प्रचक्र

प्रचक्र : एखाद्या यंत्राला प्राप्त होणारी वा त्यापासून मिळणारी ऊर्जा बदलत असेल, तर त्याची गती इष्ट मर्यादेत राखण्यासाठी वापरण्यात येणाऱ्या विशिष्ट रचनेच्या चक्राला प्रचक्र अथवा जडचक्र म्हणतात.  ⇨ अंतर्ज्वलन एंजिनात इंधनवायूच्या प्रज्वलनागणिक सिलिंडरामध्ये दट्ट्याला पश्च-अग्र (पुढेमागे किंवा वरखाली अशा दिशेत) गती मिळते. या गतीचे भुजादंडाद्वारे परिभ्रमी गतीत रूपांतर करून यंत्राला पुरवितात. एंजिनातील सिलिंडरांत क्रमाक्रमाने होणाऱ्या प्रज्वलनांमुळे चालन प्रेरणा निर्माण होऊन एंजिनाच्या भाराला (जोडलेल्या यंत्राला) लागणारी ऊर्जा पुरविली जाते. भुजादंडाच्या दर फेऱ्यात अनेक वेळा चालन प्रेरणा क्षणमात्र कधी इंजिनाच्या भारापेक्षा जास्त तर कधी कमी होत असतात. त्यामुळे एंजिनाची गती आपोआप कमीअधिक होते व कधी एंजिनाला झटके बसू लागतात. गती स्थिर ठेवल्याने हा दोष काढून टाकता येतो. त्यासाठी भुजादंडावर प्रचक्र बसवितात. ज्या वेळेस एंजिनाची गती वाढून भुजादंडावर जादा ऊर्जा येते त्या वेळेस ही जादा गतिज ऊर्जा प्रचक्र शोषून घेते व गतिवाढ रोखते परंतु ज्या वेळेस भुजादंडावर कमी ऊर्जा येते त्या वेळेस प्रचक्र शोषून घेतलेली गतिज ऊर्जा पुरवून एंजिनाची गती पडू देत नाही. थोडक्यात प्रचक्र गतिज ऊर्जा संचायक (साठा करणारे साधन) म्हणून कार्य करते. प्रचक्रामुळे एंजिनाशी जोडलेल्या यंत्राला सतत स्थिर ऊर्जा मिळते. वाफेवर चालणाऱ्या एंजिनात या कारणांसाठीच असे प्रचक्र बसवितात. ⇨दाबयंत्रात तसेच ⇨दाबछिद्रण व कातर यंत्रात लागणारी परिपीडन ऊर्जा एकसारखी नसते. त्यामुळे ज्या वेळी अशा यंत्राला लागणारी ऊर्जा सरासरीपेक्षा कमी असते त्या वेळी यंत्राला नको असलेली जादा ऊर्जा प्रचक्रात साठून राहते आणि ज्या वेळी ती यंत्राला हवी असते त्या वेळी ती ताबडतोब या साठ्यातून पुरविली जाते. दाबछिद्रण व कातर यंत्रात कमी शक्तीचे विद्युत्‌ चलित्र (मोटर) वापरतात, कारण छिद्रण व कातरण क्रियेसाठी बव्हंशी प्रचक्रातील ऊर्जा उपयोगी पडते.

आकारमान व वजन : प्रचक्राचे आकारमान व वजन निश्चित करण्यासाठी एंजिनाच्या गतीत परिस्थितीप्रमाणे साधारण ०·२ ते ३ टक्क्यांपर्यंत फरक किंवा बदल झाला तरी चालू शकतो, हे मूलतत्त्व विचारात घ्यावे लागते. प्रचक्रात किंवा परिभ्रमी वस्तूत गतिज ऊर्जा किती प्रमाणात साठविता येईल, हे त्या वस्तूच्या निरूढी परिबलावर (वस्तूच्या प्रत्येक घटकाचे द्रव्यमान व त्याच्या दिलेल्या अक्षापासूनच्या अंतराचा वर्ग यांचा गुणाकार करून सर्व घटकांकरिता मिळणाऱ्या अशा गुणाकारांची बेरीज केल्यास मिळणाऱ्या राशीवर) व कोनीय वेगावर अवलंबून राहते. जितके प्रचक्र मोठे व वजनदार असेल तितका गतीतील फरक किंवा बदल कमी असतो. प्रचक्रातील गतिज ऊर्जा जर U समजली, तर ती 

