জেট ইঞ্জিন কিভাবে কাজ করে? জানুন সহজ ব্যাখ্যায়

কীভাবে একটি বিশাল ধাতব যন্ত্র মাধ্যাকর্ষণকে জয় করে আকাশে ভেসে থাকে তার পেছনের পদার্থবিজ্ঞান ও প্রকৌশল

আকাশ জয়ের স্বপ্ন

আজ থেকে মাত্র একশো বছর আগেও আকাশে ওড়া ছিল মানুষের কাল্পনিক স্বপ্ন। গ্রিক পুরাণের ইকারাসের গল্প কিংবা লিওনার্দো দা ভিঞ্চির পাখির ডানার নকশা – সবকিছুই আকাশ জয়ের সেই চিরন্তন আকাঙ্ক্ষার প্রমাণ। কিন্তু আজ প্রতিদিন শুধু যুক্তরাষ্ট্রেই প্রায় এক লক্ষ বিমান আকাশে উড়ছে। রাইট ভ্রাতৃদ্বয় ১৯০৩ সালে প্রথম উড্ডয়ন যন্ত্র তৈরি করতে সফল হয়েছিলেন – তাঁরা এই দৃশ্য দেখলে নিশ্চয় অবাক হতেন।

বিমান আসলে মানব সভ্যতার অন্যতম শ্রেষ্ঠ আবিষ্কার। কিন্তু এত বিশাল একটি ধাতব যন্ত্র কীভাবে আকাশে ভাসতে পারে? ইঞ্জিন, ডানা আর বাতাসের মধ্যে কী রহস্যময় খেলা চলে যা একে মাধ্যাকর্ষণের বিরুদ্ধে টিকিয়ে রাখে? চলুন, এই বিস্ময়কর বিজ্ঞানের গভীরে ঢুকে দেখি।

বিমান ওড়ে কীভাবে?

ইঞ্জিন নয়, ডানাই আসল নায়ক

অনেকেই মনে করেন, বিমানের শক্তিশালী জেট ইঞ্জিনই একে আকাশে তুলে ধরে। আসলে তা নয়। ইঞ্জিনের কাজ হলো বিমানকে দ্রুতগতিতে সামনের দিকে ঠেলে দেওয়া। আর সেই গতির ফলে বিমানের ডানার ওপর দিয়ে বাতাস প্রচণ্ড বেগে প্রবাহিত হয় — এবং সেই প্রবাহিত বাতাসই ডানাকে ওপরের দিকে তুলে ধরে। এই ঊর্ধ্বমুখী শক্তির নাম লিফট (Lift)।

সহজ কথায়: ইঞ্জিন বিমানকে এগিয়ে নিয়ে যায়, আর ডানা তাকে ওপরে তুলে রাখে।

এটি নিউটনের তৃতীয় সূত্রের প্রত্যক্ষ প্রয়োগ – ক্রিয়া ও প্রতিক্রিয়া। বিমানের ইঞ্জিন পেছনের দিকে গরম গ্যাস নিক্ষেপ করে, ফলে বিমান সামনের দিকে ধাবিত হয়। একইভাবে, ডানা বাতাসকে নিচের দিকে ঠেলে দেয়, এবং বিমান ওপরের দিকে ওঠে।

চারটি মূল শক্তি

বিমান উড়ার সময় চারটি প্রধান শক্তি কাজ করে:

১. লিফট (Lift) – ডানা থেকে সৃষ্ট ঊর্ধ্বমুখী শক্তি
২. ওজন (Weight) – মাধ্যাকর্ষণজনিত নিম্নমুখী শক্তি
৩. থ্রাস্ট (Thrust) – ইঞ্জিন থেকে সৃষ্ট সামনের দিকে ধাক্কা
৪. ড্র্যাগ (Drag) – বাতাসের বাধা বা প্রতিরোধ

সমতল উড্ডয়নের সময় লিফট ও ওজন সমান থাকে, এবং থ্রাস্ট ও ড্র্যাগও সমান থাকে। কিন্তু টেক-অফের সময় থ্রাস্ট ড্র্যাগের চেয়ে বেশি হয়, ফলে বিমান দ্রুততর হয় এবং আরও বেশি লিফট উৎপন্ন করে, যা বিমানকে আকাশে তুলে নিয়ে যায়।

ডানা কীভাবে লিফট তৈরি করে?

