वातावरणामधील हवेचा दाब

आपल्या आजूबाजूला चहूकडे हवा पसरलेली असते, पण ती संपूर्णपणे पारदर्शक असल्यामुळे आपल्या डोळ्यांना दिसत नाही. तिला रंग, गंध किंवा चंवसुध्दा नसते. त्यामुळे डोळे, नाक, कान, जीभ आणि त्वचा या आपल्या बाह्य ज्ञानेंद्रियांना तिच्या अस्तित्वाचे ज्ञान होत नाही. पण या हवेला पंख्याने जरासे हलवलेले मात्र आपल्या त्वचेला लगेच समजते, हवेतले धूलिकण हलतांना दिसतात, हवेमधून गंध पसरतो आणि घ्राणेंद्रियांना तो लगेच समजतो, जोरात वारा आला तर त्याचा आवाज कानाला ऐकू येतो. श्वासोच्छ्वास करतांना किंवा फुंकर मारतांना तर आपल्याला हवेचे अस्तित्व जाणवते आणि ती श्वासाला कमी पडली तर लगेच आपला जीव कासावीस होतो. अशा प्रकारे ङवा आपल्या चांगल्या ओळखीची असते.

ही अदृष्य हवा वजनाने इतकी हलकी असते की वजनाच्या काट्यावर उभे राहून आपण दीर्घ श्वास घेतला आणि पूर्णपणे बाहेर सोडला तरी तो काटा तसूभरही जागचा हलत नाही. पण हवेलाही अत्यंत कमी असले तरी निश्चितपणे वजन असतेच. आपल्या वजनापेक्षाही जास्त भरेल इतके मोठे हवेचे ओझे आपण सतत आपल्या डोक्यावर आणि खांद्यावर वहात असतो आणि आपल्या अंगावर सतत सर्व बाजूंनी त्याचा दाब पडत असतो यावर मात्र कदाचित आपला विश्वास बसणार नाही.

जमीनीपाशी तर सगळीकडे हवा असतेच, या हवेत उंच उडणारे पक्षी आणि त्यांच्यापेक्षाही उंचावरील आभाळात वा-याबरोबर पुढे पुढे सरकणारे ढग दिसतात. आकाशात अमूक उंचीपर्यंत हवा पसरलेली आहे आणि तिच्यापुढे ती अजीबात नाही अशी स्पष्ट सीमारेषा नसते. जसजसे जमीनीपासून दूर जाऊ तसतशी ती अतीशय हळू हळू विरळ होत जाते. यामुळे ती आकाशात कुठपर्यंत पसरली आहे हे नजरेला दिसत नाही. मग जमीनीवरली हवा ढगांच्या पलीकडल्या अथांग आकाशात पार सूर्यचंद्र, ग्रहतारे यांच्यापर्यंत पसरलेली असते का? कदाचित नसेल असा विचार प्राचीन काळातल्या विचारवंतांच्या मनातसुध्दा आला असणार. कदाचित म्हणूनच या विश्वाची रचना ज्या पंचमहाभूतांमधून झाली आहे असे मानले जात होते त्यात पृथ्वी, आप (पाणी), तेज यांच्यासोबत वायू (हवा) आणि आकाश अशी दोन वेगळी तत्वे त्यांनी सांगितली होती.

सतराव्या शतकातले कांही पाश्चात्य संशोधक पाण्याच्या प्रवाहावर संशोधन करत होते. ते काम करतांना त्यांना हवेच्या दाबाचा शोध लागला अशी यातली एक गंमतच आहे. त्या काळातल्या युरोपमध्ये कांही शास्त्रज्ञांनी खोल विहिरींमधून पाणी उपसायचे पंप तयार केले होते, धातूंच्या नलिकांमधून (पाइपांमधून) पाणी इकडून तिकडे वाहून नेले जात होते आणि त्यात कांही जागी एकादा उंचवटा पार करून जाण्यासाठी वक्रनलिकेचा (सायफनचा) उपयोगसुध्दा केला जात होता. त्या काळात हवेचा दाब ही संकल्पनाच कुणालाही माहीत नव्हती आणि गुरुत्वाकर्षणाचे नियमही अजून सांगितले गेले नव्हते. हे पंप किंवा वक्रनलिका भौतिकशास्त्राच्या कोणत्या नियमांनुसार काम करत असतील याची  स्पष्ट कल्पना त्यांचा उपयोग करणा-यांनाही नव्हतीच. पण अनेक प्रयोग करून पाहतांना त्यातला एकादा सफल झाला, त्याचा उपयोग करून घेतला, त्या अनुभवावरून आणखी प्रयोग केले, त्यातला एकादा यशस्वी झाला किंवा त्या प्रयोगामधून योगायोगाने नवीन माहिती प्राप्त झाली, नवीन कल्पना सुचली अशा पध्दतीने हळू हळू माणसांच्या ज्ञानात वाढ होत होती, तसेच त्यांचे काम सोपे होत होते. विज्ञानाच्या क्षेत्रात त्या काळापर्यंत झालेली बरीचशी प्रगति अशा प्रकारे झाली होती.
   
