জ্যাভেলিন ছোঁড়ার বিজ্ঞান – সংকেত হক

মৌলিক বিজ্ঞানের বিভিন্ন তত্ত্বের কথা বইতে আমরা সকলেই পড়েছি। একটা সময় ছিল যখন কীভাবে কম সময়ে কম মেহনতে বেশি উৎপাদন করা যায়, সে নিয়েই বিজ্ঞানের বিভিন্ন তত্ত্বকে ব্যবহার করা হত। এখন তো আমাদের দৈনন্দিন জীবনকে সহজ-সুন্দর করে তোলার পিছনে বিজ্ঞানের অবদান সর্বত্র। সব পরিসরেই যখন বিজ্ঞানের প্রয়োগ হচ্ছে, তখন খেলাধূলার জগৎই বা বাকি থাকে কেন। সদ্য টোকিওতে গ্রীষ্মকালীন অলিম্পিক শেষ হল। সেই গত বছরের মার্চ মাস থেকে অতিমারি পরিস্থিতিতে মন খারাপের দিন কাটছে আমাদের। তারই মধ্যে বিরাট আনন্দের খবর এল। স্বাধীনতার পর অ্যাথলেটিক্সে প্রথম সোনা জিতলেন কোনো ভারতীয়; পানিপথের নীরজ চোপড়া জ্যাভেলিন ছুঁড়ে ১ম পদক নিয়ে এসছেন। প্যারালিম্পিক্সেও জ্যাভলিন ছুঁড়ে দেশের হয়ে সোনা জিতেছেন সুমিত অন্তিল। জ্যাভেলিন বা গোদা বাংলায় আমরা যাকে বল্লম বা বর্শা বলি সেটা ছোঁড়ার পিছনে বিজ্ঞানের যে নিয়ম কাজ করে সেটা নিয়েই এই নিবন্ধে আলোচনা করা হয়েছে।

শুরুতেই বল্লম নিয়ে আলোচনা করলে বিষয়টা জটিল হয়ে যায়। তাই, একটা প্রাস (Projectile) নিয়ে শুরু করা যাক। যদি কোনো বস্তুকে মাটি থেকে ছোঁড়ার সময় অনুভূমিকের সাথে কোণ করে (Obliquely) ছোঁড়া হয়, আর তার ফলে বস্তুটি বাঁকা (Curved) পথে চলতে থাকে, তাহলে তাকে আমরা প্রাসের গতি বলি। এই প্রাসের গতি সংক্রান্ত সব প্রশ্নের উত্তর জানা যায় পদার্থবিজ্ঞানের একটি বিখ্যাত সূত্রকে কাজে লাগিয়ে–নিউটনের গতিসূত্র।

