गतिकी: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 20 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

शुद्ध गतिकी

वेग: v = v₀ + a·t
विस्थापन: s = v₀·t + ½·a·t²
समय के बिना: v² = v₀² + 2·a·s
इकाइयाँ: 1 m/s = 3.6 km/h

विधि

जो ज्ञात है उसे सूचीबद्ध करें: v₀, v, a, t और s, इकाइयों सहित।
वह समीकरण चुनें जिसमें आपकी तीन ज्ञात राशियाँ और अज्ञात हो।
एक धनात्मक दिशा चुनें और विपरीत राशियों को ऋण चिह्न दें।
हल करें और जाँचें कि उत्तर भौतिक रूप से उचित है।

न्यूटन के नियम

द्वितीय नियम: ΣF = m·a
भार: W = m·g
गतिज घर्षण: F_f = μ·N
ढलान पर: ढलान के अनुदिश: m·g·sin θ, अभिलंब: m·g·cos θ

विधि

पिंड पर हर बल के साथ मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ।
गति के अनुदिश एक धनात्मक दिशा चुनें।
बलों को गति के अनुदिश और उसके लंबवत घटकों में विभाजित करें (ढलान पर: अनुदिश m·g·sin θ, ढलान में m·g·cos θ)।
गति के अनुदिश ΣF = m·a लगाएँ; घर्षण गति के विरुद्ध μ·N है।

प्रक्षेप्य गति

घटक: v_x = v₀cos θ, v_y = v₀sin θ
स्थिति: x = v_xt, y = h + v_yt − ½gt²
अधिकतम ऊँचाई: H = h + v_y²/(2g)
परास (समतल भूमि): R = v₀²·sin 2θ/g

विधि

प्रक्षेपण वेग को घटकों में विभाजित करें: v_x = v₀·cos θ और v_y = v₀·sin θ।
क्षैतिज गति की चाल नियत होती है; ऊर्ध्वाधर गति का त्वरण −g होता है।
ऊर्ध्वाधर गति से उड़ान का समय ज्ञात करें।
परास ज्ञात करने के लिए उस समय का क्षैतिज गति में उपयोग करें।

वृत्तीय गति

अभिकेंद्र त्वरण: a = v²/r = ω²·r
अभिकेंद्र बल: F = m·v²/r
कोणीय चाल: ω = v/r = 2π/T
समतल मोड़, घर्षण: v_max = √(μ·g·r)

कार्य और ऊर्जा

गतिज ऊर्जा: E_k = ½mv²
स्थितिज ऊर्जा: E_p = mgh
ऊर्जा संतुलन: E_k1 + E_p1 + W = E_k2 + E_p2 + losses
घर्षण का कार्य: W = μ·N·d
शक्ति: P = W/t

संवेग और टक्करें

संवेग: p = m·v
संरक्षण: Σm·v (before) = Σm·v (after)
पूर्णतः अप्रत्यास्थ: v′ = (m₁v₁ + m₂v₂)/(m₁ + m₂)
आवेग: J = F·Δt = m·Δv

विधि

एक धनात्मक दिशा चुनें और हर वेग को उसका चिह्न दें।
पहले का कुल संवेग लिखें: Σm·v।
पूर्णतः अप्रत्यास्थ टक्कर में पिंड बाद में साथ चलते हैं; प्रत्यास्थ टक्कर में गतिज ऊर्जा भी संरक्षित रहती है।
पहले के संवेग को बाद के संवेग के बराबर रखें और हल करें।

दृढ़-पिंड घूर्णन

G के परितः जड़त्व आघूर्ण: छड़ mL²/12, डिस्क ½mR², वलय mR², ठोस गोला (2/5)mR², खोखला गोला (2/3)mR²
समांतर अक्ष प्रमेय: I = I_G + m·d²
परिभ्रमण त्रिज्या: I = m·k²
सिरे के परितः छड़: I = mL²/3
गति का समीकरण: ΣM = I·α
rad/s में चाल: ω = 2π·n/60
गतिज ऊर्जा: E = ½·I·ω²
कार्य और शक्ति: W = T·θ, P = T·ω
बिना फिसले लुढ़कना: v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
कोणीय संवेग: L = I·ω, I₁ω₁ = I₂ω₂
धुरी के परितः टक्कर: m·v·d = I·ω

