आपने कभी खेल के मैदान में झूले को धक्का दिया होगा। किसी भी समय ज़ोर से धक्का देने पर झूला उलटे झटके खाने लगता है, लेकिन जब झूला पीछे जाकर आगे आने वाला हो, ठीक उसी समय हल्का धक्का दें, तो छोटे बल से भी वह धीरे-धीरे अधिक ऊँचाई तक जाने लगता है। यानी बल की मात्रा से अधिक महत्त्व धक्का देने के समय का था।
भौतिकी में जब किसी वस्तु के अपने आप दोलन करने की स्वाभाविक लय और बाहर से लगाए गए बल की लय मेल खाती हैं और दोलन बहुत बढ़ जाता है, तो इस घटना को ‘अनुनाद (Resonance)’ कहते हैं। अनुनाद वाद्ययंत्रों की आवाज़ बढ़ाता है और अस्पतालों के जाँच उपकरणों को काम करने में मदद करता है, लेकिन कभी-कभी यह मज़बूत पुलों को भी हिला देता है।
इस सामग्री में अनुनाद क्या है, प्राकृतिक आवृत्ति का अर्थ, दोलन बढ़ने का सिद्धांत, दैनिक जीवन और तकनीक में अनुनाद के उपयोग, उससे हुई दुर्घटनाएँ और उन्हें रोकने के उपाय सरल ढंग से समझाए गए हैं।
अनुनाद का सिद्धांत और उपयोग
अनुनाद क्या है
हर वस्तु की दोलन करने की अपनी एक स्वाभाविक लय होती है। धागे से लटके भार को एक बार हिला दें, तो बिना किसी के तय किए वह एक निश्चित गति से आगे-पीछे चलता रहता है। वस्तु के इस तरह अपने आप दोलन करने की दर को प्राकृतिक आवृत्ति (Natural Frequency) कहते हैं।
आवृत्ति बताती है कि 1 सेकंड में कितनी बार आगे-पीछे गति होती है, और इसकी इकाई हर्ट्ज़ (Hz) है। 1 सेकंड में एक बार दोलन हो तो आवृत्ति 1 Hz होती है, और दस बार दोलन हो तो 10 Hz। प्राकृतिक आवृत्ति वस्तु के वज़न, कठोरता और आकार पर निर्भर करती है। इसी कारण गिटार का छोटा और कसा हुआ तार तेज़ी से, जबकि लंबा और ढीला तार धीरे कंपन करता है।
अनुनाद तब होता है जब बाहर से आवर्ती रूप से लगाए जाने वाले बल की आवृत्ति इस प्राकृतिक आवृत्ति के बराबर या उसके बहुत निकट होती है। इस समय वस्तु पर छोटा बल लगने पर भी उसके दोलन का विस्तार, यानी आयाम, स्पष्ट रूप से बढ़ जाता है।
दोलन धीरे-धीरे बढ़ने का सिद्धांत
अनुनाद का रहस्य ऊर्जा के जमा होने के तरीके में छिपा है। लय मिलने पर बाहरी बल हमेशा वस्तु की गति की दिशा में काम करता है, इसलिए हर धक्के के साथ थोड़ी-थोड़ी ऊर्जा जुड़ती जाती है।
(1) जब लय मेल नहीं खाती
बल कभी गति में सहायता करता है, तो कभी उसका विरोध करता है। ऊर्जा का जुड़ना और छिनना बारी-बारी से होता है, इसलिए दोलन अधिक नहीं बढ़ पाता।
(2) जब लय मेल खाती है
बल हर बार गति में सहायता करता है और ऊर्जा क्रमशः जमा होती जाती है। बल की मात्रा समान रहने पर भी दोलन धीरे-धीरे बढ़ता जाता है।
(3) अवमंदन की भूमिका
वास्तविक वस्तुएँ वायु प्रतिरोध या घर्षण के कारण थोड़ी-थोड़ी ऊर्जा खोती रहती हैं। इसे अवमंदन (Damping) कहते हैं, और अवमंदन जितना कम होता है, अनुनाद के समय दोलन उतना ही अधिक बढ़ता है।
इसलिए जिस वस्तु में अवमंदन लगभग नहीं होता, वह अनुनादी आवृत्ति पर बहुत तीव्र प्रतिक्रिया देती है, और उस आवृत्ति से थोड़ा भी हटने पर उसकी प्रतिक्रिया तुरंत कम हो जाती है। इसके विपरीत, अधिक अवमंदन वाली वस्तु में अनुनाद होने पर भी दोलन अधिक नहीं बढ़ता। ध्वनि में भी यही होता है। यदि दो स्वरित्र द्विभुजों की प्राकृतिक आवृत्ति समान हो, तो एक को बजाने पर दूसरा भी बिना छुए बजने लगता है।
