একটি Top Fuel Dragster কীভাবে উড়ে যায় না?

একবার ভাবো: এক সেকেন্ডে চার লিটার নাইট্রোমেথেন পোড়ানো একটি ইঞ্জিন, তোমার চোখের পলক পড়ার আগেই তিনবার বয়স বাড়িয়ে দেওয়ার মতো অল্প সময়ে তোমাকে ঘণ্টায় 480 কিলোমিটারের ওপরে নিয়ে যায়। কিন্তু এই জিনিসটা মাটি থেকে ওঠে না কেন? আমি সত্যিই জিজ্ঞেস করছি। বিমানের ডানা ওজন তুলে ধরে, আর ড্র্যাগস্টারের ডানাগুলোও প্রায় একই গতিতে বাতাস কাটে। যাত্রীর আসনহীন এই রোগাঁ অস্ত্রটা কোয়ার্টার মাইল পথে আকাশে না উঠে মাটিতে লেগে থাকে কেন?

এই পৃষ্ঠায় আমরা ঠিক এই প্রশ্নের উত্তর দেব: একটি Top Fuel ড্র্যাগস্টার কেন উড়ে না? সংক্ষিপ্ত উত্তরটা ডানায় লুকিয়ে আছে, দীর্ঘ উত্তরটা পদার্থবিজ্ঞানে। চলো শুরু করি।

ডাউনফোর্স কী? বিমানের ডানার উল্টো যমজ

আগে মৌলিক ধারণাটা গুছিয়ে নিই। ডাউনফোর্স, অর্থাৎ চাপ প্রয়োগকারী বল, হলো গাড়িকে রাস্তার দিকে চাপ দেওয়া বায়ুগতীয় বল। একে ঋণাত্মক উত্তোলন বলও হয়, কারণ এটি আসলে বিমানের ডানার কাজের ঠিক বিপরীতটা করে। বিমানের ডানা ওপরের ও নিচের পৃষ্ঠের বায়ুপ্রবাহের মধ্যে চাপের পার্থক্য তৈরি করে ওপরে তোলে; ড্র্যাগস্টারের ডানা অবশ্য একই নীতিকে উল্টে দিয়ে নিচের দিকে চাপ দেয়।

আমরা এটা কেন চাই? কারণ চাপ প্রয়োগকারী বল বাড়লে টায়ারগুলো রাস্তায় আরও শক্তভাবে চাপা পড়ে, রাস্তা ধরে রাখার ক্ষমতা বাড়ে এবং উচ্চ গতিতে স্থিতিশীলতা উন্নত হয়। এভাবে ভাবো: ঝড়ো হাওয়ায় সাইকেল চালানোর আর তার ওপর দুটো টোকার বাক্স নিয়ে চালানোর মধ্যে যে পার্থক্য, ঠিক সেটাই। ওজন থাকলে চাকাগুলো মাটিতে আটকে থাকে, লাফানো কঠিন হয়। ড্র্যাগস্টারের ডানাগুলোও নাইট্রোর শক্তি রাস্তায় স্থানান্তর করতে ঠিক এটাই করে।

আর এই ব্যাপারটার সবচেয়ে সিনেমার দৃশ্যের মতো দিকটা হলো: এই বলটা ধ্রুবক নয়। বায়ুগতীয় বলগুলো প্রায় গতির বর্গের সমানুপাতে বাড়ে। অর্থাৎ গতি দ্বিগুণ করলে চাপ প্রয়োগকারী বল ও বায়ুরোধ প্রায় চারগুণ হয়ে যায়। পথের অর্ধেক পেরোলে গাড়ির ওপর আঘাত করা বাতাস শুরুতে আঘাত করা বাতাসের সঙ্গে তুলনাতীত রকমের আক্রমণাত্মক হয়ে ওঠে। বাতাসে এই বৃদ্ধি একদিকে সমস্যা, আবার সমাধানও - কেন, তা একটু পরেই দেখবে।

7,000 পাউন্ড বাতাস: ডানাগুলো আসলে কতটা চাপ দিচ্ছে?

