सतराव्या शतकातल्या अनेक शास्त्रज्ञांनी हवा आणि इतर वायूंवर संशोधन केले. घनरूप आणि द्रवरूप पदार्थांचे घनफळ किंवा आकारमान (व्हॉल्यूम) इंच, फूट, मीटर, लीटर यांसारख्या एककांमध्ये मोजता येते, त्यांना तराजूत तोलून त्यांचे वजन करता येते, पण वायूंना कसे मोजणार? ज्या बंद पात्रात ते तयार होतात, त्यात ते भरून जातात आणि बाहेर निघाले तर लगेच हवेत विरून जातात. त्यांना एका फुग्यात भरून त्या फुग्याचे घनफळ आणि वजन मोजणे हा एक उपाय होता. त्यामधून फुगे तयार करण्याची कल्पना निघाली. हवेपेक्षा वाफ हलकी असल्यामुळे ती वरवर जाताना दिसते, त्याचप्रमाणे थंड हवेपेक्षा गरम हवा हलकी असते आणि ती धुराड्यातून वरवर जाते. हे पाहिल्यानंतर ऊष्ण हवा भरून आभाळात उंचवर उडवले जाणारे फुगे (Baloons) तयार करण्याचे प्रयोग सुरू झाले.

इसवी सन १७४६ मध्ये जन्मलेल्या जॅक्स चार्ल्स (Jacques Charles) याने लहान-मोठे फुगे तयार करून आणि त्यात निरनिराळे वायू भरून त्यांचा अभ्यास केला, हैड्रोजन हा वायू हवेपेक्षा खूपच हलका असल्यामुळे तो फुग्यात भरला, तर तो फुगा खूप उंच जाईल असा विचार केला आणि रॉबर्ट बंधूंच्या साहाय्याने सन १७८३ मध्ये तसा पहिला प्रयोग केला. त्यासाठी त्याने कमी वजनाच्या खास फुग्याचे डिझाईन करून आणि रेशमी कापड, रबर, टर्पेंटाइन, व्हार्निश वगैरेंचा उपयोग करून तो तयार करवून घेतला. त्यात हैड्रोजन वायू भरण्यासाठी शिशाचे नळ आणि त्याला बाहेर पडू न देण्यासाठी घट्ट बंद होणारी झडप (व्हॉल्व्ह) तयार केली. लोखंडाच्या स्क्रॅपवर सल्फ्यूरिक ऍसिड टाकून त्याने हैड्रोजन वायू तयार करवून घेतला. फुगा उडवण्यासाठी आवश्यक इतका वायू तयार करायलाच अनेक दिवस लागले होते. या कामासाठी लागणारी विशेष प्रकारची उपकरणे तयार करवून घेऊन घेण्याइतके ज्ञान, बुद्धिमत्ता आणि कौशल्य चार्ल्सकडे होते. त्याचा हा अद्भुत प्रयोग पाहायला लाखो लोकांनी गर्दी केली, त्या वेळी फ्रान्समध्ये आलेला अमेरिकन शास्त्रज्ञ बेंजामिन फ्रँकलिन यानेसुद्धा तो प्रयोग पाहिला.

चार्ल्स आणि रॉबर्ट यांनी त्यानंतर एक अवाढव्य आकाराचा फुगा तयार केला आणि त्याला एक पाळणा टांगून निकोलस रॉबर्टसह चार्ल्स स्वतः त्यात बसला. या फुग्याला हवेत वर चढवण्याची किंवा खाली जमिनीवर उतरवण्याची व्यवस्था त्याने केली होती. हा फुगा हवेत ५५० मीटर इतका उंच आणि दोन तास हवेवर तरंगत तरंगत ३६ किलोमीटर इतक्या दूरवर गेला. त्यानंतर चार्ल्सने एकट्यानेच पाळण्यात बसून ते बलून उडवले आणि ते वेगाने तब्बल ३००० मीटर इतक्या उंचावर गेले, पण हवामानातला इतका अचानक बदल चार्ल्सला सहन झाला नाही. त्याला असह्य वेदना होऊ लागल्यामुळे ते बलून लगेच खाली आणावे लागले.

हे प्रयोग करत असताना चार्ल्सने पाहिले की, दिवसभर हैड्रोजन वायू भरून त्याचा फुगा बराच फुगायचा पण रात्रीच्या थंडीमध्ये त्याचा संकोच होऊन तो आकाराने लहान व्हायचा. तो सीलबंद असल्याने कुठूनही गळत नव्हता, तरीही सकाळ होईपर्यंत त्याचा आकार थोडा लहान होत असे. इसवी सन १७८७ मध्ये त्याने प्रयोगशाळेमध्ये यावर मुद्दाम वेगळे प्रयोग केले आणि असे पाहिले की, कुठल्याही वायूला त्याच्यावरील दाब स्थिर ठेवून तापवले तर त्याच्या तापमानात ज्या प्रमाणात वाढ होईल त्याच प्रमाणात तो प्रसरण पावतो आणि त्याचे आकारमान वाढते आणि त्याला थंड केले, तर ज्या प्रमाणात त्याचे तापमान कमी होते त्याच प्रमाणात त्याचे घनफळही कमी होते. 

वरील आकृतीमधील सिलिंडरमधील दट्ट्यावर समान वजन ठेवून त्याचा हवेवर पडणारा दाब स्थिर ठेवला आहे. खाली ठेवलेला बर्नर पेटवला की वायू तापून त्याचे आकारमान वाढते आणि दट्ट्यावर उचलला जातो, बर्नर विझला की वायू थंड होऊन दट्ट्या खाली येतो. घनरूप आणि द्रवरूप पदार्थांचेसुद्धा प्रसरण आणि आकुंचन होतच असते, पण ते अतिशय सूक्ष्म असते. वायुरूप पदार्थांच्या घनफळात मात्र खूप मोठा फरक होतो. चार्ल्सने तेंव्हा आपले हे संशोधन प्रसिद्ध करून त्याला इतर शास्त्रज्ञांची मान्यता मिळवली नाही.  गे ल्यूसॅक या दुसऱ्या फ्रेंच शास्त्रज्ञाने १८०२ मध्ये आपला सिद्धांत मांडला, तेंव्हा तो चार्ल्सच्या संशोधनाच्या आधारावर असल्याचे सांगून चार्ल्सला त्याचे श्रेय दिले आणि त्याला चार्ल्सचा नियम (Charles' law) असे नाव दिले. या नियमाला आकारमानाचा नियम ( law of volumes) असेही म्हणतात. त्याला हवेच्या अभ्यासामध्ये खूप महत्त्व आहे.

आनंद घारे 

[email protected]