विधि

अक्ष चुनें: एक स्थिर धुरी, या लुढ़कते पिंडों के लिए द्रव्यमान केंद्र।
मानक परिणामों से उस अक्ष के परितः जड़त्व आघूर्ण ज्ञात करें, खिसकी हुई अक्ष के लिए I = I_G + m·d² का उपयोग करते हुए।
विधि चुनें: त्वरणों और बलों के लिए ΣM = I·α, चालों के लिए ऊर्जा (½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h), टक्करों और अचानक परिवर्तनों के लिए कोणीय संवेग।
रैखिक और कोणीय गति को v = ω·r और a = α·r से जोड़ें, और rpm को rad/s में बदलें।

गियर और गियर ट्रेन

परस्पर जुड़े गियर: n₁·N₁ = n₂·N₂
बलाघूर्ण: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η
शक्ति: P = T·ω, ω = 2π·n/60
संयुक्त गियर ट्रेन: कुल अनुपात = चरण अनुपातों का गुणनफल

स्प्रिंग और लोलक

स्प्रिंग पर द्रव्यमान: T = 2π·√(m/k)
लोलक: T = 2π·√(L/g)
कोणीय आवृत्ति: ω = √(k/m) = 2π/T
अधिकतम चाल और त्वरण: v_max = A·ω, a_max = A·ω²
ऊर्जा: E = ½·k·A²

यांत्रिक कंपन

प्राकृतिक आवृत्ति: ω_n = √(k/m), f_n = ω_n/(2π)
स्थैतिक विक्षेप से: ω_n = √(g/δ_st)
क्रांतिक अवमंदन: c_c = 2√(km) = 2mω_n
अवमंदन अनुपात: ζ = c/c_c
अवमंदित आवृत्ति: ω_d = ω_n√(1 − ζ²)
लघुगणकीय ह्रास: δ = (1/n)·ln(x₀/x_n), ζ = δ/√(4π² + δ²)
समांतर में स्प्रिंग: k = k₁ + k₂
श्रेणी में स्प्रिंग: 1/k = 1/k₁ + 1/k₂

2अभ्यास प्रश्न

1.शुद्ध गतिकीमध्यम

108 km/h से चल रही एक कार रुकने तक 7.5 m/s² के नियत मंदन से ब्रेक लगाती है। ब्रेकिंग दूरी s ज्ञात कीजिए।

v₀ = 108 km/ha = −7.5 m/s²v = 0

s = m

2.शुद्ध गतिकीकठिन

ज़मीन से 25 m ऊँची छत के किनारे से एक गेंद 5 m/s से सीधे ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। फेंकने के कितनी देर बाद वह ज़मीन से टकराती है? t ज्ञात कीजिए।

v₀ = 5 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²

t = s

3.न्यूटन के नियममध्यम

7 kg का एक गुटका क्षैतिज से 20° पर झुकी घर्षणरहित ढलान पर नीचे फिसलता है। g = 9.81 m/s² लें। ढलान के अनुदिश गुटके का त्वरण a ज्ञात कीजिए।

m = 7 kgθ = 20°μ = 0g = 9.81 m/s²

a = m/s²

4.न्यूटन के नियमकठिन

क्षैतिज मेज़ पर रखा 2.5 kg का एक गुटका एक हल्की डोरी द्वारा, जो घर्षणरहित घिरनी के ऊपर से जाती है, 1.5 kg के लटकते द्रव्यमान से जुड़ा है। गुटके और मेज़ के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.1 है। g = 9.81 m/s² लें। डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।

m₁ = 2.5 kgm₂ = 1.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²

T = N

5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद को 10 m/s से क्षैतिज से 50° ऊपर 7 m दूर एक दीवार की ओर किक मारी जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। गेंद किस ऊँचाई y पर दीवार से गुज़रती है?

