– डॉ. अभय खानदेशे

दररोजच्या वापरातलं रबर बँड घ्या आणि ताणा. न तुटता बऱ्याच लांबपर्यंत ताणता येईल. ताण जर काढून घेतला तर रबर मूळ अवस्थेला येईल. हा खेळ आपण सर्वानी अनेकदा केलेला असतो. आता तोच प्रयोग म्हणून काळजीपूर्वक करूयात. रबराची मूळ लांबी आधी मोजून घ्या. मग हळूच ताणा, ताण सोडा आणि लांबी मोजा. मूळ लांबी इतकीच असेल. हळूहळू ताण वाढवा. असं जवळपास तुटण्याच्या मर्यादेपर्यंत करा. (तोडू नका) या मर्यादेला, रबराची लांबी मूळ लांबीपेक्षा वाढलेली दिसेल. ज्या मर्यादेपर्यंत ताण काढल्यावर रबर मूळ लांबीला परत येते, ती रबराची लवचीकतेची मर्यादा. (इलॅस्टिक लिमिट.) बांधकामासाठी वापरण्यात येणाऱ्या प्रत्येक घटकाची (अगदी काँक्रीटसुद्धा) अशी लवचीकतेची मर्यादा प्रयोगशाळेत शोधता येते. या आकडय़ाला सुरक्षा गुणकाने (फॅक्टर ऑफ सेफ्टी) भागून येणारे उत्तर, ही त्या वस्तूची भार वाहण्याची क्षमता.

जगभर बहुतांश संरचना (डिझाईन) इलॅस्टिक लिमिटच्या संकल्पनेवर आधारित केलेल्या असतात. अगदी बारावी भौतिकशास्त्रात (सीबीएससी, आयसीएससीला कदाचित आधी असेल.) शिकविला जाणारा हा नियम शोधला रॉबर्ट हुक या शास्त्रज्ञाने सतराव्या शतकामध्ये. बांधकामाच्या कलेचं शास्त्रात रूपांतर होण्यात, खास करून इमारतीच्या लवचीकतेच्या या सिद्धांताचा मोठा वाटा आहे. त्यामुळे इमारतीची गणिती प्रतिकृती (मॅथेमॅटिकल मॉडेल) तयार करून भार दिला असताना इमारतीचा प्रतिसाद बराचसा अचूक वर्तवता येऊ लागला.

कॉलम अथवा पिलर हा इमारतीचा महत्त्वाचा घटक. सर्वात महत्त्वाचा म्हटला तरी चालेल. कारण छत किंवा बीम पडले तर इमारतीचा फक्त तेवढा भाग पडेल; पण पिलर जर पडला तर पूर्ण इमारतीला धोका संभवतो. तळमजल्यावरचे कॉलम, इमारतीचे नूतनीकरण करताना कापल्याने पूर्ण इमारत पडल्याच्या घटना कायम घडत असतात. ९/११ सारख्या वर्ल्ड ट्रेड सेंटरवर विमान धडकल्याच्या किंवा कॉलम कापल्याच्या घटना सोडल्या तर असे हे कॉलम पडण्याची तांत्रिक महत्त्वाची कारणे दोन. एक म्हणजे चिरडून (क्रिशग) आणि दुसरे वाकून (बकिलग). पैकी दररोजच्या वापरात क्रिशगने कॉलम पडण्याची शक्यता आणि इतिहास अगदी अपवादात्मक.

एक सोपा प्रयोग करूयात. घरातली झाडूची एक लांब काडी घ्या. टेबलावर उभी करा. आता बोटाने वरून दाब द्या. काडी मधोमध गोलाकार वाकेल. दाब वाढवल्यास मोडेल, पण चुकूनही काडी चिरडली जाणार नाही. हाच प्रयोग पेन्सिल अथवा पेनवर केला तरी असेच होईल. कॉलमची बकिलग क्षमता, क्रिशगच्या क्षमतेपेक्षा बरीच कमी असते. अर्थात कॉलम पडण्याची उदाहरणे प्रामुख्याने मधे वाकल्याने! वरील प्रयोग करताना एक गोष्ट जाणवेल; काडीच्या तुलनेत पेन्सिल वाकवायला जास्त जोर लावावा लागतो. याचाच अर्थ, कॉलमची जाडी वाढवली आणि उंची कमी केली तर बकिलग क्षमता वाढेल. तर अशी कुठल्याही धातूच्या (लोखंडी, काँक्रीट, लाकडी, अल्युमिनिअम..) कॉलमची बकिलग क्षमता गणिताने काढण्याचा नियम स्विस गणितज्ञ लिओनाडरे युलरच्या नावावर आहे. साल १७५७. किरकोळ बदल/दुरुस्त्या सोडल्या तर आजही बहुसंख्य कॉलम, युलरच्या सूत्रानुसार डिझाईन केले जातात. ‘बहुमजली इमारतींचे खालच्या काही मजल्यांचे कॉलम, वरच्या सर्व मजल्यांचा भार तोलण्यासाठी आकाराने मोठे असावे लागतात. वन बीएचके फ्लॅटमधील बरीच वापराची जागा, अशा मोठय़ा कॉलमने कमी होऊ शकते. मग बिल्डरचा आर्किटेक्ट व इंजिनीअरवर कॉलमचा आकार कमी करण्यासाठी दबाव येऊ लागतो. ‘झिरो फिगर’ आदर्श असणाऱ्या आजच्या काळात त्यामुळे कॉलमही सडपातळ होऊ लागले आहेत.