১৬৬১ সালে স্যার আইজ্যাক নিউটন কেমব্রিজ বিশ্ববিদ্যালয়ের অধীনে একটি কলেজে পড়তে আসেন। এখন যেমন গোটা বিশ্বে করোনার প্রকোপ চলছে, ১৬৬৫-র গ্রীষ্মে ইংল্যান্ডের শহরাঞ্চলে প্লেগ মহামারী ছড়িয়ে পড়ে। ১৬৬৫ থেকে ১৬৬৬ এই দুই বছরের প্রায় পুরোটা জুড়ে প্রতি সপ্তাহে, মৃত্যু ঘটছিল সাত-আট হাজার মানুষের। ‘লকডাউন’ শব্দটার তখন প্রচলন ছিল না। কিন্তু ব্রিটিশ সরকার তখন মহামারী রুখতে ওইরকম সিদ্ধান্তই নিয়েছিল। সরকারি নির্দেশে সব কলেজ বন্ধ হয়ে গেল। বেশিরভাগ ছাত্র যদিও তার মাস দুই আগে থাকতেই বাড়ি চলে এসেছে। নিউটনও তাই করলেন। ইংল্যান্ডের উলস্থর্প বলে একটি জায়গায় ছিল তার গ্রামের বাড়ি। তিনি ওখানেই চলে এলেন। ১৬৬৬-র শীতের মরশুম পার হলে, মহামারীর দাপট কিছুটা কমার খবর আসে। কিন্তু বিশ্ববিদ্যালয় তখনও বন্ধ। ফলে গ্রামের বাড়িতেই থেকে গেলেন নিউটন। একদম যেন এখনকার মতো পরিস্থিতি। নিউটন কিন্তু বাড়িতে বসে আমোদ করে কাটাননি। ওই সময়তে উনি বস্তুকণার গতি সংক্রান্ত ধারণা নিয়ে চিন্তাভাবনা করতে থাকেন। এই গবেষণার ফলই পরবর্তীকালে তার লেখা বিখ্যাত বই ‘প্রিন্সিপিয়া’তে (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) পরিণতি পেয়েছিল। নিউটনের ৩টি গতিসূত্র আছে। তবে প্রাসের গতি বোঝার জন্য আমাদের দরকার দ্বিতীয়টি। এই সূত্রে নিউটন বলেছেন কোনো বস্তুর ওপর বল প্রয়োগ করলে কীভাবে তার গতিতে পরিবর্তন হয়। যদি কোনো চলন্ত বস্তুর ওপর যে বল কাজ করছে, তার পরিমাণ জানা সম্ভব হয়, তাহলে এই গাণিতিক সূত্র ধরে দু-লাইন অঙ্ক কষলেই আমরা নিখুঁতভাবে বলে দিতে পারব বস্তুর গতিপথ (Trajectory) কেমন হবে। প্রাসের ক্ষেত্রে এই অঙ্কের সিদ্ধান্ত বলে তার পাল্লা (Horizontal Range) মূলত ২টি জিনিসের ওপর নির্ভর করে: ক) কত জোরে প্রাসটিকে ছোঁড়া হচ্ছে অর্থাৎ ঠিক ছোঁড়ার সময় তার গতিবেগ (Initial Velocity) কত ছিল খ) অনুভূমিকের সাথে কত কোণ (Initial Throw Angle) করে ছোঁড়া হচ্ছে। এখন যদি এমন হয় যেখান থেকে প্রাসটিকে ছোঁড়া হচ্ছে (Launching Point) আর সেটি যেখানে গিয়ে পৌঁছোচ্ছে (Landing Point) দুটোই মাটি থেকে একই উচ্চতায় আছে, তাহলে সমাধান সহজেই হয়ে যায়। কিন্তু অ্যাথলেটিক্সে বল্লম ছোঁড়ার সময় সেটা হয় না। খেলোয়াড় তার উচ্চতা অনুযায়ী মাটির খানিকটা উঁচু থেকে বল্লমটি ছোঁড়েন। এরপর যদ্দুর পর্যন্ত যাওয়ার পর বল্লমের ডগা মাটি ছোঁয়, সেটায় ওই খেলোয়াড়ের বল্লমের পাল্লা হিসেবে উল্লেখ করা হয়। আমাদের নীরজের ক্ষেত্রে এটা ছিল প্রায় ৮৭.৫৮ মিটার। তাহলে প্রাসের আলোচনায় গ) কোন উচ্চতা থেকে সেটাকে ছোঁড়া হচ্ছে (Initial Throw Height) সেটার গুরুত্বও কম নয়। আবার এমন নয় অলিম্পিকে বল্লম ছোঁড়ার প্রতিযোগিতা যেখানে হচ্ছিল সেখানে কোনো বাতাস ছিল না। বাতাসের মধ্যে বল্লম ছুঁড়লে তার পাল্লা নির্ণয়ের অঙ্কটা আরও শক্ত হয়ে যায়। বাতাস কোনদিকে বইছে এবং তার গতির মানের ওপর পাল্লা নির্ভর করে। সেসব নিয়ে বিস্তর চর্চা করার জন্য পদার্থবিজ্ঞানের একটি শাখা তৈরি হয়েছে—বায়ুগতিবিদ্যা (Aerodynamics)। খাটুনি কমানোর জন্য ধরে নেওয়া যেতে পারে বাতাস না থাকলে প্রাসের পাল্লা যা হওয়া উচিৎ ছিল, বাতাসের বাধা থাকায় সেটা একটু কমে যাবে।