इतकी असते. या सूत्रात I प्रचक्राचे निरूढी परिबल,

कोनीय वेग व n एंजिनाचे दर मिनिटाला होणारे सरासरी फेरे आहेत. दिलेल्या प्रचक्राच्या बाबतीत 4π²I /₇₂₀₀ हे मूल्य स्थिर असते व ते M या अक्षराने निर्दिष्ट केल्यास U = Mn² असे सूत्र मिळते.

यावरून असे सिद्ध होते की, एंजिनाची गती कायम ठेवून M चे मूल्य वाढविल्यास प्रचक्रात जास्त ऊर्जा साठविता येते.

एंजिनाचे दर मिनिटात होणारे जास्तीत जास्त फेरे जर n₁ व कमीत कमी फेरे n₂ होत असतील, तर प्रचक्रात जास्तीत जास्त ऊर्जा U₁ = Mn₁² असेल आणि कमीत कमी ऊर्जा U₂ = Mn₂² असेल म्हणजेच U₁ – U₂ + M (n₁² – n₂²) + C. हा ऊर्जेतील जास्तीत जास्त बदल (सेंमी.किग्रॅ. मध्ये) एंजिनाच्या कार्य-आवर्तनावरून समजतो. तेव्हा n₁, n₂ व C ही मूल्ये समजली म्हणजे M चे मूल्य काढता येते. त्यावरून प्रचक्राचे वजन व आकारमान ठरविता येते.

रचना व उपयुक्तता : पुरातन कालापासून मातीची भांडी बनविण्यासाठी वापरण्यात येणाऱ्या कुंभारी चाकावरून प्रचक्राची कल्पना सुचलेली असावी. काही एका विशिष्ट समजुतीमुळे प्रचक्राच्या वापरावर मर्यादा आल्याने आतापर्यंत त्यांचा उपयोग एंजिनांत व त्यांवर चालणाऱ्या यंत्रात अगर वाहनांत फक्त करून घेण्यात आलेला आहे. प्रचक्राच्या प्रधीचे (परिधी भागाचे) वजन जितके जास्त व त्याची परिभ्रमी गती जितकी जास्त तितकी त्यात जास्त गतिज ऊर्जा निर्माण होते. या मूलतत्त्वाप्रमाणे मूल प्रचक्राची रचना करण्यात आली. (आ. १ मध्ये दाखविलेली प्रचक्राची आरेयुक्त रचना सामान्यतः प्रचलित असली, तरी घन चपटी तबकडी व मध्याकडे जाड होत जाणारी तबकडी अशा आकाराची व अधिक ऊर्जा साठवू शकणारी प्रचक्रेही वापरात आहेत). परंतु रचनेसाठी बीड किंवा पोलाद यासारख्या वजनदार धातूचा वापर करणे शक्य असल्याने त्यांचे ताणबलही ठराविक असते. त्यामुळे गती खूप वाढविल्यास प्रचक्राच्या प्रधीवर येणाऱ्या अपकेंद्री प्रतिबलात (परिभ्रमणामुळे निर्माण होणारी व केंद्रापासून दूर जाणाऱ्या दिशेत कार्य करणारी प्रेरणा आणि तिचे परिभ्रमण केंद्रापासूनचे अंतर यांच्या गुणाकाराने निर्दिष्ट होणाऱ्या राशीत) वाढ होऊन त्याच्या ताणबलाने टिकाव न धरण्याने प्रचक्राच्या ठिकऱ्या उडतील. असे जर व्हावयास नको असेल, तर साहजिकच वजनावर व गतीवर मर्यादा घालाव्या लागतील आणि त्यामुळे गतिज ऊर्जेचा प्रचक्रातील साठा मर्यादित राहील, हे उघड आहे. 