v₀ = 10 m/sθ = 50°x = 7 mg = 9.81 m/s²

y = m

6.प्रक्षेप्य गतिकठिन

ज़मीन के स्तर से एक गेंद 34 m/s से क्षैतिज से 60° ऊपर फेंकी जाती है। यह नीचे आते समय 27 m ऊँची इमारत की समतल छत पर गिरती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। प्रक्षेपण बिंदु से गिरने के स्थान तक क्षैतिज दूरी x ज्ञात कीजिए।

v₀ = 34 m/sθ = 60°h_roof = 27 mg = 9.81 m/s²

x = m

7.वृत्तीय गतिमध्यम

एक कार 145 m त्रिज्या वाला समतल मोड़ लेती है। टायरों और सड़क के बीच स्थैतिक घर्षण गुणांक 0.8 है। g = 9.81 m/s² लें। वह अधिकतम चाल v_max ज्ञात कीजिए जिस पर कार बिना फिसले मोड़ ले सकती है।

r = 145 mμ_s = 0.8g = 9.81 m/s²

v_max = m/s

8.वृत्तीय गतिकठिन

एक 2.5 kg गाड़ी घर्षणरहित ट्रैक पर 30.4 m की ऊँचाई पर विराम से छोड़ी जाती है और 8 m त्रिज्या वाले ऊर्ध्वाधर लूप से गुज़रती है। g = 9.81 m/s² लें। लूप के तल पर ट्रैक द्वारा गाड़ी पर अभिलंब बल N_bottom ज्ञात कीजिए।

m = 2.5 kgh = 30.4 mR = 8 mg = 9.81 m/s²

N_bottom = N

9.कार्य और ऊर्जामध्यम

एक खिलौना प्रक्षेपक में 1500 N/m कठोरता वाला ऊर्ध्वाधर स्प्रिंग है। उस पर 0.05 kg गेंद रखी जाती है और स्प्रिंग को 6 cm संपीडित करके छोड़ा जाता है। वायु प्रतिरोध और स्प्रिंग के द्रव्यमान को नगण्य मानते हुए वह ऊँचाई h ज्ञात कीजिए जिस तक गेंद उठती है, स्प्रिंग संपीडित होने पर उसकी स्थिति से मापकर।

m = 0.05 kgk = 1500 N/mx = 6 cmg = 9.81 m/s²

h = m

10.कार्य और ऊर्जाकठिन

एक 1 kg गाड़ी 11.2 m की ऊँचाई पर विराम से एक चिकने ट्रैक पर छोड़ी जाती है जो 4 m त्रिज्या वाले ऊर्ध्वाधर वृत्ताकार लूप में जाता है। लूप के शीर्ष पर ट्रैक द्वारा गाड़ी पर लगाया गया अभिलंब बल N ज्ञात कीजिए।

m = 1 kgh = 11.2 mR = 4 mg = 9.81 m/s²

N = N

11.संवेग और टक्करेंमध्यम

7 m/s से चल रहा 3.5 kg का एक ग्लाइडर घर्षणरहित पटरी पर विरामावस्था में रखे 1 kg के ग्लाइडर से पूर्णतः प्रत्यास्थ आमने-सामने टक्कर करता है। टक्कर के बाद दूसरे ग्लाइडर का वेग v′₂ ज्ञात कीजिए।

m₁ = 3.5 kgm₂ = 1 kgv₁ = 7 m/sv₂ = 0

v′₂ = m/s

12.संवेग और टक्करेंकठिन

एक 1600 kg कार एक खड़ी 1000 kg कार से टकराती है। मलबे आपस में जुड़ जाते हैं और रुकने से पहले 12.5 m फिसलते हैं। टायरों और सड़क के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.75 है। g = 9.81 m/s² लें। टक्कर से ठीक पहले पहली कार की चाल v₁ ज्ञात कीजिए।