पाणी उपसण्याच्या पंपांवर काम करत असलेल्या काही शास्त्रज्ञांना असा अनुभव आला की सुमारे दहा मीटर खोल विहिरींमधले पाणी  कितीही जोर लावला तरी कांही केल्या वरपर्यंत येऊन पोचतच नाही. तसेच दहा मीटर उंचवटा पार करून जाणा-या वक्रनलिकेमधून पाणी वहात पुढे जातच नाही. अशा प्रकारच्या तांत्रिक तक्रारी त्या काळातले श्रेष्ठ इटॅलियन शास्त्रज्ञ गॅलिलिओ यांच्याकडे आल्या. त्यांनाही लगेच या कोड्याचे उत्तर मिळाले नाही, पण इव्हाँजेलिस्ता तॉरिचेली (Evangelista Torricelli (Italian: [evandʒeˈlista torriˈtʃɛlli]) या नावाचे त्यांचे एक हुषार सहकारी होते त्यांनी मात्र या अनुभवांवर खोलवर विचार करून त्याचे उत्तर शोधण्याचा प्रयत्न केला.

आपण हाताने एकादी दोरी धरून ओढू शकतो तसे पाण्याला आपल्याकडे ओढता येत नाही. मग पंपाने तरी ते नळीमधून वरच्या बाजूला कां खेचले जावे असा प्रश्न तॉरिचेलीला पडला. पाण्याला ओढून वर काढणे शक्य नसेल तर कोणीतरी त्याला खालून वर ढकलत असले पाहिजे असा सयुक्तिक तर्क त्याने केला. तॉरिचेलीच्या काळातलाच पास्कल नावाच्या फ्रेंच शास्त्रज्ञ द्रवरूप किंवा वायुरूप अशा प्रवाही पदार्थांमधील (फ्लुइड्समधील) दाब या विषयावर संशोधन करीत होता. विहिरीच्या पाण्यावर जी हवा असते ती हवा जर तिच्या वजनाइतका दाब पाण्यावर देत असली तर त्यामुळे पाण्यामध्ये सर्व दिशांनी दाब निर्माण होईल आणि त्यात बुचकळलेल्या नळीमधले पाणी त्या दाबामुळे वर उचलले जाईल असा रास्त विचार तॉरिचेलीने केला. पाणी उचलले जाण्याला दहा मीटर्सची मर्यादा कशामुळे येत असेल हा जो मूळ प्रश्न होता, त्याचे कारण हवेचा पाण्यावरला दाब फक्त इतकाच मर्यादित असेल असे उत्तर त्याला मिळाले.  पण त्याला सुचलेल्या या विचाराची खातरजमा करून घेणे अत्यंत आवश्यक होते.

तॉरिचेलीने एक लांबलचक सरळ नळी घेऊन ती पाण्याने पूर्णपणे भरली आणि तिला दोन्ही बाजूंनी झाकणे लावून बंद केली, एका लहानशा उघड्या टाकीत पाणी भरून त्या नळीला त्यात उभे केले आणि हळूच त्या नळीच्या तळातले झाकण उघडले. त्यासरशी त्या नळीमधले थोडे पाणी खाली असलेल्या टाकीमध्ये उतरलेले दिसले पण बाकीचे पाणी उभ्या नळीतच राहिले. नळीमध्ये उरलेल्या पाण्याच्या स्तंभाची उंची सुमारे दहा मीटर्स भरली. यावरून त्याने असा निष्कर्ष काढला की दहा मीटर उंच पाण्याचा स्तंभ खालच्या टाकीमधल्या पाण्यावर जेवढा दाब देईल तेवढाच हवेचा दाब पाण्यावर पडत असला पाहिजे. पण दहा बारा मीटर इतकी लांब नळी त्याच्या घरात मावत नसल्यामुळे ती छपराच्या वर जात होती आणि वातावरणातल्या हवेचा दाब कमी जास्त होत असल्यामुळे तिच्यातले पाणी खाली वर होतांना दिसत होते. हा माणूस कांही जादूटोणा चेटुक वगैरे करत असल्याची शंका त्याच्या शेजा-यांना आली. त्यामुळे त्याने हा प्रयोग थांबवला.