परंतु वरील समजुतीला आधुनिक काळातील (विशेषतः १९५७ सालानंतरच्या) संशोधनाने चांगलाच धक्का दिला आहे. मूलतत्त्वाला धरूनच केलेल्या या संशोधनात प्रचक्राच्या रचनेत धातूच्या ऐवजी पर्यायी पदार्थ वापरणे शक्य आहे का, यावर भर देण्यात आला. त्यावरून असे दिसून आले की, जर वजनाला हलका पण उच्च ताणबल असलेला पदार्थ वापरल्यास गतीत वाढ करणे शक्य होऊन जास्त गतिज ऊर्जेचा साठा करणे शक्य होईल. अनेक प्रयोगांनंतर असे आढळून आले की, मिश्र पोलादाच्या तुलनेत पॉलिअमाइड, पॉलिमर, नायलॉन, ‘इ’ व ‘एस्’ प्रकारची काच, पीआरडी ४९ व सिलिका रस यांचे तंतू वजनाला हलके, उच्च ताणबलास टिकणारे व स्वस्त असून त्यांच्या वजनाच्या प्रमाणात १० ते १५ पट गतिज ऊर्जा निर्माण करतात.

ज्याप्रमाणे प्रचक्रासाठी धातूला पर्यायी पदार्थ शोधून काढण्यात आले त्याचप्रमाणे मूलतत्त्वावर आधारलेल्या त्याच्या यांत्रिक रचनेतही बदल करण्याचे प्रयत्‍नत करण्यात आले.

अमेरिकन नौदलाने एपॉक्सी रेझिनामध्ये तंतूंचे गंठन करून प्रचक्र बनविण्याचा प्रयत्‍न केला पण हा प्रयोग फसला. नंतर जॉन हॉपकिन्स विद्यापीठाने प्रधी नसलेले बहुआरेयुक्त प्रचक्र बनविले. त्याचप्रमाणे एकात एक बसतील अशी तंतूंची अनेक कडी बनवून अशा कड्यांच्या जोडांमध्ये रबरासारख्या पदार्थाचे पट्टे भरून बहुकडी प्रचक्राची रचना करण्यात आली (आ. २). अशा प्रकारच्या प्रचक्रात गतिज ऊर्जा साठविण्याची क्षमता उत्तम असल्याचे आढळून आले असून या प्रचक्रात अतिशीघ्र गतीमुळे निर्माण होणाऱ्या आवाजाचेही संदमन होत असल्याने त्याचा उपयोग विद्युत्‌ निर्मिती शक्ति-संयंत्रात करता येणे शक्य आहे.

वरील संशोधनामुळे प्रचक्राच्या उपयुक्ततेचे क्षेत्र वाढण्याची शक्यता निर्माण झाली आहे. अशा उपयुक्ततेच्या योजनांची काही उदाहरणे खाली दिली आहेत.

(१) प्रचक्र ऊर्जा संचायक यंत्रणा : महाप्रचक्रांची निर्मिती करून त्यांच्यात फार मोठ्या प्रमाणावर साठविलेल्या गतिज ऊर्जेचा उपयोग विद्युत्‌ पुरवठा यंत्रणेत कमाल वीज वापर कालातील जादा विजेची गरज भागविण्यासाठी करता येईल. याकरिता किमान वीज वापर कालातील शिलकी विद्युत्‌ ऊर्जेचा महाप्रचक्रात गतिज ऊर्जारूपाने साठा करता येईल. अशा प्रचक्र ऊर्जा संचायक यंत्रणेसाठी आ. ३ मध्ये दाखविलेले संमिश्र साधन विद्युत्‌ निर्मिती यंत्रणेत जोडतात. या साधनाच्या रचनेत परिवर्ती (बदलती) गती असलेला विद्युत्‌ जनित्र-चलित्र संच थेट प्रचक्राला जोडलेला असतो. संपूर्णपणे बंदिस्त कक्षात वातावरणीय दाबापेक्षा कमी दाब असलेल्या निष्क्रिय वायूच्या (हायड्रोजन अथवा हीलियम) वातावरणात जनित्र-चलित्र संच व प्रचक्र चालविल्यास हवेच्या घर्षणामुळे होणारा ऊर्जा व्यय कमी होईल. या साधनाचे आकारमान लहान असल्यामुळे (सु. ७ मी. X ७ मी.) विद्युत्‌ पुरवठा यंत्रणेत अशी अनेक साधने बसविता येतील. ज्या वेळी प्रचक्रात साठविलेली ऊर्जा वापरली जाते त्या वेळी जनित्राचे विद्युत्‌ निर्मिती कार्य सुरू होते व पुन्हा ऊर्जा साठविण्याकरिता प्रचक्र फिरविले जाते तेव्हा चलित्राची क्रिया उपयोगी पडते. पंपाच्या साहाय्याने पाणी उंचावरील जलाशयात साठवून शिलकी विद्युत्‌ ऊर्जेचा उपयोग करण्याच्या व या पाण्याच्या साहाय्याने जरूरीच्या वेळी जादा विद्युत्‌ निर्मिती करण्याच्या योजनेपेक्षा प्रचक्र यंत्रणा तुलनात्मक दृष्ट्या कमी खर्चाची आहे, असे संशोधकांचे म्हणणे आहे.