m₁ = 1600 kgm₂ = 1000 kgd = 12.5 mμ = 0.75g = 9.81 m/s²

v₁ = m/s

13.दृढ़-पिंड घूर्णनमध्यम

1.5 kg द्रव्यमान और 2.1 m लंबाई वाली एक एकसमान पतली छड़ एक सिरे पर पिन से जुड़ी है और क्षैतिज रखी गई है। इसे विराम से छोड़ा जाता है। g = 9.81 m/s² लें। छोड़ने के ठीक बाद इसका कोणीय त्वरण α ज्ञात कीजिए।

m = 1.5 kgL = 2.1 mg = 9.81 m/s²

α = rad/s²

14.दृढ़-पिंड घूर्णनकठिन

एक व्यक्ति घर्षणरहित घूर्णी मेज़ पर खड़ा है और हर हाथ में अक्ष से 0.75 m पर एक 6 kg डम्बल पकड़े है। केवल व्यक्ति और मेज़ का अक्ष के परितः जड़त्व आघूर्ण 2.5 kg·m² है। वे 45 rpm पर घूमते हैं, फिर डम्बलों को अक्ष से 0.3 m तक अंदर खींच लेते हैं। डम्बलों को बिंदु द्रव्यमान मानें। नई चाल n₂ rpm में ज्ञात कीजिए।

I₀ = 2.5 kg·m²m = 2 × 6 kgr₁ = 0.75 mr₂ = 0.3 mn₁ = 45 rpm

n₂ = rpm

15.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

960 rpm पर चल रही एक 1.1 kW मोटर 45 दाँतों वाले पिनियन को चलाती है, जो 50 दाँतों वाले गियर से जुड़ा है। गियर युग्म की दक्षता 95% है। गियर शाफ़्ट पर निर्गत बलाघूर्ण T₂ ज्ञात कीजिए।

P = 1.1 kWn₁ = 960 rpmN₁ = 45N₂ = 50η = 95%

T₂ = N·m

16.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक संयुक्त गियर ट्रेन में, 960 rpm पर घूम रहे निवेश शाफ़्ट पर लगा गियर A (15 दाँत) गियर B (20 दाँत) को चलाता है। गियर C (25 दाँत) B वाले शाफ़्ट पर ही लगा है और निर्गत शाफ़्ट पर लगे गियर D (36 दाँत) को चलाता है। निर्गत चाल n_out ज्ञात कीजिए।

n_in = 960 rpmA = 15B = 20C = 25D = 36

n_out = rpm

17.स्प्रिंग और लोलकमध्यम

1 s आवर्तकाल पाने के लिए सरल लोलक कितना लंबा होना चाहिए? g = 9.81 m/s² लें। L ज्ञात कीजिए।

T = 1 sg = 9.81 m/s²

L = m

18.स्प्रिंग और लोलककठिन

k = 80 N/m वाले स्प्रिंग पर 2.5 kg का द्रव्यमान साम्यावस्था से 4 cm खींचकर छोड़ा जाता है। दोलन की कुल ऊर्जा E ज्ञात कीजिए।

m = 2.5 kgk = 80 N/mA = 4 cm

E = J

19.यांत्रिक कंपनमध्यम

10 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग पर एक 8 kg द्रव्यमान के साथ एक श्यान अवमंदक है जो 0.7 का अवमंदन अनुपात देता है। इसके मुक्त कंपन की अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति f_d Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 8 kgk = 10 kN/mζ = 0.7

f_d = Hz

20.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 100 kg द्रव्यमान स्प्रिंग k₃ = 5 kN/m से लटका है। k₃ का ऊपरी सिरा एक दृढ़ छड़ से जुड़ा है जो अगल-बगल दो स्प्रिंगों k₁ = 100 kN/m और k₂ = 12 kN/m से लटकी है; छड़ समतल रहती है। अवमंदन तथा स्प्रिंगों और छड़ के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति f_n Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 100 kgk₁ = 100 kN/mk₂ = 12 kN/mk₃ = 5 kN/m

f_n = Hz

3विलयन

1.शुद्ध गतिकी

उत्तर: s = 60 m

नियत त्वरण वाली गति: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² और v² = v₀² + 2·a·s। वह समीकरण चुनें जिसमें आपकी तीन ज्ञात राशियाँ और एक वांछित राशि हो, और एक धनात्मक दिशा के अनुसार चिह्न एकसमान रखें।

