जलावरोधक रंगाचा लेप दिलेल्या पृष्ठभागांबरोबर तरल पदार्थांची परस्परक्रिया

^{अन्स्प्लाशच्या सौजन्याने युवराज सिंग यांनी घेतलेले छायाचित्र}

जे पदार्थ, सहजपणे प्रवाहित होऊ शकतात त्यांना तरल पदार्थ (फ्लुइड) असे म्हणतात. तरल पदार्थ द्रवरूप तसेच वायरूपही असू शकतात. भौतिकशास्त्रज्ञ गणिती नियमांच्या आधारे तरल पदार्थांच्या गतीशिलतेचा अभ्यास बऱ्याच काळापासून करत आहेत. कधीकधी, तरल पदार्थाच्या गतीचा निश्चित अंदाज बांधता येतो तर कधी त्यांचे वर्तन कुठच्याही गणिती नियमांना न जुमानता अगदीच अनिश्चित होत असते. तरल पदार्थांची अशा प्रकारची अनिश्चितता आणि शास्त्रज्ञांनाही बुचकळ्यात टाकणारी गतिशीलता, हवाई प्रवास आणि हवामान यासारख्या अगदी सर्वतोपरी भिन्न गोष्टींवरसुद्धा परिणाम करते, परंतु आजघडीला याबाबतीतले भौतिकी ज्ञान खूपच कमी प्रमाणात उपलब्ध आहे.

घन पृष्ठभाग आणि तरल पदार्थ यांच्या परस्परक्रियेमध्ये, घर्षण किंवा पृष्ठभागांमधील परस्परविरोधाची अत्यंत महत्त्वपूर्ण भूमिका आहे. नुकत्याच झालेल्या अभ्यासानुसार, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई (आयआयटी बॉम्बे) च्या संशोधकांनी तरल पदार्थ-रोधक पदार्थांपासून बनविलेल्या घन पृष्ठभागामध्ये बदल केल्याने तरल पदार्थांचा प्रवाह कसा बदलला जातो याचा अभ्यास केला आहे. हा अभ्यास जर्नल ऑफ फ्लुइड मेकॅनिक्स (Journal of Fluid Mechanics) या नियतकालिकात प्रकाशित झाला होता.

प्रस्तुत शोधनिबंधात संशोधकांनी उंच, उभे व पारदर्शक सिलिंडर असलेल्या चौकोनी आकाराच्या बोगद्यात पाण्याच्या हालचालींचा अभ्यास केला. त्यांनी सिलिंडरवर जलरोधक पदार्थांचा लेप दिला ज्यामुळे पृष्ठभागावर पाणी हळुवारपणे किंवा अलगदपणे सरकत होते. या अभ्यासाचे एक लेखक, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई येथील प्रा.

अतुल शर्मा म्हणतात, “या रचनेमुळे पृष्ठभागावर येणारा द्रवपदार्थ सहजपणे घसरू शकतो.”

^{शोधकांनी वापरलेल्या प्रयोगरचनेचे वर्णन करणारीयोजना रेखाकृती. [छायाचित्र श्रेयः डॉ. पी. सूरज, या अभ्यासाचे लेखक (डीओआय: https://doi.org/10.1017/jfm.2020.371), यांत्रिक अभियांत्रिकी विभाग, भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई)}

संशोधकांनी प्रयोगासाठी तयार केलेल्या बोगद्यातून वाहणाऱ्या पाण्यामध्ये काचेचे छोटे छोटे कण सोडले. आणि नंतर पाण्याच्या प्रवाहात त्या कणांची गतिशीलता तपासली. या प्रयोगाच्या रचनेवर लेसर किरणांचा प्रकाशझोत टाकून, त्यांनी या काचेच्या कणांना कॅमेर्‍यात टिपले आणि जलप्रवाहाच्या विविध गुणधर्मांचा अभ्यास करण्यासाठी या कणांची स्थिती आणि वेळ यांची निरीक्षणे घेतली. वेगानुरूप प्रवाह कसा बदलतो- प्रवाह स्थिर होता की नाही, दर काही सेकंदात त्याच्या वर्तनात पुनरावृत्ती होत होती का? की प्रवाह अस्थिर आणि अनिश्चित होता या आणि अशा मुद्द्यांचा अभ्यास करण्यासाठी त्यांनी प्राप्त निरीक्षणांचे विश्लेषण केले. या प्रयोगादरम्यान त्यांच्या लक्षात आले की जेव्हा त्यांनी बोगद्यातील पाण्याची गती ताशी १८ मीटरवरून ताशी १.८ किलोमीटरपर्यंत वाढवली तेव्हा सुरवातीला कमी वेग असताना प्रवाह स्थिर होता थोड्या अवधीनंतर तो अस्थिर झाला आणि सरतेशेवटी जेव्हा सर्वात जास्त वेग होता तेव्हा अनिश्चित झाला.

