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

72 km/h से चल रही एक कार रुकने तक 7 m/s² के नियत मंदन से ब्रेक लगाती है। ब्रेक लगाने में कितना समय लगता है? t ज्ञात कीजिए।

v₀ = 72 km/ha = −7 m/s²v = 0

t = s

2.शुद्ध गतिकीकठिन

ज़मीन से 20 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 = 20 mg = 9.81 m/s²

t = s

3.न्यूटन के नियममध्यम

8.5 kg और 5.5 kg के द्रव्यमान एक हल्की, घर्षणरहित घिरनी के दोनों ओर लटके हैं, एक हल्की डोरी से जुड़े। तंत्र को विराम से छोड़ा जाता है। g = 9.81 m/s² लें। द्रव्यमानों का त्वरण a ज्ञात कीजिए।

m₁ = 8.5 kgm₂ = 5.5 kgg = 9.81 m/s²

a = m/s²

4.न्यूटन के नियमकठिन

20° पर झुके रैंप पर एक 3.5 kg गुटका रैंप के शीर्ष पर एक घर्षणरहित घिरनी के ऊपर से हल्की डोरी द्वारा एक लटकते 4.5 kg द्रव्यमान से जुड़ा है। लटकता द्रव्यमान नीचे चलता है। रैंप घर्षणरहित है। g = 9.81 m/s² लें। डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।

m₁ = 3.5 kgm₂ = 4.5 kgθ = 20°μ = 0g = 9.81 m/s²

T = N

5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

एक गेंद समतल ज़मीन से क्षैतिज से 60° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद के ज़मीन से टकराने तक उड़ान का समय t ज्ञात कीजिए।

v₀ = 38 m/sθ = 60°g = 9.81 m/s²

t = s

6.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक 10 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 17 m/s से क्षैतिज से 40° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। यह क्षैतिज से नीचे किस कोण α पर ज़मीन से टकराती है?

v₀ = 17 m/sθ = 40°h = 10 mg = 9.81 m/s²

α = °

7.वृत्तीय गतिमध्यम

1.3 m लंबी डोरी पर एक छोटी गेंद क्षैतिज वृत्त में इस तरह चलती है कि डोरी ऊर्ध्वाधर से स्थिर 50° का कोण बनाती है (शंक्वाकार लोलक)। g = 9.81 m/s² लें। एक चक्कर का समय T ज्ञात कीजिए।

L = 1.3 mθ = 50°g = 9.81 m/s²

T = s

8.वृत्तीय गतिकठिन

0.9 m लंबी डोरी से बँधी 0.7 kg की एक गेंद ऊर्ध्वाधर वृत्त में घुमाई जाती है। निम्नतम बिंदु पर वह 7 m/s से चलती है। g = 9.81 m/s² लें। निम्नतम बिंदु पर डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।

m = 0.7 kgr = 0.9 mv = 7 m/sg = 9.81 m/s²

T = N

9.कार्य और ऊर्जामध्यम

एक खिलौना प्रक्षेपक में 500 N/m कठोरता वाला ऊर्ध्वाधर स्प्रिंग है। उस पर 0.15 kg गेंद रखी जाती है और स्प्रिंग को 4 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 = 0.15 kgk = 500 N/mx = 4 cmg = 9.81 m/s²

h = m

10.कार्य और ऊर्जाकठिन

2.5 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 4 m ऊँचाई से विराम से छोड़ा जाता है। नीचे वह 4 m लंबी खुरदरी क्षैतिज पट्टी (μ = 0.15) पार करता है और फिर चिकनी सतह पर एक स्प्रिंग (k = 2000 N/m) से टकराता है। स्प्रिंग का अधिकतम संपीडन x ज्ञात कीजिए।

m = 2.5 kgh = 4 mL = 4 mμ = 0.15k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²

x = cm

11.संवेग और टक्करेंमध्यम

5 m/s से चल रहा 0.5 kg का एक ग्लाइडर घर्षणरहित पटरी पर विरामावस्था में रखे 5 kg के ग्लाइडर से पूर्णतः प्रत्यास्थ आमने-सामने टक्कर करता है। टक्कर के बाद दूसरे ग्लाइडर का वेग v′₂ ज्ञात कीजिए।

m₁ = 0.5 kgm₂ = 5 kgv₁ = 5 m/sv₂ = 0

v′₂ = m/s

12.संवेग और टक्करेंकठिन

एक चौराहे पर 9 m/s से पूर्व की ओर जा रही एक 1900 kg कार 16 m/s से उत्तर की ओर जा रही एक 900 kg कार से टकराती है। कारें आपस में जुड़ जाती हैं। टक्कर के ठीक बाद मलबे की दिशा θ, पूर्व से उत्तर की ओर मापकर, ज्ञात कीजिए।

m₁ = 1900 kgv₁ = 9 m/s (E)m₂ = 900 kgv₂ = 16 m/s (N)

