વાયુગતિશાસ્ત્ર અને વૈમાનિક ઉડ્ડયન

વાયુગતિશાસ્ત્ર અને વૈમાનિક ઉડ્ડયન : તરલ યંત્રશાસ્ત્રની એક શાખા, જેમાં હવાની અને બીજા તરલ વાયુની ગતિ તેમજ આવા તરલોની સાપેક્ષ ગતિ કરતા પદાર્થો પર લાગતાં બળોનો અભ્યાસ કરવામાં આવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, હવામાં વિમાનની ગતિ, પવનચક્કીઓનો અભ્યાસ વગેરે. આમ, વાયુગતિકીમાં હવામાં થતા ઉડાણ તેમજ હવાની ગતિની ચર્ચા કરવામાં આવે છે.

વિમાન પર મૂળભૂત ચાર બળો લાગે છે : (1) તેનું વજન જે પૃથ્વીના ગુરુત્વાકર્ષણને લીધે હોય છે. (2) તેને ગતિ આપતું, ધક્કો મારતું બળ જે વિમાનનું એન્જિન આપે છે. (3) તેને ઊંચકી રાખતું બળ, જે વિમાનની પાંખોની કરામત છે. (4) વિમાનની ગતિવિરુદ્ધ લાગતું ઘર્ષણનું બળ.

હવામાં થતું ઉડાણ મુખ્યત્વે ઊર્ધ્વબળ (lift) અથવા વિમાનને લાગતા ઊર્ધ્વ ધક્કા પર આધાર રાખે છે. આ ઊર્ધ્વબળને લીધે જ વિમાન કે ઊડતાં પક્ષીઓ હવામાં અધ્ધર રહી શકે છે. વિમાનની પાંખ આગળથી સહેજ ઊંચી રાખવામાં આવે છે; જેથી પાંખની નીચેની હવા પાંખને અથડાઈને નીચેની તરફ ફેંકાય છે. વળી પાંખની ઉપરથી પસાર થતી હવા પણ પાંખ ઉપર સરકીને નીચેની દિશામાં ધક્કા સાથે ફેંકાય છે. આઇઝેક ન્યૂટનના ગતિના ત્રીજા નિયમ મુજબ કોઈ પણ ક્રિયાને  એટલી જ શક્તિવાળી પ્રતિક્રિયા વિરુદ્ધ દિશામાં હોય છે. આથી નીચેની બાજુ ધક્કા સાથે ફેંકાતી હવા વિમાનને ઊર્ધ્વબળ પૂરું પાડે છે. આ ઊર્ધ્વબળ સમજવા માટે અને બળની ગણતરી કરવા માટે બર્નૂલીનો સિદ્ધાંત પણ ઉપયોગમાં લેવામાં આવે છે.

1738માં સ્વિટ્ઝર્લૅન્ડના વિજ્ઞાની ડેનિયલ બર્નૂલીએ દર્શાવ્યું કે સ્થિર ગતિ કરતા કોઈ પણ તરલની કુલ ઊર્જા તેના પથ દરમિયાન અચળ રહેવી જોઈએ. આથી જો કોઈ તરલની ઝડપ વધારવામાં આવે તો તરલની અંદરનું દબાણ એટલા જ પ્રમાણમાં ઘટશે. વિમાનની પાંખની ઉપરની બાજુ હવાનું દબાણ નીચેની બાજુના દબાણ કરતાં ઓછું હશે. આમ થવાનું કારણ હવાની ગતિ છે.

હવામાં ગતિ કરતાં, હવાને કારણે લાગતા અવરોધને ખેંચાણ (drag) કહે છે. વિમાન જેવા યંત્ર પર લાગતો આ અવરોધ ખાળવા માટે વિશિષ્ટ પ્રકારનાં પ્રોપેલર (propellers) બનાવવામાં આવ્યાં છે. ઉપરાંત જેટ એન્જિન પ્રચંડ શક્તિવાળાં બનાવાયાં છે. આ અવરોધને ઘણા પ્રમાણમાં ઓછો કરવા માટે વિમાનના આકારને પણ આજનું સ્વરૂપ આપવામાં આવ્યું છે. જો આમ ન કરવામાં આવે તો વિમાનની ગતિના વર્ગના પ્રમાણમાં વિમાનને હવાનો અવરોધ નડે.

સુપરસૉનિક એ વાયુગતિકીની અગત્યની શાખા છે; જ્યાં માધ્યમમાં અવાજની ગતિ કરતાં પણ વધુ ઝડપથી ગતિ કરતા પદાર્થોનો અભ્યાસ કરવામાં આવે છે. વાતાવરણમાં અવાજની ઝડપ દબાણ, તાપમાન અને ભેજ પર આધાર રાખે છે. સમુદ્રસપાટી પર અવાજ લગભગ 1190 કિમી./કલાક ઝડપ ધરાવે છે. સુપરસૉનિક વિમાનની ઝડપ મૅક (Mach) નંબર વડે દર્શાવવામાં આવે છે જેથી વિમાન વાતાવરણની જે પરિસ્થિતિમાંથી પસાર થાય છે તેનો તાગ પણ મળી શકે. મૅક નંબર એટલે વાતાવરણની કોઈ ચોક્કસ પરિસ્થિતિમાં વિમાનની ઝડપ અને વાતાવરણની તે જ પરિસ્થિતિમાં અવાજની ઝડપનો ગુણોત્તર. આમ દરિયાની સપાટી પર લગભગ 1200 કિમી./કલાકની ઝડપને મૅક નંબર 1 અથવા M-1 વડે દર્શાવાય. આ જ ઝડપને સ્ટ્રૅટોસ્ફિયરમાં M-1.16 વડે દર્શાવવી પડે.

M-0.85થી નીચેની ઝડપને સબસૉનિક ઝડપ કહી શકાય. M-0.85 થી M-1.3 વચ્ચેની ઝડપ ટ્રાન્સૉનિક તરીકે ઓળખાય છે.

ઉપર્યુક્ત દરેક પ્રકારની ગતિને અનુરૂપ વિમાનની પાંખોને ખૂણો આપવો પડે છે, જેથી હવાનાં અવરોધક મોજાં(shock waves)ને ન્યૂનતમ કરી શકાય.

જિતેન્દ્ર જટાશંકર રાવલ, ચેતન લિંબાચિયા