संशोधकांनी सिलिंडरच्या मागील भागावर, म्हणजेच जिथून पाणी वाहून गेले होते, तिथे लक्ष केंद्रित केले. जेव्हा प्रवाहाची गती कमी होती तेव्हा, पाणी सिलिंडरच्या पुढील आणि मागील भागाभोवती पसरले गेले. परंतु जसजसा प्रवाहाचा वेग वाढवला, तसतसे फक्त पुढच्या बाजूस पाणी वाहू लागले. “आणि, संपूर्ण पृष्ठभागावर न पसरता सिलिंडरच्या पाठीमागच्या बाजूस पाण्याचा प्रवाह खुंटला.” असे प्रा. शर्मा म्हणाले. सिलिंडरच्या या भागात, पाण्याचा वेग त्याच्या बोगद्यात प्रवेश करताना असलेल्या वेगापेक्षा कमी असलेला त्यांना आढळला. या अभ्यासातील आणखी एक लेखक प्रा. अमित अग्रवाल सांगतात, “ही घटना फेरीबोटीच्या मागील बाजूस ज्याप्रकारे जलप्रवाह आपणास दिसतो त्याचप्रमाणे घडताना दिसते.”

नदीच्या मध्यभागी असलेला माणूस पाण्याच्या प्रवाहामुळे जसा पुढे ढकलला जातो, त्याचप्रकारे पाण्याच्या प्रवाहामुळे घन सिलिंडर पुढे ओढला जातो. संशोधकांना असे आढळले की सिलिंडरवरील पाण्याची ओढ कमी करण्यासाठी जलरोधक लेपन पुरेसे होते, जणू संपूर्ण सिलिंडर जलरोधनाचे कार्य करत होता. प्रवाहाचा वेग जर कमी असेल आणि प्रवाह स्थिर असेल तर रोधनाचा प्रभाव जास्त स्पष्टपणे जाणवला. या प्रयोगात, जलरोधक लेप न दिलेल्या पृष्ठभागाच्या तुलनेत लेप दिलेल्या सिलिंडरच्या प्रवाहात ओढले जाण्याच्या प्रमाणात १५ टक्क्यांनी घट झालेली आढळली.

“अशाप्रकारे प्रथमच पृष्ठभागाच्या पोताचा प्रकार आणि त्याचे प्रवाहावर होणारे परिणाम यांचा विचार मांडला गेला आहे, तो आमच्या कामातून.” याविषयावरील मागील अभ्यासातील मर्यादा स्पष्ट करताना प्रा. शर्मा म्हणतात.

मते, मागील अभ्यासात द्रवपदार्थांचे प्रवाह सिलिंडरच्या अंतर्गत भागामध्ये कसे वाहतात याचा अभ्यास केला गेला होता किंवा इतर दुसऱ्या काही शोधप्रकल्पांमध्ये सिलिंडरच्या बाह्यपृष्ठभागाला मागे टाकून वाहणाऱ्या प्रवाहांचा अभ्यास केलेला दिसतो, परंतु ते अभ्यासप्रकल्प थेट प्रयोगांऐवजी संगणकावर संख्यात्मक अनुरुपण करण्यावर अवलंबून होते.

जलरोधक लेपनामुळे जणूकाही पाणी घन पदार्थाच्या पृष्ठभागावरून उसळल्यासारखे दिसते. काचेच्या छोट्या कणांचे अवरोधन झाल्यानंतर ते संपूर्ण पृष्ठभागावर कोलांट्या उड्या मारल्यासारखे फिरतात, संशोधकांच्या मते याचे परिणाम अतिशय सुरस असू शकतात. उदाहरणार्थ, जर कारच्या विंडशील्ड्सवर अशा पेंटचे लेपन केले गेले तर काचेवर पडणारा पाऊस टप्पा पडून निघून तर जाईलच परंतु जाताजाता बरोबर धुलीकण सुद्धा वाहून घेऊन जाईल, ज्यामुळे वाइपरची गरज उरणार नाही. तसेच, भरपूर वारा असलेल्या प्रदेशात प्रवास करणाऱ्या वाहनांना पृष्ठभाग आणि हवेच्या दरम्यानच्या ओढ बसण्यावर मात करण्यासाठी अधिक इंधनाची गरज लागते. जलरोधक पदार्थांचे लेपन केलेल्या वाहनांच्या प्रवासात अथवा आगेकूच करण्याच्या हालचाली मधे होणाऱ्या बदलांविषयी प्रा.

अग्रवाल म्हणतात, “आमच्या प्रयोगातील निरीक्षणांच्या आधारे आम्ही हे खात्रीलायक सांगू शकतो की पाणी तसेच हवेच्या प्रवाहाविरुद्ध प्रवास करणाऱ्या विविध वाहनांच्या इंधन वापरामध्ये महत्वपूर्ण कपात होऊ शकते.”