कॉलमनंतर इमारतीचा महत्त्वाचा घटक बीम किंवा तुळई. वर उल्लेखलेल्या लवचीकतेच्या मर्यादेवर आधारित बीमचा सिद्धांत प्रसिद्ध केला लुई नेविअरने १८२६ मधे. मागील अनेक लेखांत उल्लेख आलेल्या ट्रसचे (मराठी विश्वकोशातला शब्द कैची) विश्लेषण करून त्याच्या प्रत्येक घटकावर येणारा भार काढण्याच्या पद्धती शोधल्या याचं काळात मॅक्सवेल आणि इतरांनी. आतापर्यंत इमारतीच्या एकेकटय़ा घटकावर (बीम किंवा कॉलम) येणाऱ्या भाराचा परिणाम शोधला गेला होता. न्यूटनच्या फक्त गतीच्या नियमाचा उपयोग करून स्थिरदृष्टय़ा निश्चित (स्टॅटिकली डिटरमिनेट) बांधकामावर येणारे भार अचूक काढण्याच्या पद्धतीचा शोध ओट्टो मोरचा, १८७४ मधला. म्हणजे तोपर्यंत सर्व काही स्वयंप्रज्ञेवर चालू होतं. एकोणिसाव्या शतकातील जवळपास सर्व इमारती या स्टॅटिकली डिटरमिनेट पद्धतीने विश्लेषण करून तशाच बांधण्यात आल्या.

औद्योगिक क्रांतीने समाजात समृद्धी, पक्षी- पसा आणला. सामाजिक जीवनात जे अनेक बदल घडले त्यात आर्थिक समृद्धीचा मोठाच वाटा आहे. तोपर्यंत प्रतिष्ठेची व आव्हानात्मक बांधकामे एक तर राजाकडून होत किंवा धर्मप्रसारार्थ चर्चकडून केली जात. अर्थात आर्किटेक्टला मोजकीच कामे असत. साहजिक बराच वेळ हाताशी असल्याने, आर्किटेक्ट व इंजिनीअर अशी दोन्ही कामे तो करत असावा. औद्योगिक क्रांतीमुळे समाजातल्या अनेक स्थरांत जास्त पसा आल्याने आर्किटेक्टची कामे बऱ्यापैकी वाढली. आता स्वत:ची कामे पूर्ण करून इंजिनीअरची कामे करण्यास त्याला वेळ कमी पडू लागला. त्याचबरोबर वर पाहिलेल्या शोधांमुळे, बांधकामशास्त्रातील अनुभव, आडाखे आणि अंदाजांची जागा गणिती आकडेमोडीने घ्यायला सुरुवात केली होती. संरचना अभियांत्रिकी ही इमारतीची गणिती प्रतिकृती तयार करून सुरक्षित व किफायतशीर सल्ला देणारी, स्थापत्यशास्त्राची उपशाखा म्हणून उदयास येऊ लागली. पॅरिसमध्ये १८११ साली बांधलेल्या धान्य साठवण्यासाठीच्या गोदामासाठी आर्किटेक्ट आणि इंजिनीअर या दोन स्वतंत्र व्यक्ती होत्या. हा बहुतेक अशा प्रकारचा पहिला प्रकल्प. आज प्रकल्पासाठी आर्किटेक्ट, स्ट्रक्चरल इंजिनीअर, लँडस्केप आर्टस्टि, प्लम्बिंग, इलेक्ट्रिकल, एअर कंडिशिनग, फायर, लिफ्ट, सिक्युरिटी, इत्यादी अनेक विषयांतील तज्ज्ञांची फौज लागते. कधी कधी या सर्वाना एकत्र ठेवण्यासाठी (को-ऑर्डिनेशन) प्रोजेक्ट मॅनेजमेंट कन्सल्टंट नेमला जातो.