हवेच्या दाबाच्या अस्तित्वाबद्दल तॉरिचेलीची खात्री पटली होती. आपण सगळेजण हवेने भरलेल्या एका विशाल महासागराच्या तळाशी रहात आहोत असे त्याने एका पत्रात लिहून ठेवले होते. समुद्राच्या तळाशी गेल्यावर जसा पाण्याचा प्रचंड दाब शरीरावर पडतो तसाच हवेचा दाब आपल्यावर सतत पडत असतो असे त्याने सांगितले. त्या काळातल्या इतर शास्त्रज्ञांना ती अफलातून कल्पना पटायची नाही. आपले सांगणे प्रात्यक्षिकामधून सिध्द करून दाखवण्यासाठी तॉरिचेलीने एक वेगळा प्रयोग केला. त्याने पाण्याच्या तेरापट जड असलेला पारा हा द्रव एक मीटर लांब कांचेच्या नळीत भरून ती नळी पारा भरलेल्या पात्रात उभी करून धरली. त्याच्या अपेक्षेप्रमाणे नळीमधला पारा खाली येऊन सुमारे पाऊण मीटर (७६ सेंटीमीटर) उंचीवर स्थिरावला. पाऊण मीटर पा-याच्या स्तंभाचे वजन दहा मीटर पाण्याच्या स्तंभाइतकेच असते.  तॉरिचेलीने तयार केलेला हा जगातला पहिला वायुभारमापक (बॅरोमीटर) होता. नळीमधला पा-याच्या वर असलेला भाग पूर्णपणे रिकामा होता, बाहेरची हवा तिथे जाण्याची शक्यता नव्हती. अशी निर्वात पोकळी (व्हॅक्यूम) हा सुध्दा त्या काळात एक नवा शोध होता. अशी पोकळी असू शकते याची कोणी कल्पना करू शकत नव्हता. तत्कालिन शास्त्रज्ञांना ते सत्य पटवून देण्याठी पास्कल या फ्रेंच शास्त्रज्ञाला बरेच प्रयोग आणि प्रयत्न करावे लागले. पृथ्वीवर तॉरिचेलीने त्याच्या बॅरोमीटरमध्ये निर्वात पोकळी निर्माण केली होती या गोष्टीची आठवण ठेऊन निर्वात पोकळीमधील दाबाचे मोजमाप करण्यासाठी तॉरिचेलीच्या सन्मानार्थ टॉर हे युनिट धरले जाते.

समुद्रसपाटीवर प्रत्येक एक वर्ग सेंटिमीटर इतक्या लहानशा क्षेत्रफळावर उभ्या असलेल्या कांही किलोमीटर उंच अशा हवेच्या स्तंभाचे सरासरी वजन सुमारे एक किलोग्रॅम (1.01 Kg/sq.cm) इतके असते. म्हणजेच सुमारे ७६ सेंटीमीटर पारा किंवा १० मीटर पाणी यांना तोलून धरण्यासाठी १०१ किलोपास्कल 101 kN/m2 (kPa) म्हणजेच 10.1 N/cm2 इतका  हवेचा दाब लागतो असे गणितातून सिध्द होते. जर्मनीमधील मॅग्डेबर्ग या शहराचा नगराध्यक्ष असलेल्या ओटो व्हॉन गेरिक या शास्त्रज्ञाने हवेचा दाब किती शक्तीशाली असतो आणि त्याने तयार केलेला व्हॅक्यूम पंप किती चांगले काम करतो हे प्रत्यक्ष प्रमाणाने दाखवण्यासाठी एक अजब प्रयोग केला. त्याने तांब्याचे दोन मोठे अर्धगोल तयार करून त्यांना एकमेकांमध्ये बसवले आणि त्यांना फक्त ग्रीज लावून सील केले. त्यानंतर त्या गोलाकार डब्यामधली शक्य तितकी हवा व्हॅक्यूम पंपाद्वारे बाहेर काढून टाकली. बाहेरील वातावरणामधल्या हवेच्या दाबामुळे ते अर्धगोल इतके घट्ट बसले की दोन्ही बाजूला जुंपलेल्या अनेक घोड्यांनी ओढूनसुध्दा ते एकमेकापासून वेगळे झाले नाहीत. त्या अर्धगोलांना लावलेली झडप उघडताच बाहेरील हवा आत शिरली आणि ते सहजपणे वेगळे झाले. हे अर्धगोल आणि हा प्रयोग मॅगेडेबर्गच्या नावानेच प्रसिध्द आहे.