চাপের পার্থক্য এবং বায়ুপ্রবাহ

বিমানের ডানার আকৃতিকে বলা হয় এয়ারফয়েল (Airfoil)। সাধারণত এর ওপরের পৃষ্ঠ বাঁকা এবং নিচের পৃষ্ঠ তুলনামূলকভাবে সমতল। যখন বিমান দ্রুতগতিতে সামনে এগিয়ে যায়, তখন বাতাস ডানার দুই পাশ দিয়ে প্রবাহিত হয়।

ডানার বাঁকা ওপরের পৃষ্ঠ বাতাসকে বক্রপথে প্রবাহিত হতে বাধ্য করে। এর ফলে ডানার ঠিক ওপরে বায়ুচাপ কমে যায় (স্বাভাবিক বায়ুমণ্ডলীয় চাপের চেয়ে কম)। একই সময়ে, ডানার নিচের বাতাসও সামান্য বাঁকা পথে প্রবাহিত হয়, কিন্তু সেখানে চাপ বৃদ্ধি পায়। এই চাপের পার্থক্যই ডানাকে ওপরে ঠেলে দেয় অর্থাৎ লিফট সৃষ্টি হয়।

ডাউনওয়াশ এবং নিউটনের সূত্র

লিফট বোঝার আরেকটি গুরুত্বপূর্ণ দিক হলো ডাউনওয়াশ (Downwash) – অর্থাৎ বাতাসকে নিচের দিকে ঠেলে দেওয়া। হেলিকপ্টার যেমন তার রোটর দিয়ে বাতাসকে নিচে ঠেলে নিজেকে ওপরে তোলে, বিমানের ডানাও তেমনি বাতাসকে নিচের দিকে পাঠিয়ে দেয়। নিউটনের তৃতীয় সূত্র অনুসারে, বাতাস যদি নিচে যায়, তবে বিমান ওপরে উঠবে।

ডানার কোণ (যাকে বলে অ্যাঙ্গেল অব অ্যাটাক) যত বেশি হবে, ততো বেশি বাতাস নিচে ঠেলা যাবে এবং ততো বেশি লিফট পাওয়া যাবে একটি নির্দিষ্ট সীমা পর্যন্ত। যদি কোণ খুব বেশি হয়ে যায় (সাধারণত প্রায় ১৫ ডিগ্রি), তবে বাতাস আর মসৃণভাবে ডানার ওপর দিয়ে প্রবাহিত হতে পারে না এটিকে বলে স্টল (Stall), এবং লিফট হঠাৎ কমে যায়।

বার্নুলির সূত্রের ভুল ব্যাখ্যা

অনেক পাঠ্যপুস্তকে বলা হয় যে ডানার ওপরের বাতাস বেশি দূরত্ব অতিক্রম করতে দ্রুত চলে, এবং বার্নুলির সূত্র অনুযায়ী দ্রুত বাতাসের চাপ কম, তাই লিফট সৃষ্টি হয়। এই ব্যাখ্যা আংশিকভাবে সত্য হলেও সম্পূর্ণ সঠিক নয়।

আসলে, ওপরের এবং নিচের বাতাসের গতি সমান হওয়ার কোনো বাধ্যবাধকতা নেই। বাস্তবে, ডানার ওপরের বাতাস নিচের বাতাসের চেয়ে অনেক দ্রুত চলে এবং সেটা শুধুমাত্র দূরত্বের কারণে নয়, বরং চাপ পার্থক্যের কারণে। তাই লিফটের আসল ব্যাখ্যা হলো চাপের পার্থক্য এবং বায়ুপ্রবাহের দিক পরিবর্তন উভয়ের সমন্বয়।

ক্যামব্রিজ বিশ্ববিদ্যালয়ের অধ্যাপক হলগার বাবিনস্কি বলেছেন: “জনপ্রিয় ব্যাখ্যাটি দ্রুত, যৌক্তিক এবং সঠিক উত্তর দেয় কিন্তু এটি ভুল ধারণা সৃষ্টি করে এবং অসামঞ্জস্যপূর্ণ যুক্তি ব্যবহার করে।”

