टेस्ला के उड़ने वाले रोडस्टर के पीछे का विज्ञान

एलॉन मस्क द्वारा पेश किए गए टेस्ला के रोडस्टर 2 प्रोटोटाइप के हवा में उड़ने, दीवार पर चलने और कम समय में तेज गति पकड़ने के पीछे भौतिकी के नियम काम करते हैं।

हाल ही में एलॉन मस्क ने टेस्ला के बहुप्रतीक्षित रोडस्टर 2 का नया प्रोटोटाइप दुनिया के सामने पेश किया है, जिसमें कई हैरान करने वाली खूबियां दी गई हैं। यह कार कुछ सेकंड के लिए हवा में उड़ सकती है, साथ ही यह वर्टिकल दीवार पर चढ़ने और कंपनी के अन्य सभी वाहनों के ऊपर से छलांग लगाने जैसे अनोखे कारनामा भी कर सकती है।

इन प्रदर्शनों को देखने के बाद मुख्य रूप से दो सवाल खड़े होते हैं। पहला सवाल यह है कि क्या इंसानों को दीवारों पर गाड़ी चलाने या हवा में उड़ने की अनुमति दी जानी चाहिए? दो-dimensional सड़कों पर वाहन चलाने में पहले से ही आ रही दिक्कतों को देखते हुए इसका जवाब ना होना चाहिए। हालांकि, यह फैसला वकीलों और फेडरल एविएशन एडमिनिस्ट्रेशन को करना है। दूसरा सवाल यह है कि रोडस्टर 2 प्रोटोटाइप ने इन कारनामों को कैसे अंजाम दिया? इसका जवाब भौतिकी यानी फिजिक्स के जरिए मिल सकता है।

इस बात से शुरुआत करते हैं कि कैसे यह कार एक सर्कुलर रैम्प पर चढ़कर स्पाइडर-मैन की तरह उल्टी होकर उस पर टिकी रही। हालांकि इस तरह का खतरनाक स्टंट आम जिंदगी में करने की सलाह नहीं दी जाती है, लेकिन रोडस्टर 2 की यह तकनीक सामान्य सड़कों पर भी कार के प्रदर्शन को बेहतर बना सकती है। इसका सीधा संबंध घर्षण यानी फ्रिक्शन से जुड़ा हुआ है।

जब दो सतहें आपस में मिलती हैं—जैसे रबर के टायर और सड़क—तो उनके बीच एक ऐसा बल काम करता है जो दोनों सतहों को एक-दूसरे पर फिसलने से रोकता है। इस संपर्क को स्टैटिक फ्रिक्शन कहा जाता है। हमारे पास इस स्टैटिक फ्रिक्शन फोर्स के लिए एक सरल मॉडल है, जहां इसका मैग्निट्यूड (Ff) इस बात पर निर्भर करता है कि दोनों सतहों को आपस में कितनी जोर से दबाया जा रहा है (FN) और वे दोनों सतहें किस सामग्री की बनी हैं (μ)।

सतहों को आपस में दबाने वाले बल को अक्सर नॉर्मल फोर्स कहा जाता है, क्योंकि यह दोनों सतहों के लंबवत यानी परपेंडिकुलर होता है। स्टैटिक फ्रिक्शन का कॉफिशिएंट (μ) मिलने वाली सामग्री के प्रकार को बताता है। फ्रिक्शन का व्यावहारिक अधिकतम कॉफिशिएंट 1 होता है, और रबर तथा डामर के लिए यह मान लगभग 0.6 के आसपास होता है। यहां ≤ चिह्न का उपयोग इसलिए किया जाता है क्योंकि स्टैटिक फ्रिक्शन एक कंस्ट्रेंट फोर्स है, जो फिसलने से रोकने के लिए आवश्यक बल प्रदान करता है।