এখন অঙ্কটা করার সময় ধরে নেওয়া হল প্রাসটি ছোঁড়া হয়েছিল মোটামুটি ৫ ফুট ১০ ইঞ্চি উচ্চতা থেকে অনুভূমিকের সাথে ৪৫ ডিগ্রি কোণ করে। তবে, ৩টি আলাদা প্রাথমিক বেগের জন্য প্রাসের পাল্লা কী হবে গুছিয়ে ১ নং ছকে দেখানো হল।

শর্ত	বাতাসের বাধা নেই	বাতাসের বাধা আছে
যে গতিবেগে প্রাসটি ছোঁড়া হচ্ছে	প্রাসের সীমা	প্রাসের সীমা
৯০ কি.মি. প্রতি ঘণ্টা	৬৩.৬৪ মিটার	৬২.৯৫৭ মিটার
১০০ কি.মি. প্রতি ঘণ্টা	৭৮.৫৬৭ মিটার	৭৭.৬৩২ মিটার
১২০ কি.মি. প্রতি ঘণ্টা	১১০.৭৮ মিটার	১০৯.২৩ মিটার

অর্থাৎ, যত বেশি জোরে ছোঁড়া হবে, বল্লম তত দূরে গিয়ে পড়বে।

এবার একটা অন্য প্রসঙ্গে আসা যাক। ধরা যাক, প্রাসটিকে আগের মতো উচ্চতা থেকেই ঘণ্টায় ১০৮ কিমি বেগে ছোঁড়া হল। তাহলে কোন্ কোণে প্রাস ছোঁড়া হলে পাল্লা কেমন হবে সেটা ২ নং ছকে ব্যাখ্যা করা হয়েছে।

শর্ত	বাতাসের বাধা নেই	বাতাসের বাধা আছে
যে কোণে প্রাসটি ছোঁড়া হচ্ছে	প্রাসের সীমা	প্রাসের সীমা
৬০ ডিগ্রি	৭৮ মিটার	৭৬.৭৯৬ মিটার
৪৫ ডিগ্রি	৯১.২১৭ মিটার	৯০.০৫ মিটার
২০ ডিগ্রি	৬২.০২ মিটার	৬১.৬১২ মিটার

তার মানে ৪৫ ডিগ্রিই হল সেই উপযুক্ত কোণ যাতে প্রাসের পাল্লা সবচেয়ে বেশি হয়। তার চেয়ে কমবেশি হলেই পাল্লা কমে যাবে।

আবার যদি ধরে নিই প্রাসটি যখন অনুভূমিকের সাথে ৪৫ ডিগ্রি কোণ করে ছোঁড়া হয়েছিল তখন তার প্রাথমিক গতিবেগ ছিল ১০৮ কিমি প্রতি ঘণ্টা। তাহলে দুটি ভিন্ন উচ্চতার ক্ষেত্রে প্রাসের পাল্লার মাপ ৩ নং ছকে লেখা হয়েছে।

শর্ত	বাতাসের বাধা নেই	বাতাসের বাধা আছে
যে উচ্চতা থেকে প্রাসটি ছোঁড়া হচ্ছে	প্রাসের সীমা	প্রাসের সীমা
৪ ফুট	৮৯.০৯ মিটার	৮৭.৯৮ মিটার
৮ ফুট	৯১.২১৭ মিটার	৯০.০৫ মিটার

