगलियों पर बिल्कुल बराबर बल लग रहा है। फिर भी जिस उँगली पर पेंसिल की नुकीली नोक टिकी है, उसमें कहीं ज़्यादा “आऊच!” वाला दर्द होता है। बल तो बराबर है, फिर महसूस करने में इतना फ़र्क़ क्यों? इसके पीछे छिपा है एक जादुई-सा विचार, जो हमारी रोज़मर्रा की ज़िंदगी से लेकर पूरे ब्रह्मांड की बनावट तक पर राज करता है। उसका नाम है दाब (प्रेशर)।
दाब का सूत्र: बल का असर और क्षेत्रफल का रिश्ता
जवाब बहुत सीधा है: क्योंकि पूरा बल एक बहुत छोटे-से क्षेत्रफल पर सिमट आता है। बल का असर ठीक से तुलना करने के लिए क्षेत्रफल को बराबर मानकर देखना पड़ता है। इसी ज़रूरत से जन्म हुआ दाब की अवधारणा का। दाब यानी 1 वर्ग मीटर पर लगने वाले बल का परिमाण।
P = F/S
(दाब = बल ÷ वह क्षेत्रफल जिस पर बल लग रहा है)
दाब की इकाई है Pa (पास्कल)। चलिए, अभी वाली पेंसिल पर इसे हिसाब लगाकर देखते हैं। मान लीजिए उँगली से लगाया गया बल 0.1N है (लगभग 10 ग्राम वज़न के बराबर), और अब क्षेत्रफल की तुलना करते हैं।
बाईं उँगली (समतल हिस्सा: 0.5cm^2):
P_बायाँ = 20,000 Pa
दाईं उँगली (नुकीली नोक: 0.01cm2):
P_दायाँ = 100,000 Pa
यानी दाईं उँगली पर बाईं के मुक़ाबले पूरे 50 गुना दाब पड़ रहा है! अब “आऊच!” निकलना बिल्कुल जायज़ लगता है, है ना?
हम हैं “हवा के समंदर” की तलहटी में रहने वाली गहरे समुद्र की मछलियाँ!?
अब ज़रा बड़े पैमाने के “दाब” की बात करें। हम सब धरती को घेरने वाले 150 किलोमीटर से भी मोटे वायुमंडल की तली में डूबे हुए जी रहे हैं। जैसे समंदर की गहराई में गहरे समुद्र की मछलियाँ रहती हैं, वैसे ही हम हैं “गहरे वायुमंडल के प्राणी”! हमारे सिर के ऊपर नाइट्रोजन और ऑक्सीजन जैसे हवा के कण पूरे 150 किलोमीटर तक एक-के-ऊपर-एक लदे हुए हैं। हर कण हल्का है, लेकिन जब इतने सारे इकट्ठा हो जाएँ तो वज़न ज़बरदस्त हो जाता है। इसी वज़न से पैदा होने वाला दाब है वायुदाब (वायुमंडलीय दाब)। ज़मीन पर औसत वायुदाब लगभग 1,000hPa (हेक्टोपास्कल) होता है।
“हेक्टो” का मतलब है 100 गुना, यानी यह 100,000Pa के बराबर है। मतलब हर 1 वर्ग मीटर पर 1 लाख N (लगभग 10 टन!) का बल लद रहा है। 1 लाख N सुनकर शायद कुछ समझ न आए।
दूध के पैकेट से समझें (1 किलो ≈ 10N): मान लीजिए आप लेटे हैं और आपके शरीर पर दूध के 10,000 पैकेट रखे हुए हैं। सोचकर ही दम घुटने लगता है, लेकिन हम अपने शरीर के भीतर से बराबर ज़ोर से पलटकर धक्का देते रहते हैं, और इसी तरह इस विशाल दाब के साथ संतुलन बनाए रखते हैं।
वायुदाब की ताक़त हमारी सोच से कहीं ज़्यादा है। इसके दम पर तो एक पतली शीट से मेज़ तक उठाई जा सकती है!
अदृश्य “हवा की ताक़त” को अपनी आँखों से देखने वाला प्रयोग
“इतने ज़ोर से हमें दबाया जा रहा है? यक़ीन नहीं होता!” अगर आप भी ऐसा सोच रहे हैं, तो यह प्रयोग आज़माइए। एक खाली प्लास्टिक की बोतल में थोड़ा-सा खौलता पानी डालिए और हिलाइए, ताकि अंदर भाप भर जाए। फिर पानी फेंककर तुरंत ढक्कन कसकर बंद कर दीजिए और बोतल को वैसे ही रख दीजिए। करीब एक मिनट बाद… बोतल अचानक कड़-कड़ की आवाज़ करती हुई बुरी तरह पिचकने लगेगी!