इकाइयाँ

v₀ = 108/3.6 = 30 m/s

ब्रेकिंग दूरी

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·7.5) = 60 m

उत्तर

s = 60 m

2.शुद्ध गतिकी

उत्तर: t = 2.824 s

गति का समीकरण

ऊपर धनात्मक है और ज़मीन प्रारंभिक बिंदु से h₀ नीचे है।

−25 = 5·t − ½·9.81·t²

4.905·t² − 5·t − 25 = 0

द्विघात समीकरण हल करें

केवल धनात्मक मूल ही भौतिक रूप से सार्थक है।

t = (5 + √(5² + 2·9.81·25))/9.81 = 2.824 s

उत्तर

t = 2.824 s

3.न्यूटन के नियम

उत्तर: a = 3.355 m/s²

न्यूटन का द्वितीय नियम: किसी पिंड पर नेट बल उसके द्रव्यमान और त्वरण के गुणनफल के बराबर होता है, ΣF = m·a। एक मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ, गति की दिशा में एक धनात्मक दिशा चुनें, और उस दिशा में सभी बल जोड़ें: लगाए गए बल, गति के विरुद्ध घर्षण μ·N, और गुरुत्व के घटक।

ढलान के अनुदिश बल

ढलान से नीचे की दिशा धनात्मक है।

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

त्वरण

a = 9.81·(sin 20° − 0·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0) = 3.355 m/s²

उत्तर

a = 3.355 m/s²

4.न्यूटन के नियम

उत्तर: T = 10.12 N

निकाय का त्वरण

a = (m₂·g − μ·m₁·g)/(m₁ + m₂) = (14.71 − 2.453)/4 = 3.066 m/s²

मेज़ पर रखे गुटके से तनाव

T − μ·m₁·g = m₁·a

T = 2.5·3.066 + 2.453 = 10.12 N

उत्तर

T = 10.12 N

5.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: y = 2.525 m

Projectile motion: with no air resistance, x = v_xt and y = h + v_yt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

दीवार तक समय

v_x = 10·cos 50° = 6.428 m/s

t = x/v_x = 7/6.428 = 1.089 s

उस समय ऊँचाई

y = 7.66·1.089 − ½·9.81·1.089² = 2.525 m

उत्तर

y = 2.525 m

दीवार पर गेंद पहले से नीचे आ रही है।

6.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: x = 82.85 m

Projectile motion: with no air resistance, x = v_xt and y = h + v_yt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

v_x = 17 m/s, v_y = 29.44 m/s

छत पर गिरने का समय

बड़ा मूल: गेंद नीचे आ रही है।

27 = 29.44·t − 4.905·t²

t = (29.44 + √(29.44² − 2·9.81·27))/9.81 = 4.874 s

क्षैतिज दूरी

x = v_x·t = 17·4.874 = 82.85 m

उत्तर

x = 82.85 m

7.वृत्तीय गति

उत्तर: v_max = 33.73 m/s

एकसमान वृत्तीय गति: r त्रिज्या के वृत्त पर v चाल से चलती वस्तु केंद्र की ओर a = v²/r से त्वरित होती है, इसलिए उसे भीतर की ओर नेट बल F = m·v²/r चाहिए। यह बल किसी वास्तविक स्रोत से आता है: घर्षण, तनाव, गुरुत्व या अभिलंब बल।

घर्षण अभिकेंद्र बल प्रदान करता है

m·v²/r = μ·m·g

v = √(μ·g·r) = √(0.8·9.81·145) = 33.73 m/s

उत्तर

v_max = 33.73 m/s (121.4 km/h)