এবার সংখ্যাগুলো দেখি, কারণ এই সংখ্যাগুলো সত্যিই পাগলাটে। Top Fuel ড্র্যাগস্টারে দুটি প্রধান বায়ুগতীয় পৃষ্ঠ থাকে এবং দুটোই ভারী কাজের জন্য ডিজাইন করা:

• সামনের ডানা: প্রায় 700 পাউন্ড (317 কেজি) চাপ প্রয়োগকারী বল তৈরি করে।
• পেছনের ডানা: 5,000 পাউন্ডের বেশি (2,270 কেজির বেশি) চাপ প্রয়োগকারী বল তৈরি করতে পারে।

অর্থাৎ দুটো ডানা একসঙ্গে, গাড়ির নিজের ওজনের অনেকগুণ বেশি বল দিয়ে এই জিনিসটাকে মাটিতে আটকে রাখছে। ভাবো যেন অদৃশ্য একটা হাতির ওপর বসে আছে। পেছনের ডানা এত বিশাল বল তৈরি করার সময় সামনের ডানা নাক উঁচু হওয়া আটকানোর ভারসাম্যরক্ষকের দায়িত্ব পালন করে। দুটো একসঙ্গে কাজ করে; একটা কমলেই ভারসাম্য এলোমেলো হয়ে যায়।

তাহলে ডানা এই বলটা কীভাবে তৈরি করে? পেছনের ডানা উল্টো করা বিমানের ডানার আকারে ডিজাইন করা হয়েছে। তার ওপর ও নিচের বায়ুপ্রবাহের মধ্যে চাপের পার্থক্য তৈরি হয় এবং এই পার্থক্য ডানাটাকে নিচের দিকে ঠেলে দেয়। সহজ কিন্তু কার্যকর - মানুষ ১০০ বছর ধরে যেই একই পদার্থবিজ্ঞান ব্যবহার করে আকাশে ভেসে থাকতে, এবার সেই পদার্থবিজ্ঞানই ব্যবহার করছে আকাশে না ওঠার জন্য।

সবকিছুর একটা মূল্য আছে: ডাউনফোর্স ও ড্র্যাগের আপস-মিট

এখানেই গল্পের আসল টানাপোড়েন শুরু হয়। বাতাস তোমাকে বিনামূল্যে কিছু দেয় না। ডাউনফোর্স তৈরি করে এমন প্রায় প্রতিটি উপাদান - উইং, স্প্লিটার, ডিফিউজার - একই সাথে বাতাসের বাধা অর্থাৎ ড্র্যাগও তৈরি করে। একটিকে বাড়ানোর চেষ্টা করলে প্রায়ই অন্যটিও বড় হয়ে যায়। এটিই অ্যারোডাইনামিক্সের সবচেয়ে মৌলিক আপস-মিট।

উইংয়ের কোণ খাড়া করার কথা ভাবো। তুমি আরও বেশি ডাউনফোর্স পাবে, দারুণ। কিন্তু উইংয়ের পেছনে বাতাসের স্রোত আরও শক্তিশালীভাবে বিচ্ছিন্ন হয় এবং আরও বেশি ড্র্যাগ তৈরি হয়। গতির বর্গের সাথে বাড়তে থাকা এই বাধা ইঞ্জিনের একটি অংশকে রাস্তায় নয়, বরং বাতাস ঠেলতে ব্যয় করতে বাধ্য করে। একটি ভালো ড্র্যাগস্টার সেটআপ মানে এই দুই শক্তির মধ্যে সেরা ভারসাম্য খুঁজে বের করার শিল্প: যথেষ্ট আঁকড়ে থাকা, কিন্তু প্রয়োজনের চেয়ে বেশি ধীর না হওয়া।