θ = °

13.दृढ़-पिंड घूर्णनमध्यम

एक 3 kg गुटका एक घिरनी पर लिपटी हल्की डोरी से लटका है; घिरनी 6.5 kg द्रव्यमान और 0.35 m त्रिज्या की एकसमान ठोस डिस्क है जो एक घर्षणरहित क्षैतिज धुरे पर घूमती है। गुटके को विराम से छोड़ा जाता है। g = 9.81 m/s² लें। 1 m गिरने के बाद गुटके की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 3 kgM = 6.5 kgR = 0.35 mg = 9.81 m/s²h = 1 m

v = m/s

14.दृढ़-पिंड घूर्णनकठिन

9.5 kg द्रव्यमान और 1.9 m लंबाई वाली एक एकसमान पतली छड़ अपने ऊपरी सिरे पर एक घर्षणरहित धुरी से विराम में लटकी है। 400 m/s से क्षैतिज चलती एक 20 g गोली धुरी से 0.86 m नीचे छड़ से टकराकर उसमें धँस जाती है। टक्कर के ठीक बाद छड़ का कोणीय वेग ω ज्ञात कीजिए।

M = 9.5 kgL = 1.9 mm = 20 gv = 400 m/sd = 0.86 m

ω = rad/s

15.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

960 rpm पर चल रही एक 2.2 kW मोटर 18 दाँतों और 2.5 mm मॉड्यूल वाले पिनियन को चलाती है। पिनियन के दाँतों पर स्पर्शरेखीय बल F_t ज्ञात कीजिए।

P = 2.2 kWn = 960 rpmN₁ = 18m = 2.5 mm

F_t = N

16.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक संयुक्त गियर ट्रेन में, 960 rpm पर घूम रहे निवेश शाफ़्ट पर लगा गियर A (16 दाँत) गियर B (72 दाँत) को चलाता है। गियर C (12 दाँत) B वाले शाफ़्ट पर ही लगा है और निर्गत शाफ़्ट पर लगे गियर D (50 दाँत) को चलाता है। निर्गत चाल n_out ज्ञात कीजिए।

n_in = 960 rpmA = 16B = 72C = 12D = 50

n_out = rpm

17.स्प्रिंग और लोलकमध्यम

एक सरल लोलक की लंबाई 0.8 m है। g = 9.81 m/s² लें। छोटे दोलनों के लिए उसका आवर्तकाल T ज्ञात कीजिए।

L = 0.8 mg = 9.81 m/s²

T = s

18.स्प्रिंग और लोलककठिन

k = 280 N/m वाले स्प्रिंग पर 1.1 kg का द्रव्यमान साम्यावस्था से 20 cm खींचकर छोड़ा जाता है। उसकी अधिकतम चाल v_max ज्ञात कीजिए।

m = 1.1 kgk = 280 N/mA = 20 cm

v_max = m/s

19.यांत्रिक कंपनमध्यम

एक अवमंदित द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र के मुक्त-कंपन परीक्षण में 15 mm के विस्थापन शिखर के 5 चक्र बाद 1.2 mm का शिखर आता है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

x₀ = 15 mmx₅ = 1.2 mmn = 5

ζ =

20.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 10 kg द्रव्यमान सिरे-से-सिरे जुड़े (श्रेणी में) दो स्प्रिंगों से लटका है: ऊपरी स्प्रिंग k₁ = 20 kN/m और निचला k₂ = 5 kN/m है। अवमंदन और स्प्रिंगों के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति f_n Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 10 kgk₁ = 20 kN/mk₂ = 5 kN/m