অর্থাৎ, দেখা যাচ্ছে ৪ ফুটের চেয়ে ফুট দুই বেশি উচ্চতা থেকে একই বেগে একই কোণে প্রাস ছুঁড়লে তার পাল্লা প্রায় ২ মিটার বেড়ে যাবে।

তা বলে এমন নয় যে প্রাসকে বেশি দূরে ছুঁড়তে গেলে তাকে বেশি উচ্চতা থেকেই ছুঁড়তে হবে। কম উচ্চতা থেকে ছুঁড়েও একই পাল্লা পাওয়া যায় যদি ছোঁড়ার সময় গতিবেগ বাড়ানো যায় কিংবা প্রক্ষেপ কোণ পালটানো হয়।

ধরা যাক কেউ ৭ ফুট উচ্চতা থেকে একটা প্রাস ৪৫ ডিগ্রি কোণে ১০৬.৭৪২২ কিমি প্রতি ঘণ্টা গতিবেগে ছুঁড়ল। অঙ্ক বলছে এর সীমা হবে ৯০ মিটার। এখন ওই প্রাসটিকেই যদি ৫ ফুট উচ্চতা থেকে ছোঁড়া হয়, তবে একই সীমা পেতে হলে বেগের মান বাড়িয়ে ঘণ্টায় ১০৭.০৯৬৭ কিমি (৪ নং ছবি) করতে হবে। মানে আরও বেশি জোরে ছুঁড়তে হবে। এখানে মনে হতেই পারে পাল্লার এত কম পার্থক্য নিয়ে মাথা ঘামানোর কারণ কী? কারণ অবশ্যই আছে। অলিম্পিকের মতো আর্ন্তজাতিক স্তরের প্রতিযোগিতায় কয়েক মিলিমিটারের তফাতে পদক হাতছাড়া হয়ে যেতে পারে।

এবার প্রাসের জন্য আমরা যে গণনাটা করলাম, সেটাকে বল্লম ছোঁড়ার ক্ষেত্রে প্রয়োগ করা যাক। প্রথমেই আমাদের মাথায় রাখতে হবে বল্লম বা অ্যাথলিট কেউই একটা বস্তুকণা নয়, অনেকগুলো বস্তুকণার সমবায়ে গড়া একটি বিস্তৃত দৃঢ় বস্তু (Extended Rigid Body)। তাই ছোঁড়ার সময় যখন অ্যাথলিট বল্লমের ওপর বল প্রয়োগ করেন, তখন গোটা বল্লমের ওপর প্রযুক্ত বলের প্রভাব হিসেব করা মুশকিল হয়ে দাঁড়ায়। কিন্তু, যদি ধরে নেওয়া হয় যে বল্লমের সমস্ত বস্তুকণার ভর সংকুচিত হয়ে তার ভরকেন্দ্রে (Centre of Mass) জমা আছে, তাহলে গোটা বল্লমের গতিটাকে শুধুমাত্র তার ভরকেন্দ্রের গতি হিসেবে ভাবা যাবে। অ্যাথলিটের গতির ক্ষেত্রেও একই নিয়ম খাটবে। অলিম্পিকে দেখা যায় সাধারণত অ্যাথলিটরা ঘণ্টায় প্রায় ২০ কিমি বেগে ছুটে এসে বল্লম ছোঁড়েন। ছোঁড়ার সময় অ্যাথলিট তার শরীরের সমস্ত শক্তি কাঁধ হয়ে কনুইয়ের মাধ্যমে বল্লমে পাঠান। তাই, মাটিতে দাঁড়িয়ে থাকা কোনো পর্যবক্ষকের সাপেক্ষে ঠিক ছোঁড়ার মুহূর্তে বল্লমের ভরকেন্দ্রের গতিবেগের মান ২টো জিনিসের ওপর নির্ভর করে: ক) ছোঁড়ার মুহুর্তে অ্যাথলিটের ভরকেন্দ্রের গতিবেগ আর খ) অ্যাথলিটের কব্জির গতিবেগ। এই দুই বেগের যোগফল (Resultant) থেকে বল্লমের প্রাথমিক বেগ চূড়ান্তভাবে নির্ণয় করা হয়। বেগের যেহেতু মান ও দিক দুই আছে, তাই এই যোগ বীজগণিতের সাধারণ নিয়ম মেনে হয় না; ভেক্টর সংযোজনের নিয়ম অনুযায়ী হয়।