দক্ষতাও এ কারণেই লিফট-টু-ড্র্যাগ অনুপাত, অর্থাৎ ডাউনফোর্সের বাধার সাথে অনুপাত দিয়ে মাপা হয়। ড্র্যাগও এক প্রকারের নয়:

• চাপ ড্র্যাগ: গাড়ির সামনে চাপা পড়া বাতাসের সৃষ্ট বাধা; সাধারণত এটিই সবচেয়ে বড় অবদান।
• ইনডিউসড ড্র্যাগ: উইংগুলো ডাউনফোর্স তৈরির সময় পেছনে রেখে যাওয়া টার্বুলেন্সের মূল্য।
• পৃষ্ঠ ঘর্ষণ ড্র্যাগ: বাতাসের বডির পৃষ্ঠ বরাবর ঘষা লাগা থেকে সৃষ্ট, তুলনামূলক ছোট কিন্তু অনিবার্য অংশ।

ড্র্যাগস্টারদের বডি এ কারণেই এত চিকন ও লম্বা: সামনের বাতাস কাটা হয় এবং পেছনের অংশে যতটা সম্ভব কম টার্বুলেন্স রেখে যাওয়ার মতো করে এটি ডিজাইন করা হয়। এবার সেই প্রশ্নে আসার সময় হলো যেটা তোমার মনে ঘুরপাক খাচ্ছে: পেছনের উইং এত ডাউনফোর্স তৈরি করলে গাড়িটা কে উল্টে যায় না?

বিশাল উইংওয়ালা গাড়ি এগিয়ে চলার সময় উল্টে যায় না কেন?

এই পৃষ্ঠার প্রাণকেন্দ্র এখানেই। একটি যুক্তিসঙ্গত প্রশ্ন: পেছনের উইং যদি গাড়ির ওপর হাজার হাজার পাউন্ড ওজনের নিচের দিকে বল প্রয়োগ করে, তাহলে এই বল কি একই সাথে গাড়ির পেছনের অংশকে মাটিতে চাপ দেয় না, আর সামনের অংশ উঁচু করে দেয় না? তত্ত্বগতভাবে হ্যাঁ - কিন্তু সেই "তত্ত্বগতভাবে"র মূল শব্দটি হলো ভারসাম্য।

একটি গাড়ি উল্টে যায় না; চাকার ওপর সৃষ্ট মোট লোড বিতরণ উল্টে যাওয়ার মতো যথেষ্ট পরিমাণে সামনের দিকে সরে না যতক্ষণ পর্যন্ত ডাউনফোর্স ও ওজন তাকে উল্টাতে পারে না। Top Fuel ড্র্যাগস্টারগুলোতে এই ভারসাম্য তিনটি উপাদান দিয়ে রক্ষা করা হয়। প্রথমত, সামনের উইং: পেছনের উইং যতটা নিচে চাপ দেয়, সামনের উইংও সামনের অংশকে মাটির দিকে চাপ দেওয়ার শক্তি দিয়ে তার জবাব দেয়। দ্বিতীয়ত, লম্বা বডি: উইং ও সামনের চাকার মধ্যে দূরত্ব যত বেশি, পেছনের অংশের বিশাল বলের সামনের দিকে ঘূর্ণন প্রভাব তত দুর্বল হয়। তৃতীয়ত, wheelie bar: পেছনের অ্যাক্সেলের পেছনে প্রসারিত সেই ছোট চাকাওয়ালা দণ্ডটি সামনের অংশের অতিরিক্ত উঠে যাওয়ার সম্ভাবনার বিরুদ্ধে শেষ সুরক্ষা হিসেবে কাজ করে।