8.वृत्तीय गति

उत्तर: N_bottom = 210.9 N

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

ऊर्जा संरक्षण से चाल

v² = 2·9.81·30.4 = 596.4 m²/s²

बल

केंद्र की ओर धनात्मक है।

N = m·v²/R + m·g = 2.5·596.4/8 + 24.53 = 210.9 N

उत्तर

N_bottom = 210.9 N

9.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: h = 5.505 m

कार्य–ऊर्जा सिद्धांत: गतिज ऊर्जा में परिवर्तन सभी बलों द्वारा किए गए कार्य के बराबर है। गुरुत्व और स्प्रिंग को स्थितिज ऊर्जा (mgh और ½kx²) के रूप में लिखने से यह एक संतुलन बन जाता है: प्रारंभिक ऊर्जा = अंतिम ऊर्जा + घर्षण में खोई ऊर्जा (μN·d)।

स्प्रिंग ऊर्जा

x = 6 cm = 0.06 m

½kx² = ½·1500·0.06² = 2.7 J

ऊँचाई

m·g = 0.05·9.81 = 0.4905 N

h = ½kx²/(mg) = 2.7/0.4905 = 5.505 m

उत्तर

h = 5.505 m

10.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: N = 5.886 N

शीर्ष पर चाल

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(11.2 − 8) = 62.78 m²/s²

शीर्ष पर बल

m·g = 1·9.81 = 9.81 N

N = mv²/R − mg = 1·62.78/4 − 9.81 = 5.886 N

उत्तर

N = 5.886 N

गाड़ी ठीक तब लूप पूरा करती है जब h = 2.5R; तब शीर्ष पर N = 0।

11.संवेग और टक्करें

उत्तर: v′₂ = 10.89 m/s

संवेग संरक्षण: जब टक्कर के दौरान कोई बाह्य बल कार्य नहीं करता, तो पहले का कुल संवेग Σm·v बाद के कुल संवेग के बराबर होता है। वेगों की दिशा होती है, इसलिए एक धनात्मक दिशा चुनें और विपरीत दिशा के वेगों को ऋण चिह्न दें। प्रत्यास्थ टक्कर में गतिज ऊर्जा भी संरक्षित रहती है; पूर्णतः अप्रत्यास्थ टक्कर में पिंड आपस में चिपक जाते हैं।

विरामावस्था वाले लक्ष्य से प्रत्यास्थ टक्कर

संवेग और ऊर्जा संरक्षण को साथ हल करने पर ये दो परिणाम मिलते हैं।

v′₁ = (3.5 − 1)/(3.5 + 1)·7 = 3.889 m/s

v′₂ = 2·3.5/(3.5 + 1)·7 = 10.89 m/s

उत्तर

v′₂ = 10.89 m/s

12.संवेग और टक्करें

उत्तर: v₁ = 22.04 m/s

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

टक्कर के बाद चाल

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.75·9.81·12.5) = 13.56 m/s

टक्कर में संवेग

m₁·v₁ = (m₁ + m₂)·V → v₁ = 2600·13.56/1600 = 22.04 m/s

उत्तर

v₁ = 22.04 m/s

(79.34 km/h)

13.दृढ़-पिंड घूर्णन

उत्तर: α = 7.007 rad/s²

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

पिन के परितः आघूर्ण

छोड़ने के क्षण ω = 0, इसलिए कोई अभिकेंद्र त्वरण नहीं है और केंद्र सीधे नीचे की ओर त्वरित होता है।

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9.81/(2·2.1) = 7.007 rad/s²

उत्तर

α = 7.007 rad/s²

14.दृढ़-पिंड घूर्णन

उत्तर: n₂ = 116.3 rpm

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

जड़त्व आघूर्ण

I₁ = 2.5 + 2·6·0.75² = 9.25 kg·m²

I₂ = 2.5 + 2·6·0.3² = 3.58 kg·m²

कोणीय संवेग संरक्षण

n₂ = n₁·I₁/I₂ = 45·9.25/3.58 = 116.3 rpm

उत्तर

n₂ = 116.3 rpm

गतिज ऊर्जा बढ़ती है: अतिरिक्त ऊर्जा उस कार्य से आती है जो व्यक्ति डम्बल अंदर खींचने में करता है।