मान लीजिए कि कोई सामान्य कार किसी ढलान पर चढ़ने की कोशिश करती है। यहाँ तीन महत्वपूर्ण बल काम करते हैं: फ्रिक्शन, नॉर्मल फोर्स और गुरुत्वाकर्षण यानी ग्रेविटी। जैसे-जैसे ढलान का कोण (θ) बढ़ता जाता है, गुरुत्वाकर्षण बल (mg) का वह घटक कम होता जाता है जो सतह के लंबवत दिशा में काम करता है। इसका मतलब यह है कि नॉर्मल फोर्स (FN) भी कम हो जाता है, और साथ ही अधिकतम फ्रिक्शन फोर्स भी घट जाता है। यदि यह फ्रिक्शन फोर्स ढलान पर नीचे खींचने वाले गुरुत्वाकर्षण बल के घटक से कम हो जाता है, तो कार फिसलने लगेगी। 0.6 के कॉफिशिएंट के साथ, यह अधिकतम कोण लगभग 31 डिग्री होता है। यह वर्टिकल नहीं है और न ही इसके करीब है। यदि फ्रिक्शन का कॉफिशिएंट 0.9 भी हो जाए, तब भी अधिकतम ढलान केवल 42 डिग्री तक ही पहुंच पाती है।

तो फिर कोई कार सीधी वर्टिकल दीवार पर कैसे चढ़ सकती है? इसका सीधा जवाब नॉर्मल फोर्स को बढ़ाना है, जिससे फ्रिक्शन फोर्स भी स्वतः बढ़ जाता है। किसी वर्टिकल दीवार पर गाड़ी को फिसलने से रोकने के लिए यह फ्रिक्शन फोर्स गुरुत्वाकर्षण बल के बराबर होना चाहिए। यहीं पर रोडस्टर 2 अपने पहले कमाल का इस्तेमाल करती है। यह कार के नीचे से हवा बाहर खींचने के लिए फैंस का उपयोग करती है। साइड फ्लैप्स के साथ मिलकर यह तकनीक कार के नीचे एयर प्रेशर को काफी कम कर देती है, ठीक वैसे ही जैसे वैक्यूम क्लीनर काम करता है।

यदि हम अनुमान लगाएं कि दीवार पर टिके रहने के लिए रोडस्टर 2 के नीचे कितने प्रेशर की आवश्यकता होगी, तो कंपनी के मुताबिक इस कार का टारगेट वजन 1,700 किलोग्राम है। इसके संपर्क क्षेत्र को लगभग 2 वर्ग मीटर माना जा सकता है। हम जानते हैं कि F = P × A होता है, जहां P प्रेशर है और A एरिया है। बाहरी वायुमंडलीय दबाव लगभग 105 न्यूटन प्रति वर्ग मीटर होता है। इन आंकड़ों की गणना करने पर नीचे का प्रेशर वायुमंडलीय दबाव का 86 प्रतिशत आता है, जो पूरी तरह से व्यावहारिक लगता है। चूंकि नीचे का सील पूरी तरह से परफेक्ट नहीं है, इसलिए फैंस को लगातार हवा खींचते रहना होगा।

उल्टी दिशा में चलने वाला रोडस्टर 2 भले ही एक आकर्षक बिक्री का पैंतरा लगे, लेकिन यह सक्शन तकनीक तब बहुत काम आती है जब कार सीधी सड़क पर दौड़ रही होती है। फ्रिक्शन फोर्स ही वह ताकत है जो कार को तेजी से आगे बढ़ाती है। अधिक फ्रिक्शन फोर्स मिलने का मतलब है बेहतर परफॉर्मेंस। कार को नीचे की ओर दबाने से आप तेजी से एक्सीलरेट कर सकते हैं, कम समय में ब्रेक लगा सकते हैं और तीखे मोड़ आसानी से काट सकते हैं। परफॉर्मेंस कार निर्माता दशकों से इस सिद्धांत का उपयोग कर रहे हैं, हालांकि टेस्ला के नए प्रोटोटाइप जितना भारी बदलाव पहले नहीं देखा गया था।

रोडस्टर 2 एक सेकंड से भी कम समय में 0 से 60 मील प्रति घंटे की रफ्तार पकड़ने का दावा करती है। पारंपरिक कारों के लिए यह मुमकिन नहीं है। चूंकि एक सामान्य कार आगे बढ़ने के लिए टायरों और सड़क के बीच के फ्रिक्शन फोर्स का इस्तेमाल करती है, इसलिए वह फ्रिक्शन के कॉफिशिएंट से बंधे होने के कारण सीमित रहती है। 0.6 के उचित कॉफिशिएंट के साथ, अधिकतम प्रदर्शन 4.56 सेकंड में 0 से 60 मील प्रति घंटे की रफ्तार तक पहुंच सकता है। बेशक, आप बेहतर टायर लगा सकते हैं और तेज गति पर हवा के जरिए फ्रिक्शन फोर्स को थोड़ा बढ़ा सकते हैं, लेकिन फिर भी आप एक सेकंड में 60 की रफ्तार नहीं छू सकते हैं।