আরও একটা বিষয় ভুলো না: এই বলটি এক সেকেন্ডে তৈরি হয় না। উড্ডয়নের মুহূর্তে গতি এখনও কম থাকায় চাপ বলটিও খুবই ছোট। ডানাগুলোর প্রকৃত শক্তি পুরোপুরি কাজে লাগে যখন গাড়ি ইতিমধ্যে উচ্চ গতিতে পৌঁছেছে এবং মাটিতে চেপে ধরা বিশাল টায়ারগুলো উষ্ণ হয়ে গেছে। অর্থাৎ বাতাস, গাড়ির ওপর প্রযুক্ত বলের সঙ্গে ধাপে ধাপে বাড়ে - গাড়ি প্রতি মুহূর্তে এই বলের সঙ্গে অভ্যস্ত একটি ভারসাম্যের মধ্য দিয়ে এগিয়ে যায়।

সংক্ষেপে, ড্র্যাগস্টার উড়ে না, কারণ পেছনের ডানার গাড়িকে পিছনে ও নিচে টানার বলকে, সামনের ডানা, দীর্ঘ বডির জ্যামিতি এবং মাটিতে চাপ দেওয়া ওজন বণ্টন একটি ভারসাম্যে নিষ্ক্রিয় করে দেয়। বায়ুরোধ আর এই ক্ষেত্রে বন্ধুর মতো আচরণ করে: পেছনে ঠেলে দেওয়া সেই বিশাল রোধ, গাড়ির পেছনাংশ তুলে ফেলার বলকে নিরপেক্ষ করায় লুকানো এক মিত্রের মতো কাজ করে।

সেকেন্ডে 0.8: এই বলের প্রয়োজন এত বেশি কেন?

চাপ বল ছাড়া এই গাড়িগুলো আসলে কোনো অর্থই রাখে না, কারণ পৃথিবীতে এই ত্বরণ বহন করতে পারে এমন অন্য কোনো রাস্তার গ্রিপ নেই। Top Fuel ড্র্যাগস্টারগুলো বিশ্বের দ্রুততম ত্বরণসম্পন্ন রেসিং যান। 0-100 mph ত্বরণ, অর্থাৎ 0 থেকে 160 km/h পৌঁছানো, 0.8 সেকেন্ড পর্যন্ত সময়ে নেমে আসে। কোনো প্রোডাকশন স্পোর্টস কার এই ত্বরণে পৌঁছাতে তিন গুণ বেশি সময় নেয়। একটি ড্র্যাগস্টার 1,000 ফুট দূরত্ব প্রায় 3.6 সেকেন্ডে শেষ করে - উড়ন্ত একটি যুদ্ধবিমানের উড্ডয়ন ত্বরণের চেয়ে দ্রুত, এমনটাই বলে থাকেন আর অতিরঞ্জনও করেন না।

এই ত্বরণ মাটিতে স্থানান্তরিত করে অবশ্য শুধু ডানাগুলো নয়; স্লিক টায়ার, বিশাল ক্লাচ আর প্রকাণ্ড টর্ক কাজের অন্য অর্ধেক। কিন্তু ডানা না থাকলে, ইঞ্জিনের উৎপাদিত শক্তি টায়ার আকড়ে ধরতে না পারায় বৃথা ঘুরে যায়, গাড়ি হয় স্পিনিং-এ চলে যায়, নয়তো সামনের অংশ তুলে ফেলে। চাপ বল হলো ইঞ্জিন শক্তি আর অ্যাসফল্টের মাঝের মধ্যস্থতাকারী। ইঞ্জিন এক আলো থেকে আরেক আলো পর্যন্ত মাত্র প্রায় 540 ঘূর্ণন করে হাজার হাজার অশ্বক্ষমতা প্রকাশ করে, তাই সেই শক্তি হারানো ছাড়াই রাস্তার সঙ্গে যুক্ত করাই সবকিছু।