(२) प्रचक्रयुक्त मोटारगाडी :स्विस अभियंत्यांनी प्रचक्री शक्तीवर चालणारी एक बसगाडी बऱ्याच वर्षांपूर्वी तयार केली होती. बसमार्गावरील स्थानकावर बस उभी असताना तेथील विद्युत्‌ पुरवठ्यातून वीज घेऊन गाडीतील प्रचक्र फिरवून त्यात गतिज ऊर्जा साठविण्यात येई व पुढील स्थानकापर्यंत तीवर गाडी चालविली जात असे. याकरिता वापरण्यात येणारे प्रचक्र मिश्र पोलादाचे केलेले होते. अशाच प्रकारच्या बसगाड्या सुधारित अभिकल्पाचे (आराखड्याचे) मिश्र पोलादाचे प्रचक्र वापरून तयार करण्याची योजना मांडण्यात आलेली आहे.

संमिश्र तंतूंचे प्रचक्र वाहनांसाठी वापरल्यास मोठी प्रगती शक्यता आहे. त्यासाठी एका निर्वात कोठीत प्रचक्राशी जोडलेला विद्युत्‌ जनित्र-चलित्र संच वापरता येईल. अशा साधनात सुरुवातीला प्रचक्र बाह्य विद्युत्‌ पुरवठ्याने फिरवून त्यात गतिज ऊर्जेचा संचय केला जातो. या ऊर्जेवर विद्युत्‌ जनित्र फिरविले जाते व त्यामुळे जी विद्युत्‌ निर्मिती होते ती प्रत्येक चाकावर बसविलेल्या लहान विद्युत्‌ चलित्रांना पुरवून मोटारगाडी चालविली जाते. विद्युत्‌ घटांवर चालणाऱ्या मोटारगाडीशी [⟶ विद्युत्‌ मोटारगाडी] प्रचक्रयुक्त मोटारगाडीची तुलना करता, विद्युत्‌ घट भारित करण्याकरिता लागणाऱ्या वेळेच्या मानाने प्रचक्रात ऊर्जा संचय करण्यास फारच थोडा वेळ लागेल, तसेच तेवढीच ऊर्जा साठविण्यासाठी विद्युत्‌ घटांची संख्या व वजन पुष्कळच जास्त लागेल, असे दिसून आले आहे.

(३) सौर व पवन ऊर्जा खंडित स्वरूपात उपलब्ध होत असल्याने त्यांचा उपयोग करताना प्रचक्राचे साहाय्य कशा प्रकारे घेता येईल, या दृष्टीने प्रयोग करण्यात येत आहेत.

संदर्भ : 1. Junnarkar, S. B. Elements of Applied Mechanics, Anand, 1971.

          2. Post, R. F. Post, S. F. Flywheels, Scientific American, Vol. 229, December, 1973.

गानू, अ. प. ओक, वा. रा. दीक्षित, चं. ग.

“