এ তো গেল বোঝানোর সুবিধের জন্য সহজ একটা তুলনা। কিন্তু আসল বল্লম ছোঁড়ার সময় আরও অনেকগুলো বিষয় চলে আসে। বল্লমের মাপ, গঠন, রং করার পর সব জায়গা সমান মসৃণ কিনা… এই সব কিছু বল্লমের গতিপথের পাল্লাকে প্রভাবিত করে। এই জন্যেই অলিম্পিকে প্রতিযোগীদের বল্লমের ওজন, দৈর্ঘ্য কী হবে সব ঠিক করে দেওয়া থাকে। এসব ধরে অঙ্ক কষতে গেলে আর হাতে করে হয় না, আধুনিক কম্পিউটারের সাহায্য নিতে হয়। মুম্বাইয়ের টাটা ইনস্টিটিউট অব ফান্ডামেন্টাল রিসার্চ-এর বিজ্ঞানী ড. অর্ণব ভট্টাচার্য সবকিছু নিয়ে হিসেব করে দেখিয়েছেন মাটি থেকে প্রায় ৩৬ ডিগ্রি কোণ করে বল্লম ছুঁড়লে তুলনামূলকভাবে সবচেয়ে সন্তোষজনক ফল পাওয়া যায়।

সুতরাং দেখা যাচ্ছে নিউটনের ২য় গতিসচত্রকে কাজে লাগিয়ে সূক্ষ্ম মাপজোক করলে একজন অ্যাথলিট নিখুঁত ধারণা পেয়ে যাবেন কীভাবে ছুঁড়লে বল্লম সবচেয়ে বেশি দূরে গিয়ে পড়বে। অ্যাথলিটের শুধু পেশির জোড় থাকলেই চলবে না; শক্তির সাথে তাল মিলিয়ে ছোঁড়ার কৌশলও শেখা চাই। সেই অনুযায়ী অনুশীলন দরকার। তবেই সাফল্য আসবে। নিউটন যখন এই সূত্র দিয়েছিলেন তিনি হয়তো ভাবতেই পারেননি তার সূত্রকে কাজে লাগিয়ে এত কিছু হবে। তাই, দেশের সরকারের উচিৎ মৌলিক বিজ্ঞানের গবেষণাকে গুরুত্বহীন না করে তাকে আরও বেশি করে উৎসাহিত করা। তাতে রাতারাতি তেলের দাম কমবে না ঠিকই, কিন্তু ভবিষ্যতে অনেক কাজ দেবে।

তথ্যসূত্র:
১। https://www.facebook.com/ratul196/posts/3960796094026572

২।https://duniyaadaari.com/%e0%a6%a8%e0%a6%bf%e0%a6%89%e0%a6%9f%e0%a6%a8-%e0%a7%aa/

৩। গাণিতিক গণনা করার সময় ধরে নেওয়া হয়েছে: পৃথিবীর অভিকর্ষ ত্বরণের মান S.I. এককে ১০; বাতাসের বাধা প্রাসের গতিবেগের তাৎক্ষণিক মানের সাথে সমানুপাতিক (FAir ∝ v) ; আপেক্ষিক সমানুপাতিক ধ্রুবকের মান S.I. এককে ০.০০৬।

৪। https://doi.org/10.31459/turkjkin.516625

৫। https://twitter.com/TifrArnab/status/1424235490715176965