রেস শেষ হলে কী হয়? ব্রেক ও প্যারাশুট

অ্যারোডাইনামিক্সের কাজ শুধু ত্বরান্বিত করাতেই শেষ নয়। 480 km/h গতি কিছুটা ডানা দিয়ে কমানো সম্ভব: চালক গ্যাস ছেড়ে দেওয়ার মুহূর্তেই বায়ুরোধ, গতির বর্গের সঙ্গে বাড়া বল নিয়ে এক বিশাল এয়ার ব্রেকের মতো কাজ শুরু করে। কিন্তু কোয়ার্টার মাইলের শেষে গতি এখনও বেশি থাকলে কাজে নামে প্যারাশুট ব্রেক সিস্টেম। ড্র্যাগস্টার ও Funny Car-এ ব্যবহৃত প্যারাশুটগুলো প্রায় 190-250 mph গতির পরিসরে খোলার জন্য ডিজাইন করা সিস্টেম এবং নিয়ন্ত্রিত উপায়ে গাড়িকে ধীর করে।

প্যারাশুটের সঙ্গে বডির সম্পর্কও তুচ্ছ বিষয় নয়: বডির পেছনের চাপ ভারসাম্য, প্যারাশুট খোলার সময় গাড়ির স্থিতিশীলতাকে সরাসরি প্রভাবিত করে। বডির পেছনের কাঠামোগত ধারাবাহিকতা নষ্ট হলে, সেই বিন্দুর পরে অ্যারোডাইনামিক ভারসাম্যও নষ্ট হয়। এ কারণেই চেসিস, ডানা, প্যারাশুট ও বডি ডিজাইন আলাদা আলাদা নয়, বরং একটি অখণ্ডের মতো ভেবে তৈরি করা হয়। অ্যারোডাইনামিক্স রেসের শুরুতেও মঞ্চে আসে, শেষেও - একবার আলো জ্বলে, একবার প্যারাশুট খোলে এবং দুই প্রান্তেই বাতাসই শেষ কথা বলে।

ফলাফল: মাটিতে লেগে থাকা, ওড়ার চেয়েও কঠিন

তাই Top Fuel ড্র্যাগস্টার ওড়ে না: তার ডানাগুলো তাকে আকাশে তুলতে নয়, বরং মাটিতে চেপে ধরার জন্য ডিজাইন করা। উল্টো করা উইং প্রোফাইলগুলো সামনে 700 পাউন্ড, পেছনে 5,000 পাউন্ডেরও বেশি ডাউনফোর্স তৈরি করে, আর এই বলই বিশাল ইঞ্জিনের ক্ষমতাকে টায়ার ও অ্যাসফল্টের মাঝের একমাত্র সংস্পর্শ বিন্দুতে পৌঁছে দেয়। বায়ুরোধ হলো মূল্য পরিশোধিত একটি কর; কিন্তু সেই রোধই দৌড়ের শেষে প্যারাশুটের সাথে হাত মিলিয়ে গাড়িটিকেও থামিয়ে দেয়। এই তিন সেকেন্ডের ডুয়েলো আসলে মানবজাতির বায়ুর সাথে করা অন্যতম সূক্ষ্ম দর কষাকষি। পরেরবার কোনো ড্র্যাগস্টার ভিডিওতে ডানাগুলোর দিকে খেয়াল রেখো - কোন পৃষ্ঠটি কী কাজ করছে তা এখন আর তো ছাড়া অন্য কেউ দেখতে পাবে না।

তথ্যসূত্র

• NHRA 101: Top Fuel ড্র্যাগস্টারের উইংসমূহ
• NHRA Tech Talk Tuesday – উইং ও রিয়ার এন্ড
• ডাউনফোর্স বনাম ড্র্যাগ ব্যাখ্যা: বায়ুগতিবিদ্যা কীভাবে গাড়ির পারফরম্যান্সকে প্রভাবিত করে
• Top Fuel – Wikipedia
• Top Fuel ড্র্যাগ রেসিং কী – NitroVikings
• Top Fuel সম্পর্কে কিছু চমকপ্রদ তথ্য – RF Motorsport
• প্যারাশুট প্রযুক্তি চার্ট – GoodVibes Racing