জেট ইঞ্জিনের ইতিহাস ও বিবর্তন

প্রাচীন স্বপ্ন থেকে বাস্তবে

বিমান উড়ার স্বপ্ন হাজার বছরের পুরোনো। কিন্তু আধুনিক বিমানের শক্তির উৎস জেট ইঞ্জিন তৈরি হয়েছে মাত্র গত শতাব্দীতে।

১৭৩১ সালে ইংরেজ প্রকৌশলী জন বার্বার প্রথম গ্যাস টারবাইনের ধারণা দেন। তাঁর ডিজাইনে ইতিমধ্যে কম্প্রেসর, দহন কক্ষ এবং টারবাইন ছিল তবে তৎকালীন প্রযুক্তি যথেষ্ট শক্তিশালী ছিল না।

১৯৩০-এর দশকে ব্রিটিশ প্রকৌশলী স্যার ফ্র্যাঙ্ক হুইটল এবং জার্মান বিজ্ঞানী হ্যান্স ফন ওহাইন স্বাধীনভাবে আধুনিক জেট ইঞ্জিনের নকশা তৈরি করেন। ১৯৩৯ সালে জার্মানির হেইঙ্কেল এইচই-১৭৮ (Heinkel He-178) পৃথিবীর প্রথম জেট চালিত বিমান হিসেবে উড়ান ভরে। তবে দ্বিতীয় বিশ্বযুদ্ধের সময়েই জেট প্রযুক্তি ব্যাপক উন্নতি লাভ করে।

১৯৪৪ সালে জার্মানির মেসারশমিট এমই ২৬২ (Messerschmitt Me 262) প্রথম কার্যকর জেট যুদ্ধবিমান হিসেবে মোতায়েন হয়। যুদ্ধের পর আমেরিকা, সোভিয়েত ইউনিয়ন এবং ইউরোপীয় দেশগুলো দ্রুত এই প্রযুক্তি গ্রহণ করে। ১৯৫০-এর দশকে জেট ইঞ্জিন বাণিজ্যিক বিমানে ব্যবহার শুরু হয় এবং বিশ্ব আকাশ ভ্রমণে নতুন যুগে প্রবেশ করে।

জেট ইঞ্জিনের মূলনীতি

জেট ইঞ্জিনের কাজের ধাপগুলো হলো:

১. বাতাস শোষণ এবং সংকোচন: বিশাল একটি ফ্যান বা ব্লোয়ার বাতাস টেনে নেয় এবং কম্প্রেসর তাকে চাপ দিয়ে ঘন করে।

২. দহন: সংকুচিত বাতাসকে জ্বালানি (কেরোসিন) দিয়ে মিশিয়ে জ্বালানো হয়। এতে প্রচণ্ড উত্তপ্ত এবং উচ্চচাপের গ্যাস তৈরি হয়।

৩. সম্প্রসারণ এবং নিষ্কাশন: উত্তপ্ত গ্যাস একটি সরু নজল (Nozzle) দিয়ে অত্যন্ত দ্রুতগতিতে পেছনে নিক্ষিপ্ত হয়। নিউটনের তৃতীয় সূত্র অনুসারে, এর ফলে বিমান সামনের দিকে ধাবিত হয় এটাই থ্রাস্ট।

৪. টারবাইন চালনা: নিষ্কাশিত গ্যাস একটি টারবাইনকে ঘোরায়, যা আবার কম্প্রেসরকে চালিত করে। এভাবে ইঞ্জিন চক্রাকারে কাজ করতে থাকে।

আধুনিক জেট ইঞ্জিন প্রায় ২০০০ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রা সহ্য করতে পারে এবং বিশাল শক্তি উৎপন্ন করে।

জেট ইঞ্জিনের প্রকারভেদ

১. টার্বোজেট (Turbojet)

এটি সবচেয়ে প্রাচীন ধরনের জেট ইঞ্জিন। সমস্ত বাতাস কম্প্রেসর এবং দহন কক্ষের মধ্য দিয়ে যায়। খুবই শক্তিশালী কিন্তু জ্বালানি খরচ বেশি। যুদ্ধবিমানে এবং অতি দ্রুতগামী বিমানে ব্যবহৃত হয়।

২. টার্বোফ্যান (Turbofan)