अपनी इस अद्भुत गति के लिए रोडस्टर 2 एक अन्य प्रकार के बल पर निर्भर करती है, जो पीछे से निकलने वाली संपीडित हवा यानी कॉम्प्रैसड एयर है। रॉकेट इसी सिद्धांत पर काम करते हैं। चूंकि हम में से अधिकांश लोगों के पास रॉकेट उपलब्ध नहीं हैं, इसलिए इसे एक साधारण खिलौना कार के उदाहरण से समझा जा सकता है जो फूले हुए गुब्बारे से आगे बढ़ती है।

गुब्बारे को छोड़ने पर खिंचा हुआ रबर हवा को बाहर धकेलता है। चूंकि इस हवा में द्रव्यमान होता है, इसलिए इसे शून्य से इसकी निकास गति तक लाने के लिए एक बल की आवश्यकता होती है। बल हमेशा दो चीजों के बीच की परस्पर क्रिया होती है। जब गुब्बारे की दीवारें हवा को धकेलती हैं, तो हवा भी विपरीत दिशा में उतने ही बल से धक्का देती है, जो न्यूटन के तीसरे नियम का एक उदाहरण है। गुब्बारे पर लगने वाला यही प्रतिक्रिया बल खिलौना कार को आगे बढ़ाता है। गुब्बारे के बजाय रोडस्टर 2 में कॉम्प्रैसड एयर का टैंक लगा होता है।

अब बात करते हैं उड़ने वाली कार की क्षमता की। रोडस्टर 2 जमीन से ऊपर उठने के लिए इसी कॉम्प्रैसड एयर विधि का उपयोग करती है। हालांकि इसे 'उड़ना' कहना थोड़ा बढ़ा-चढ़ाकर कहना होगा, खासकर इसलिए क्योंकि टैंक का दबाव कम होने से यह केवल कुछ सेकंड तक ही थ्रस्ट दे पाती है। कम दबाव होने पर हवा कम गति और कम थ्रस्ट के साथ बाहर निकलती है। यदि हमारे पास उड़ने वाली कार हो, तो उम्मीद की जाती है कि वह कम से कम 10 मिनट तक हवा में रह सके।

इसके अलावा दूसरी समस्या एक्सीलरेशन की है। चूंकि रॉकेट बहुत कम समय के लिए काम करते हैं, इसलिए गति में बदलाव लाने और ट्रक या अन्य बाधाओं को पार करने के लिए उन्हें अत्यधिक बल की आवश्यकता होती है। लेकिन जब भारी बल लगता है, तो एक्सीलरेशन भी बहुत अधिक होता है, और अत्यधिक एक्सीलरेशन इंसानों के शरीर के लिए नुकसानदायक हो सकता है। वीडियो विश्लेषण के माध्यम से इस एक्सीलरेशन का अनुमान लगाया जा सकता है। वीडियो में टेस्ला सेमी ट्रक को पार करते समय कार की स्थिति को ट्रैक किया गया है। चूंकि ट्रक की ऊंचाई लगभग 4 मीटर है, इसलिए समय के साथ कार की स्थिति का सटीक हिसाब लगाया जा सकता है।

गति की शुरुआत में कार का वर्टिकल वेग शून्य होता है और फिर यह ऊपर की ओर एक्सीलरेट होती है। यदि इस छलांग के दौरान एक्सीलरेशन को स्थिर मान लिया जाए, तो पोजीशन और टाइम का डेटा एक परवलय यानी पैराबोला के आकार का होना चाहिए। इस डेटा पर एक क्वाड्रेटिक फंक्शन फिट करने से एक्सीलरेशन का पता चलता है। इस विशिष्ट गति के लिए, वर्टिकल एक्सीलरेशन का अनुमान लगभग 98 मीटर प्रति सेकंड स्क्वायर लगाया गया है, जो इंसानों के लिए लगभग 10 जी के बराबर है। यह केवल एक अनुमान है। इंसान थोड़े समय के लिए इस स्तर के बल को सहन कर सकते हैं, लेकिन यह अनुभव सुखद नहीं होगा और इसके अपने जोखिम हैं। शायद यही वजह रही होगी कि इस विशेष डेमो में गाड़ी के स्टीयरिंग के पीछे एक रोबोट को बैठाया गया था।

