फवार्‍याचे गुपित

द्रवाच्या सूक्ष्म थेंबाचे फवारे कुठे कुठे वापरले जावेत? स्प्रे पेंटिंग, कीटकनाशकांची फवारणी, वाहनांच्या इंजिनला इंधन पुरवण्यासाठी  आणि अगदी स्वयंपाकातसुद्धा  द्रवाच्या सूक्ष्म थेंबाचे फवारे वापरले जातात. पण हे फवारे निर्माण कसे होत असावेत? नळीच्या तोंडातून अतिजलद वेगाने द्रव पातळ पृष्ठभागाच्या रूपात निघते. मग ते पसरते आणि अॅटमायझेशन नावाच्या प्रक्रियेने त्याचे विभाजन होऊन सूक्ष्म थेंब निर्माण होतात. भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील प्राध्यापक महेश तिरूमकुडुलू आणि त्यांची विद्यार्थिनी कु. नयनिका मजुमदार ह्यांनी पृष्ठभाग पातळ झाल्यामुळे विभाजन होत असल्याचे प्रायोगिक पुरावे सादर केले आहेत. २०१३ साली ह्याच संशोधकांनी थेंब निर्मितीच्या पारंपारिक स्पष्टीकरणाला आव्हान देणारा सिद्धांत प्रस्तुत केला होता. नवीन पुराव्यामुळे त्या सिद्धांताला पाठबळ प्राप्त झाले आहे.

द्रवाचा एकसारख्या जाडीचा हलणारा पृष्ठभाग सभोवतालच्या हवेमुळे फडफडत असल्याचा सिद्धान्त १९५३ साली ब्रिटिश एरोस्पेस अभियंता हर्बर्ट स्क्वायर ह्यांनी मांडला होता. सभोवतालच्या हवेमुळे द्रवाच्या गुळगुळीत पृष्ठभागाचा  भंग होऊन त्याचे विभाजन सूक्ष्म थेंबात होते. ही प्रक्रिया वार्‍यामुळे फडफडणार्‍या झेंड्यासारखीच असते. पन्नास वर्षापेक्षा अधिक काळ फडफडणार्‍या झेंड्याचे स्पष्टीकरण सर्वत्र मान्य होते. मात्र, या अभ्यासाच्या संशोधकांनी स्क्वायरच्या संकल्पनेत सुधारणा प्रस्तावित केली आहे.

अभ्यासाचे प्रमुख प्राध्यापक महेश एस. तिरुमकुडुलू तपशिलात बोलताना म्हणाले, "स्क्वायर ह्यांचा सिद्धान्त एकसारख्या जाडीच्या पृष्ठभागांसाठी जरी बरोबर असला, तरी नळीच्या तोंडातून बाहेर  येणार्‍या द्रवाच्या  पातळ होणाऱ्या पृष्ठभागासाठी त्यात सुधारणा करणे आवश्यक आहे. आमच्या संशोधकांनी २०१३ साली सिद्धांतात सुधार करण्याबाबत  विचार मांडला होता. द्रवाचा पृष्ठभाग आणि हवा ह्यांच्या अंतरक्रियेमुळे फडफड होत असल्याचे सात दशकांसाठी मानले जात होते. आमच्या प्रयोगाच्या निष्कर्षामुळे ही परिकल्पना पूर्णतः बदलली असून पृष्ठभाग पातळ झाल्यामुळेच फडफड होत असल्याचे पहिल्यांदाच सिद्ध झाले आहे." पूर्वी मांडलेल्या सिद्धांतासाठी प्राप्त झालेला हा नवीन प्रायोगिक पुरावा 'फिझिकल रिव्यु लेटर्स'' ह्या नामांकित मासिकात प्रकाशित झाला आहे.

संशोधकांनी द्रवाचे पृष्ठभाग निर्माण करणार्‍या तोटीच्या मुखाशी एक तरंग निर्माण केला. पाण्याच्या नळीचे टोक वर खाली हलवल्यावर तयार होतात त्याप्रमाणे तोटीच्या मुखात निर्माण केलेल्या हालचालीमुळे पाण्याच्या पृष्ठभागावर तरंग निर्माण होतात. तरंग पृष्ठभागाच्या पातळ भागात पोहचला की त्याची गती कमी होते व आयाम म्हणजे ऊंची वाढते असे संशोधकांना आढळून आले. उंचीत वाढ झाल्यामुळे द्रवाच्या पृष्ठभागाचा गुळगुळीतपणा भंग होतो.

वरील प्रक्रियेमुळे संशोधकांना लक्षात आले की सभोवतालच्या हवेचा फडफडण्यावर प्रभाव पडत नाही. प्राध्यापक तिरुमकुडुलू स्पष्टीकरण देताना म्हणाले, "प्रस्तावित प्रक्रिया निर्वात स्थितीत देखील घडते. आम्ही हवेचा दाब बदलून प्रयोग केला आणि फडफडण्यावर त्याचा काहीच प्रभाव पडला नाही."

ते पुढे म्हणतात, "आमच्या प्रयोगात असे दिसून आले की द्रवाच्या प्रवाहाचा दर एकसारखा नसतो, उपकरणात सूक्ष्म कंपन निर्माण होते ज्यामुळे प्रणालीत कुठले तरी व्यत्यय उपस्थित असतातच . ह्या व्यत्ययांमुळे नळीच्या तोंडाशी तरंग निर्माण होतात, जे पुढे पसरून पृष्ठभागाचे विघटन करतात. निर्वात ठिकाणी पण द्रवाच्या पृष्ठभागाचे विघटन का होते ह्याचे उत्तर स्क्वायर यांचा सिद्धान्त देऊ शकत नव्हता, मात्र संशोधकांच्या सिद्धांताचे  स्पष्टीकरण हवेच्या अस्तित्वावर अवलंबून नाही व ते अधिक अचूक आहे.

विशिष्ट कामासाठी विशिष्ट आकाराचे थेंब आवश्यक असतात. द्रवाचा वेग वाढवून सभोवतालच्या हवेचा प्रभाव विफल करण्यासाठी विशेष तोटींची रचना केल्याने थेंबांचे हवे ते आकार प्राप्त होतात. नवीन सिद्धांताप्रमाणे तोटीच्या मुखातले व्यत्यय नियंत्रित करून थेंबाच्या आकाराचा आधीच अंदाज लावता येतो. ह्या क्षमतेमुळे विविध आकाराचे थेंब निर्माण करणार्‍या कार्यक्षम तोटीची रचना करणे शक्य होईल.

संशोधनाच्या भविष्यातील दिशेबद्दल बोलताना प्राध्यापक तिरुमकुडुलू म्हणाले, "एका नियमित प्रवाह दरात केवळ कंपनाची वारंवारिता आणि आयाम बदलून विविध आकाराचे थेंब निर्माण करणार्‍या 'सक्रीय तोटीची' रचना करायचे प्रयत्न आम्ही करत आहोत."