आता अभियंत्यांच्या संघटना किंवा संस्था सुरू व्हायला सुरुवात झाली. बहुतेक जगात सर्वप्रथम लंडन येथे, इन्स्टिटय़ूशन ऑफ सिव्हिल इंजिनीअर्सची स्थापना झाली सन १८१८ मध्ये. अमेरिकेतली इन्स्टिटय़ूट ऑफ आर्किटेक्ट, त्यामानाने बरीच नंतरची, १८५७ सालातली. आपण स्वातंत्र्याची पहिली लढाई करत होतो तेव्हाची. तुलनेत आर्किकटेक्ट आणि इंजिनीअर यांची सरकारी अधिकृत नोंदणी होण्यास (लायसन्स मिळण्यास) १८९७ साल उजाडावे लागले, तेही अमेरिकेत. जाता जाता वकील, डॉक्टर, सीए व आर्किकटेक्ट यांची आपल्या देशात सरकारदरबारी, पुष्कळ अचूक आणि अधिकृत नोंदणी असून, लायसन्स नसणाऱ्यांना व्यवसाय करणे बऱ्यापैकी अवघड आहे. मात्र कुठल्याही शाखेच्या इंजिनीअरची, केंद्र व राज्य दोन्ही शासनाकडे कसलीच अधिकृत नोंदणीची व्यवस्था नाही. इमारतीच काय, पण पूलही कोसळणे औद्योगिक उत्पादनाचा दर्जा आणि क्षमता जागतिक सरासरीपेक्षा कमी असणे, देशाचा बराचसा प्रदेश दिवसाचा मोठा काळ अंधारात असणे याचा गुणवत्ता आणि इंजिनीअरची अधिकृत नोंदणी याच्याशी काहीही संबंध नाही असे समजणे धारिष्टय़ाचे ठरेल. असो.

अमेरिकेच्या चलनातील सर्वात मोठी नोट १०० डॉलरची. त्या नोटेवर ज्याचं चित्र आहे त्या बेंजामिन फ्रँकलिनने आकाशातून पडणारी वीज आणि स्थिर विद्युत यातील संबंध शोधला. त्या काळात कोळशाच्या गॅसवर वीजनिर्मिती होत असे. भूमिगत नळातून घरगुती वापरासाठी कोळशाचा गॅस पुरवणारी कंपनी लंडनमध्ये १८१२ मध्ये सुरू झाली. या गॅसचा तिहेरी उपयोग होता. इमारत उबदार ठेवणे, स्वयंपाक करणे आणि घर प्रकाशमान करणे. अर्थात हा गॅस बऱ्यापैकी महाग असे. साहजिक त्याचा उपयोग उच्चभ्रू वर्गातही घर उजळविण्यासाठीच होत असे. इमारत उबदार ठेवण्यासाठी फायरप्लेस होतीच; पण कोळसा किंवा लाकडाच्या ज्वलनाने होणारा धूर आणि घरातील सर्व वस्तूंवर जमा होणारी काजळी (कार्बन सूट) हा सर्वाच्या आणि खास करून स्त्री वर्गासाठी अत्यंत चिंतेचा विषय होता. लवकरच या गॅसची जागा वाफेने घेतली. जेम्स वॅटने स्वत:च्या कार्यालयाच्या िभतीत नळ टाकून पाण्याची वाफ फिरवली होती- कार्यालय उबदार राखण्यासाठी. अर्थात पाण्यापासून वाफ तयार करण्यासाठी इंधन कोळशाचं होतं.

सार्वजनिक पिण्याचे पाणी व सांडपाणी या दोन्ही व्यवस्थेत या काळात बरेच बदल घडले. फ्रान्सच्या १४व्या लुईने व्हर्सायसाठी (तेच पहिल्या महायुद्धाचा करार झाला ते) बनवलेली नळयोजना अगदी १७व्या शतकातील. पाण्याचा प्रवाह मोठय़ा एकमेकांत गुंतवलेल्या चाकांवर सोडून निर्माण होणाऱ्या ऊर्जेवर मार्न नदीचे पाणी जवळजवळ १० मल पंप केले जाई, पण पॅरिससारख्या महानगरासाठी १८१२ मध्ये ओतीव लोखंडाचे (कास्ट आयर्न) पाइप वापरून वाफेच्या शक्तीवर चालणारी नळयोजना बनविण्यात आली जगात प्रथमच. संकल्पना होती नेपोलियन बोनापार्टची.