वजह यह है कि बोतल के अंदर की भाप ठंडी होकर वापस पानी बन गई और अंदर लगभग निर्वात जैसी स्थिति हो गई। नतीजा: बोतल बाहर के वायुदाब (1 लाख Pa) को सह नहीं पाई और पिचक गई। यानी वायुदाब किसी अदृश्य राक्षस जितनी ताक़त रखता है!
पहाड़ की चोटी पर चिप्स का पैकेट क्यों फूल जाता है?
वायुदाब सिर्फ़ ऊपर से नहीं, हर दिशा से हमें दबाता है। हवा और पानी जैसे “तरल पदार्थ” को कहीं भी ज़रा-सी जगह मिल जाए तो वे वहाँ घुस जाते हैं और दीवारों को धकेलने लगते हैं। क्या आपने कभी पहाड़ चढ़ते समय देखा है कि साथ ले गए स्नैक्स का पैकेट गुब्बारे की तरह तन गया है?
ज़मीन (1,000hPa) पर बंद किए गए पैकेट की हवा जब कम वायुदाब वाली पहाड़ की चोटी (मान लीजिए 970hPa) पर पहुँचती है, तो बाहर से दबाने वाला बल कम पड़ जाता है और अंदर से धकेलने वाला बल जीत जाता है। बस, यही वजह है कि पैकेट फूल जाता है।
जब मैं राष्ट्रीय खगोलीय वेधशाला “नोबेयामा” गया था, तो चिप्स का पैकेट भी साथ ले गया था। टोक्यो और नोबेयामा में पैकेट की हालत की तुलना करने पर…
साफ़ दिखा कि नोबेयामा में पैकेट कहीं ज़्यादा फूला हुआ था।
यह तस्वीर समुद्र तल से 2237 मीटर ऊँचे उत्तरी यात्सुगातके के त्सुबोनिवा में ले जाने पर पैकेट की हालत की है।
दाब घटने की बात हो गई। अब उलटा देखें, यानी जब दाब बढ़ता है तब क्या होता है। इबाराकी प्रीफेक्चर नेचर म्यूज़ियम की एक प्रदर्शनी इसके लिए बहुत मज़ेदार थी, इसलिए उसे भी यहाँ दिखा रहा हूँ। इसमें कप नूडल्स का डिब्बा धीरे-धीरे सिकुड़ता जाता है।
सिर्फ़ 200 मीटर की गहराई (-200m) पर ही वह सिकुड़ चुका है।
“उत्प्लावन बल” की असलियत: पानी के दाब की टीम-वर्क
आख़िर में, नहाते या तैरते समय महसूस होने वाले उत्प्लावन बल (उछाल) का राज़ भी खोल देते हैं। लोग अक्सर इसे “पानी में उतरते ही शरीर हल्का कर देने वाली रहस्यमयी ताक़त” समझते हैं, लेकिन असल में यह भी दाब के अंतर से ही पैदा होता है। पानी में जितना नीचे जाएँ, ऊपर पानी की मात्रा उतनी बढ़ती जाती है, इसलिए जल-दाब भी बढ़ता जाता है। हिसाब लगाएँ तो सिर्फ़ 10 मीटर नीचे जाने पर ही उतना दाब जुड़ जाता है जितना 150 किलोमीटर मोटी हवा बनाती है, यानी 1,000hPa। इससे अंदाज़ा लगता है कि पानी कितना घना है!
अब पानी में रखी किसी वस्तु के बारे में सोचिए। वस्तु की “ऊपरी सतह” को दबाने वाला जल-दाब हमेशा गहराई में स्थित “निचली सतह” को ऊपर की ओर धकेलने वाले दाब से कम होता है। अगल-बगल से लगने वाले बल एक-दूसरे को काट देते हैं, लेकिन ऊपर-नीचे का अंतर ऊपर की ओर लगने वाले बल के रूप में बच जाता है। बस, यही है उत्प्लावन बल की असलियत। यह कोई जादुई ताक़त नहीं, बल्कि आसपास के पानी के सब मिलकर वस्तु को ऊपर धकेलने से बना “जल-दाब का परिणामी बल” है।
हवा और पानी हमें इतने आम लगते हैं कि हम उन पर ध्यान ही नहीं देते। लेकिन उनके भीतर “क्षेत्रफल” और “बल” के मेल से बनी हैरान कर देने वाली, गतिशील भौतिकी की दुनिया छिपी है। अगली बार जब आप पेंसिल थामें या चिप्स का पैकेट खोलें, तो इस अदृश्य “दाब” को ज़रा याद कर लीजिएगा।
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