আধুনিক যাত্রীবাহী বিমানে সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত। ইঞ্জিনের সামনে একটি বিশাল ফ্যান থাকে যা প্রচুর বাতাস শোষণ করে। এই বাতাসের একটি অংশ (প্রাথমিক প্রবাহ) দহন কক্ষে যায়, আর বাকিটা (গৌণ প্রবাহ) ইঞ্জিনের বাইরে দিয়ে সরাসরি পেছনে নিক্ষিপ্ত হয়।

গৌণ প্রবাহ প্রায় ৮০% থ্রাস্ট তৈরি করে এবং ইঞ্জিনের শব্দ কমায়। জ্বালানি খরচও কম এবং দক্ষতা বেশি। বোয়িং ৭৪৭, এয়ারবাস এ৩৮০ সহ বেশিরভাগ বাণিজ্যিক বিমান টার্বোফ্যান ইঞ্জিন ব্যবহার করে।

৩. র‍্যামজেট (Ramjet)

এই ইঞ্জিনে কোনো চলমান অংশ নেই। এটি বিমানের দ্রুত গতির কারণে বাতাস সংকুচিত হয় এবং জ্বালানি পুড়িয়ে থ্রাস্ট তৈরি করে। অত্যন্ত দ্রুতগতির জন্য উপযোগী (শব্দের গতির চেয়ে দ্রুত)।

অসুবিধা: প্রাথমিক গতি প্রয়োজন, তাই নিজে নিজে উড়তে পারে না। কনকর্ড (Concorde) বিমানে টার্বোজেট এবং র‍্যামজেটের সংমিশ্রণ ছিল।

৪. টার্বোপ্রপ (Turboprop)

ছোট দূরত্বের জন্য সবচেয়ে কার্যকর। এতে জেট ইঞ্জিন একটি বড় প্রপেলার ঘোরায়, যা অধিকাংশ থ্রাস্ট তৈরি করে। জ্বালানি সাosশ্রয়ী কিন্তু গতি এবং উচ্চতা সীমিত। ছোট আঞ্চলিক বিমানে ব্যবহৃত।

৫. টার্বোশ্যাফ্ট (Turboshaft)

হেলিকপ্টারে ব্যবহৃত হয়। ইঞ্জিন থেকে উৎপন্ন শক্তি রোটর ব্লেড ঘোরাতে ব্যবহার হয়, থ্রাস্ট তৈরি করে না।

বিমান পরিচালনা: কীভাবে দিক পরিবর্তন করে?

স্টিয়ারিং এর বিজ্ঞান

বিমানকে দিক পরিবর্তন করানো মানে তার ভেলোসিটি (গতিবেগের দিক ও মাত্রা) পরিবর্তন করা। নিউটনের সূত্র অনুসারে, দিক পরিবর্তনের জন্য একটি কেন্দ্রমুখী বল প্রয়োজন।

স্থলে গাড়ি বা সাইকেল চালানোর সময় টায়ার এবং রাস্তার ঘর্ষণ এই বল দেয়। কিন্তু আকাশে কোনো ঘর্ষণ নেই। তাহলে বিমান ঘোরে কীভাবে?

ব্যাংকিং: আকাশে হেলে পড়া

বিমান যখন বাঁক নেয়, তখন সেটি একটি পাশে হেলে পড়ে একে বলে ব্যাংকিং (Banking)। এতে লিফট শক্তি কিছুটা পাশের দিকে হেলে যায়, এবং সেই পাশের উপাদানটি কেন্দ্রমুখী বল হিসেবে কাজ করে।

তবে, এতে ওপরের দিকের লিফট কমে যায়, ফলে বিমান উচ্চতা হারাতে পারে। পাইলট তখন এলিভেটর (Elevator) ব্যবহার করে ডানার কোণ বাড়িয়ে লিফট বাড়ান।

কন্ট্রোল সারফেস: বিমানের হাল ধরার যন্ত্র

বিমানের ডানা এবং লেজে বিশেষ চলনশীল পাত থাকে যা বাতাসের প্রবাহ পরিবর্তন করে:

– এইলারন (Ailerons): ডানার পেছনে থাকে, বিমানকে পাশে হেলাতে সাহায্য করে।
– এলিভেটর (Elevators): লেজে থাকে, বিমান ওপরে বা নিচে নিয়ে যায়।
– রাডার (Rudders): লেজে থাকে, বিমানের নাক ডানে বা বামে ঘোরায়।
– ফ্ল্যাপ (Flaps): টেক-অফ এবং ল্যান্ডিংয়ের সময় অতিরিক্ত লিফট তৈরি করে।
– স্পয়লার (Spoilers): ল্যান্ডিংয়ের সময় গতি কমাতে এবং ব্রেক করতে ব্যবহৃত।