विज्ञान आणि इंजिनीअरिंगचा कट्टर पुरस्कर्ता असलेला नेपोलियन इजिप्तच्या स्वारीवर निघाला तेव्हा चारशे युद्धनौका आणि हजारो सनिकांच्या सोबत होते १५० शास्त्रज्ञ आणि अभियंते. लढाईत मदतीसाठी नाही तर इजिप्त जिंकल्यावर (तो जिंकणारच होता. त्याला अशक्य काहीच नव्हतं.) तिथल्या शास्त्र आणि अभियांत्रिकीच्या ज्ञानाची माहिती करून घेण्यासाठी. त्याचा फ्रान्सला प्रगतिपथावर न्यायला उपयोग होईल म्हणून. अशी नोंद इतिहासात यापूर्वी सापडत नाही. त्या शास्त्रज्ञ आणि अभियंते यांनीही, नेपोलियनच्या दूरदृष्टीची जाण ठेवली. १८०९ साली त्यांनी इजिप्तच्या अनुभवांवर लिहिलेला पहिला खंड प्रकाशित केला आणि १८२८ पर्यंत एकूण तेवीस खंड क्रमाक्रमाने प्रसिद्ध केले. लक्षात घेण्याची गोष्ट म्हणजे १८१५ ते १८२१ पर्यंत नेपोलियन सेंट हेलेना बेटावर कैदेत होता आणि तिथेच मरण पावला. फ्रान्समध्ये बहुतेक मागच्या सरकारने सुरू केलेले चांगले प्रकल्प, नवीन आलेल्या सरकारने बंद करण्याची पद्धत नसावी.

अभियांत्रिकीचा पाया मजबूत करणारे गणिती ‘लॅगरांजे, लाप्लास आणि फोरियर’. या सर्वाची प्रज्ञा बहरली नेपोलियनच्या कारकीर्दीत, त्याच्या प्रोत्साहनामुळे. इंजिनीअरिंगच्या कुठल्याही शाखेच्या विद्यार्थ्यांला आजही विचारून पाहा, या तिन्ही गणितज्ञांचा प्रचंड दरारा आहे. गणित आवडतं म्हणून विद्यार्थी इंजिनीअरिंगला येतात आणि इंजिनीअरिंगचा सर्वात जास्त विद्यार्थी नापास होणारा विषय गणित असतो. बघू या पुढे कधी तरी याबद्दल.

युरोपातील औद्योगिक महत्त्वाच्या शहरात, गुरुत्वनलिकेच्या तत्त्वावर चालणाऱ्या भूमिगत सांडपाणी योजना १९व्या शतकात सुरू झाल्या. जगातला सांडपाणी प्रक्रिया संयंत्र (सीवेज ट्रीटमेंट प्लँट) बांधायला १८६०च्या आसपास सुरुवात झाली. आपल्या देशातील पुढारलेल्या महाराष्ट्रातील मुंबई, पुणे, ठाणे यांसारखी महत्त्वाची शहरे सोडली तर बाकी जिल्ह्य़ाच्या ठिकाणीसुद्धा सांडपाणी व्यवस्था अत्यंत दयनीय आहे. धातूचं संडास भांडे युरोपात १७७८ मध्ये अस्तित्वात आले आणि शिसे, तांबे, जस्त यांचे भांडे बनत बनत पूर्णविराम मिळाला चिनी मातीची (सिरॅमिक) भांडी बनल्यावर. साल १८७० इंग्लंड. (आपल्याला मात्र २०१८ मध्येही संडास बांधला नाही तर शासकीय अनुदान मिळणार नाही, असा दम द्यावा लागतो.) संडास भांडय़ाच्या त्या वेळच्या आकारात वा रचनेत आजपर्यंत फारसा बदल झालेला नाही.

बाथटबचा शोध १८७० मधला आणि आज आपण वापरतो ते टब बाजारात आले १९१५ मध्ये. बाथटब मात्र आपण हौसेने बसवतो आणि वापर होत नसल्याने, पूर्वी माळ्यावर ठेवायचो ते सामान त्यात भरून ठेवतो. सिमेंट आणि इतर आजतागायत बांधकामाच्या वापरात येणाऱ्या अनेक वस्तूंचे शोध याच काळात लागत होते. बघू या पुढच्या वेळी.

khandeshe.abhay@gmail.com