आपल्या शरीरावरसुध्दा बाहेरच्या हवेचा इतका मोठा हवेचा दाब पडत असतोच, पण ज्या प्रमाणे पाण्यात बुडवलेल्या वस्तूला पाणी उचलून धरत असते असे आर्किमिडीजने सांगितले होते त्याप्रमाणे हवासुध्दा आपल्याला वर उचलतही असते. शरीराच्या अंतर्गत भागांमधल्या पोकळ्यांमधली हवा बाह्य वातावरणाशी संलग्न असल्यामुळे शरीराच्या आतल्या इंद्रियांमध्ये सुध्दा तेवढाच दाब असतो. तो आपल्या इंद्रियांना आणि कातडीला आतून बाहेर ढकलत असतो. यामुळे आपल्याला वातावरणातल्या हवेचा दाब एरवी जाणवत नाही. पण विमानात किंवा कांही प्रयोगशाळांमध्ये हवेच्या दाबाचे मुद्दाम नियंत्रण केले जाते. तिथे आपल्या कानाच्या पडद्यांना तो फरक लगेच जाणवतो.

पुढील काळात निरनिराळ्या संशोधकांनी हवेचा दाब मोजण्यासाठी पा-याच्या वायुभारमापकाशिवाय इतर प्रकारची अनेक सोयिस्कर उपकरणे तयार केली आणि निरनिराळ्या वेळी निरनिराळ्या जागी हवेचा दाब मोजून पाहिला. वातावरणाचा अभ्यास करण्याचे ते एक मुख्य साधन झाले. समुद्रसपाटीला हवेचा सर्वात जास्त दाब असतो आणि जसजसे आपण उंचावर जाऊ तसतसे त्या ठिकाणाच्या वर असलेल्या हवेचा थर पातळ होत जातो आणि त्या जागी वातावरणामधील हवेचा दाब कमी कमी होत जातो. हिमालयातल्या उंच पर्वतशिखरांवर तो खूपच कमी असतो. तिथे जाणा-या गिर्यारोहकांना श्वास घेतांना पुरेशी हवा न मिळाल्यामुळे धाप लागते. त्यांना हवेचा विरळपणा प्रत्यक्षात जाणवत होताच. तिथल्या हवेचा दाब मोजून तो किती कमी आहे हे पहाण्याचे एक साधन मिळाले. समुद्रसपाटीपासून पर्वतशिखरापर्यंत कुठल्याही ठिकाणच्या हवेचा दाब नेहमीच स्थिरसुध्दा नसतो. तिथल्या तपमानात होत असलेल्या बदलांमुळे हवा आकुंचन किंवा प्रसरण पावते आणि त्यातून तिथल्या हवेचा दाब कमी जास्त होत असतो. त्यामुळे ज्या ठिकाणी हवेचा दाब जास्त असेल तिथली हवा कमी दाब असलेल्या भागाकडे वाहू लागते. याचा सखोल अभ्यास केल्यावर वारे नेहमी ठराविक दिशेने कां वाहतात हे समजले. हवेच्या दाबाच्या अभ्यासावरूनच वादळांची पूर्वसूचना मिळू लागली.

मोटारींच्या किंवा कारखान्यातल्या स्वयंचलित इंजिनांना हवेची आवश्यकता असते, तसेच विमान हवेने उचलून धरल्यामुळेच हवेत उडते. हवेला दाब असतो हे सिध्द झाल्यानंतर आणि तो मोजण्याची साधने उपलब्ध झाल्यानंतर विज्ञान आणि तंत्रज्ञानाची अनेक नवी दालने उघडली.