इसका आप पर असर
रोडस्टर 2 की यह तकनीक भविष्य की इलेक्ट्रिक सुपरकारों और उच्च-प्रदर्शन वाले वाहनों के डिजाइन को नया आकार दे सकती है।

• वाहन सुरक्षा: भारत में: अत्यधिक उच्च गति और हवा में उड़ने वाली तकनीक से जुड़े कड़े नियम सड़क सुरक्षा मानकों को प्रभावित कर सकते हैं।
• ऑटोमोबाइल उद्योग: वैश्विक स्तर पर: कार निर्माता वाहन नियंत्रण और कॉर्नरिंग प्रदर्शन को बेहतर बनाने के लिए डाउनफोर्स और सक्शन तकनीकों पर अधिक शोध कर सकते हैं।
• उपभोक्ता लागत: बाजार में: इस स्तर की उन्नत तकनीक और एयरोस्पेस इंजीनियरिंग के उपयोग से भविष्य की परफॉर्मेंस कारों की कीमतें काफी बढ़ सकती हैं।
• कानूनी मानक: नियामक स्तर पर: फ्लाइंग कारों और वर्टिकल ड्राइविंग के व्यावसायिक उपयोग से पहले नए विमानन और सड़क यातायात कानून बनाए जा सकते हैं।

ऐसा क्यों हुआ
रोडस्टर 2 के इन अजीबोगरीब कारनामों के पीछे पारंपरिक ऑटोमोटिव सीमाओं को पार करने और अत्यधिक प्रदर्शन हासिल करने की इंजीनियरिंग सोच काम करती है। पहियों और सड़क के बीच का प्राकृतिक घर्षण एक सीमा तक ही गति दे सकता है, जिससे उबरने के लिए नए भौतिकी सिद्धांतों का सहारा लिया गया है।

• टायरों की सीमाएं: भौतिक कारक: पारंपरिक रबर और डामर के बीच का स्टैटिक फ्रिक्शन गुणांक लगभग 0.6 तक सीमित होता है, जो एक सेकंड में 0 से 60 मील की रफ्तार हासिल करने से रोकता है।
• वैक्यूम दबाव: तकनीकी समाधान: वर्टिकल दीवारों पर टिकने के लिए कार के नीचे के एयर प्रेशर को कृत्रिम रूप से कम करना पड़ता है, जिसके लिए शक्तिशाली फैंस का उपयोग किया जाता है।
• रॉकेट सिद्धांत: प्रणोदन प्रणाली: पारंपरिक पहिया ग्रिप से परे जाकर त्वरित गति और छलांग लगाने के लिए उच्च दबाव वाली कॉम्प्रैसड एयर का उपयोग किया जाता है।

सवाल-जवाब

1. रोडस्टर 2 कितनी देर तक हवा में उड़ सकती है?
रोडस्टर 2 के टैंक में मौजूद दबाव और सीमित थ्रस्ट के कारण यह केवल कुछ सेकंड के लिए ही हवा में उड़ सकती है।

2. कार को वर्टिकल दीवार पर चिपकाए रखने के लिए क्या तकनीक इस्तेमाल की जाती है?
कार अपने नीचे की हवा को बाहर खींचने के लिए फैंस और साइड फ्लैप्स का उपयोग करती है, जिससे वैक्यूम जैसा कम दबाव बनता है।

3. रोडस्टर 2 का लक्ष्य वजन कितना है?
कंपनी के अनुसार रोडस्टर 2 प्रोटोटाइप का टारगेट वजन लगभग 1,700 किलोग्राम है।

4. रोडस्टर 2 0 से 60 मील प्रति घंटे की रफ्तार कितने समय में पकड़ सकती है?
यह कार एक सेकंड से भी कम समय में 0 से 60 मील प्रति घंटे की रफ्तार पकड़ने का दावा करती है।

5. इस प्रोटोटाइप डेमो के दौरान कार को किसने चलाया था?
इस विशेष डेमो के दौरान सुरक्षा कारणों से वाहन के स्टीयरिंग के पीछे एक रोबोट को बैठाया गया था।

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