दैनिक जीवन और तकनीक में अनुनाद
दोलन बढ़ाने के अपने गुण के कारण अनुनाद का कई जगह उपयोग किया जाता है।
- वाद्ययंत्र (Musical Instrument): गिटार और वायलिन का लकड़ी का ढाँचा तारों के कंपन के साथ अनुनाद करता है और धीमी आवाज़ को तेज़ तथा भरपूर बनाता है।
- रेडियो ट्यूनिंग (Radio Tuning): रेडियो अपने परिपथ की अनुनादी आवृत्ति को मनचाहे प्रसारण केंद्र की आवृत्ति से मिलाकर केवल उसी संकेत को चुनकर ग्रहण करता है।
- चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (Magnetic Resonance Imaging): प्रबल चुंबकीय क्षेत्र में शरीर के भीतर मौजूद हाइड्रोजन के नाभिक एक विशेष आवृत्ति की रेडियो तरंगों से अनुनाद करते हैं। इस गुण का उपयोग करके शरीर के अंदर की छवियाँ दिखाई जाती हैं।
- माइक्रोवेव ओवन (Microwave Oven): माइक्रोवेव भोजन में मौजूद पानी के अणुओं को तेज़ी से दोलित करके ऊष्मा पैदा करती हैं। यह सटीक अर्थ में अनुनाद से थोड़ा अलग है, लेकिन विद्युतचुंबकीय तरंगों से अणुओं को दोलित करने के कारण इसे अक्सर इसी के साथ समझाया जाता है।
घड़ी में लगा क्वार्ट्ज़ का छोटा टुकड़ा भी अनुनाद का उपयोग करता है। क्वार्ट्ज़ पर वोल्टेज लगाने पर वह अत्यंत स्थिर आवृत्ति से कंपन करता है। कई कलाई घड़ियाँ 1 सेकंड में 3 × दस हज़ार और 2,768 बार कंपन करने वाले क्वार्ट्ज़ को आधार बनाकर समय मापती हैं। गायक के ऊँचे सुर से वाइन का गिलास टूटने का दृश्य भी इसी कारण होता है: गिलास की प्राकृतिक आवृत्ति से मेल खाती ध्वनि उसे बहुत तीव्रता से कंपित करती है।
अनुनाद से हुई दुर्घटनाएँ और रोकथाम के उपाय
अनुनाद विशाल संरचनाओं को भी प्रभावित करता है। 1831 में ब्रिटेन के ब्रॉटन झूला पुल पर जब 74 सैनिकों ने कदम मिलाकर मार्च किया, तो पुल उनके कदमों की लय में बहुत ज़ोर से हिलने लगा और अंततः उसका एक किनारा नदी में गिर गया। सौभाग्य से किसी की जान नहीं गई, लेकिन इसके बाद ब्रिटिश सेना ने पुल पार करते समय कदम मिलाकर न चलने का आदेश दिया।
लंदन की टेम्स नदी पर वर्ष 2000 के 6वें महीने में खुला मिलेनियम ब्रिज भी उद्घाटन के तुरंत बाद बहुत अधिक अगल-बगल हिलने लगा। पुल थोड़ा हिला, तो बड़ी संख्या में पैदल यात्रियों ने संतुलन बनाए रखने के लिए अनजाने में अपने कदम पुल के दोलन से मिला लिए, और इस बल ने दोलन को और बढ़ा दिया। पुल खुलने के दो दिन बाद ही बंद कर दिया गया और दोलन कम करने वाले अवमंदन उपकरण लगाने के बाद वर्ष 2002 के 2वें महीने में जाकर दोबारा खुला।
ऐसी घटनाओं को रोकने के लिए अभियंता संरचनाओं का डिज़ाइन बनाते समय पहले ही उनकी प्राकृतिक आवृत्ति की गणना करते हैं और वज़न तथा कठोरता को इस तरह समायोजित करते हैं कि उनकी लय लोगों के कदमों, हवा या मशीनों के कंपन की लय से मेल न खाए। ऊँची इमारतों में कभी-कभी समस्वरित द्रव्यमान अवमंदक भी लगाए जाते हैं, जिनमें इमारत की गति के विपरीत दिशा में दोलन करने वाला एक विशाल भार लगाकर कंपन कम किया जाता है।
अनुनाद प्रकृति का ऐसा प्रवर्धक है जो छोटे बल को बड़ी गति में बदल देता है। इसकी लय समझने पर इसका उपयोग आवाज़ बढ़ाने और संकेत चुनने में किया जा सकता है, और खतरनाक दोलनों से पहले ही बचा भी जा सकता है।
अदृश्य लय को पहचानना ही दोलनों को नियंत्रित करने की समझ की ओर पहला कदम है।