বিমানের অন্যান্য গুরুত্বপূর্ণ অংশ

জ্বালানি ট্যাংক

বিশাল যাত্রীবাহী বিমান যেমন এয়ারবাস এ৩৮০-তে প্রায় ৩,১০,০০০ লিটার জ্বালানি ধরে যা একটি সাধারণ গাড়ির প্রায় ৭,০০০ গুণ! এই জ্বালানি সাধারণত ডানার ভেতরে রাখা হয়।

ল্যান্ডিং গিয়ার

শক্ত চাকা এবং টায়ার, যা টেক-অফ এবং ল্যান্ডিংয়ে ব্যবহৃত হয়। আকাশে ওড়ার সময় হাইড্রোলিক সিস্টেম দিয়ে এদের গুটিয়ে নেওয়া হয় যাতে বাতাসের বাধা কম হয়।

রেডিও এবং রাডার

রাইট ভ্রাতৃদ্বয়ের সময় কোনো যন্ত্র ছিল না, তাই তাঁরা চোখে দেখে উড়তেন। কিন্তু আজকের যুগে প্রতিদিন হাজার হাজার বিমান আকাশে ওড়ে। দিন, রাত, ঝড়-বৃষ্টি সব অবস্থায় নিরাপদ ওড়ার জন্য রেডিও, রাডার এবং স্যাটেলাইট সিস্টেম অপরিহার্য।

প্রেশারাইজড কেবিন

পৃথিবীর উচ্চতা বাড়ার সঙ্গে সঙ্গে বাতাসের চাপ কমে। এভারেস্ট শৃঙ্গে (৯ কিমি উচ্চতা) পর্বতারোহীরা অক্সিজেন সিলিন্ডার ব্যবহার করেন। কিন্তু যাত্রীবাহী বিমান প্রায় ১০-১২ কিমি উচ্চতায় ওড়ে। তাই বিমানের কেবিনে বিশেষভাবে চাপযুক্ত বাতাস সরবরাহ করা হয়, যাতে যাত্রীরা স্বাভাবিকভাবে শ্বাস নিতে পারেন।

ভবিষ্যতের চ্যালেঞ্জ

আধুনিক বিমান শিল্পের সামনে বেশ কিছু গুরুত্বপূর্ণ চ্যালেঞ্জ রয়েছে:

– কার্বন নিঃসরণ কমানো: জলবায়ু পরিবর্তন রোধে CO₂ নিঃসরণ কমাতে হবে।
– জ্বালানি দক্ষতা বৃদ্ধি: আরও কম জ্বালানিতে আরও দূর উড়তে হবে।
– শব্দদূষণ হ্রাস: বিমানবন্দরের আশপাশের এলাকার জন্য কম শব্দের ইঞ্জিন দরকার।
– পরিবেশবান্ধব জ্বালানি: হাইড্রোজেন বা বৈদ্যুতিক প্রপালশন নিয়ে গবেষণা চলছে।

কী শিখলাম?

বিমান উড়ার পেছনের বিজ্ঞান আসলে পদার্থবিজ্ঞান, প্রকৌশল এবং মানুষের অসীম কৌতূহলের এক অপূর্ব সংমিশ্রণ। ইকারাস থেকে শুরু করে রাইট ভ্রাতৃদ্বয়, ফ্র্যাঙ্ক হুইটল থেকে আজকের বোয়িং এবং এয়ারবাস প্রতিটি পদক্ষেপে মানুষ আকাশ জয়ের স্বপ্নকে বাস্তবে পরিণত করেছে। নিউটনের সূত্র, বার্নুলির নীতি, আর প্রকৌশলীদের অক্লান্ত পরিশ্রম সবকিছু মিলেই তৈরি হয়েছে এই অবিশ্বাস্য প্রযুক্তি। আকাশের দিকে তাকালে এখন আমরা শুধু একটি বিমান দেখি না, দেখি মানব সভ্যতার সবচেয়ে বড় জয়গুলোর একটি।

সূত্র: এক্সপ্লেইন দ্যাট স্টাফ, এরো অ্যাফেয়ার্স