15.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: T₂ = 11.55 N·m

गियर ट्रेन: परस्पर जुड़े गियरों के दाँतों पर चाल समान होती है, इसलिए n₁·N₁ = n₂·N₂: कम दाँतों वाला गियर तेज़ घूमता है। एक ही शाफ़्ट पर लगे गियर समान चाल से घूमते हैं। शक्ति आगे पहुँचती है (हानियों को घटाकर), इसलिए चाल घटने पर बलाघूर्ण बढ़ता है: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, और P = T·ω, जहाँ ω = 2π·n/60।

मोटर बलाघूर्ण

ω₁ = 2π·960/60 = 100.5 rad/s

T₁ = P/ω₁ = 1100/100.5 = 10.94 N·m

निर्गत बलाघूर्ण

T₂ = 10.94·50/45·0.95 = 11.55 N·m

उत्तर

T₂ = 11.55 N·m

16.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n_out = 500 rpm

पहला चरण

n_B = 960·15/20 = 720 rpm = n_C

दूसरा चरण

n_out = 720·25/36 = 500 rpm

उत्तर

n_out = 500 rpm

कुल अनुपात = 1.92 : 1

17.स्प्रिंग और लोलक

उत्तर: L = 0.2485 m

सरल आवर्त गति: k कठोरता वाले स्प्रिंग पर द्रव्यमान m कोणीय आवृत्ति ω = √(k/m) और आवर्तकाल T = 2π/ω = 2π·√(m/k) से दोलन करता है। L लंबाई वाले सरल लोलक के लिए T = 2π·√(L/g)। आयाम A के साथ अधिकतम चाल A·ω, अधिकतम त्वरण A·ω² और ऊर्जा ½·k·A² होती है।

लंबाई के लिए हल करें

L = g·(T/2π)² = 9.81·(1/2π)² = 0.2485 m

उत्तर

L = 0.2485 m

18.स्प्रिंग और लोलक

उत्तर: E = 0.064 J

कोणीय आवृत्ति

ω = √(80/2.5) = 5.657 rad/s

ऊर्जा

E = ½·k·A² = ½·80·0.04² = 0.064 J

उत्तर

E = 0.064 J

19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_d = 4.018 Hz

द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र का मुक्त कंपन: अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति rad/s में ω_n = √(k/m) है, और Hz में f_n = ω_n/(2π)। एक श्यान अवमंदक c अवमंदन अनुपात ζ = c/c_c देता है, जहाँ क्रांतिक अवमंदन c_c = 2·√(k·m) = 2·m·ω_n। अल्प-अवमंदित तंत्र (ζ < 1) ω_d = ω_n·√(1 − ζ²) पर दोलन करता है। समांतर में स्प्रिंग जुड़ते हैं, k = k₁ + k₂; श्रेणी में स्प्रिंग व्युत्क्रम के रूप में जुड़ते हैं, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂।

अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(10000/8) = 35.36 rad/s

f_n = 35.36/(2π) = 5.627 Hz

अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

f_d = f_n·√(1 − ζ²) = 5.627·√(1 − 0.7²) = 4.018 Hz

उत्तर

f_d = 4.018 Hz

20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_n = 1.101 Hz

तुल्य दृढ़ता

केवल k₁ और k₂ समांतर में हैं। वह जोड़ी k₃ के श्रेणी में है, इसलिए उन्हें व्युत्क्रम के रूप में मिलाएँ।

k₁₂ = 100 + 12 = 112 kN/m

k_eq = 112·5/(112 + 5) = 4.786 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(4786/100) = 6.918 rad/s

f_n = 6.918/(2π) = 1.101 Hz

उत्तर

f_n = 1.101 Hz

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