f_n = Hz

3विलयन

1.शुद्ध गतिकी

उत्तर: t = 2.857 s

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 = 72/3.6 = 20 m/s

ब्रेकिंग समय

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 20/7 = 2.857 s

उत्तर

t = 2.857 s

2.शुद्ध गतिकी

उत्तर: t = 2.592 s

गति का समीकरण

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

−20 = 5·t − ½·9.81·t²

4.905·t² − 5·t − 20 = 0

द्विघात समीकरण हल करें

केवल धनात्मक मूल ही भौतिक रूप से सार्थक है।

t = (5 + √(5² + 2·9.81·20))/9.81 = 2.592 s

उत्तर

t = 2.592 s

3.न्यूटन के नियम

उत्तर: a = 2.102 m/s²

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

त्वरण

नेट चालक बल भारों का अंतर है; यह कुल द्रव्यमान को चलाता है।

a = (8.5 − 5.5)·9.81/(8.5 + 5.5) = 2.102 m/s²

उत्तर

a = 2.102 m/s²

4.न्यूटन के नियम

उत्तर: T = 25.92 N

डोरी के साथ बल

m₂·g = 44.15 N

m₁·g·sin θ = 11.74 N

μ·m₁·g·cos θ = 0 N

निकाय का त्वरण

a = (44.15 − 11.74 − 0)/8 = 4.05 m/s²

लटकते द्रव्यमान से तनाव

m₂·g − T = m₂·a → T = 4.5·(9.81 − 4.05) = 25.92 N

उत्तर

T = 25.92 N

5.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: t = 6.709 s

प्रक्षेप्य गति: वायु प्रतिरोध के बिना x = v_xt और y = h + v_yt − ½gt²। दोनों दिशाएँ स्वतंत्र हैं, सिवाय इसके कि उनका समय एक ही है।

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

क्षैतिज वेग स्थिर रहता है; ऊर्ध्वाधर गति का नीचे की ओर स्थिर त्वरण g = 9.81 m/s² है।

v_x = v₀·cos θ = 38·cos 60° = 19 m/s

v_y = v₀·sin θ = 38·sin 60° = 32.91 m/s

उड़ान का समय

समान ऊँचाई से प्रक्षेपण और उसी ऊँचाई पर उतरना: t = 2v_y/g।

t = 2·32.91/9.81 = 6.709 s

उत्तर

t = 6.709 s

6.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: α = 53.76 °

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·cos 40° = 13.02 m/s

v_y0 = 17·sin 40° = 10.93 m/s

टकराने पर ऊर्ध्वाधर चाल

ऊर्जा या ऊर्ध्वाधर दिशा में v² = v₀² + 2as।

v_y = √(10.93² + 2·9.81·10) = 17.77 m/s

टकराने का कोण

tan α = v_y/v_x = 17.77/13.02 → α = 53.76°

उत्तर

α = 53.76°

7.वृत्तीय गति

उत्तर: T = 1.834 s

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.

वृत्त की त्रिज्या

r = L·sin θ = 1.3·sin 50° = 0.9959 m

चाल

तनाव और गुरुत्व मिलकर अंदर की ओर बल देते हैं: tan θ = v²/(r·g)।

v = √(r·g·tan θ) = √(0.9959·9.81·tan 50°) = 3.412 m/s

आवर्तकाल

T = 2π·r/v = 2π·0.9959/3.412 = 1.834 s

उत्तर

T = 1.834 s

8.वृत्तीय गति

उत्तर: T = 44.98 N

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।

निम्नतम बिंदु पर बल

केंद्र की ओर (ऊपर) धनात्मक है।

T − m·g = m·v²/r

T = 0.7·9.81 + 0.7·7²/0.9 = 6.867 + 38.11 = 44.98 N

उत्तर

T = 44.98 N

9.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: h = 0.2718 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 = 4 cm = 0.04 m

½kx² = ½·500·0.04² = 0.4 J

ऊँचाई

m·g = 0.15·9.81 = 1.472 N

h = ½kx²/(mg) = 0.4/1.472 = 0.2718 m

उत्तर

h = 0.2718 m

10.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: x = 28.88 cm

खुरदरी पट्टी के बाद शेष ऊर्जा

रैम्प चिकना है, इसलिए केवल पट्टी ऊर्जा हटाती है।

mgh − μmgL = 24.53·(4 − 0.15·4) = 83.39 J

अधिकतम संपीडन

½kx² = 83.39 → x = √(2·83.39/2000) = 0.2888 m = 28.88 cm

उत्तर

x = 28.88 cm

11.संवेग और टक्करें

उत्तर: v′₂ = 0.9091 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 = (0.5 − 5)/(0.5 + 5)·5 = −4.091 m/s

v′₂ = 2·0.5/(0.5 + 5)·5 = 0.9091 m/s

उत्तर

v′₂ = 0.9091 m/s

12.संवेग और टक्करें

उत्तर: θ = 40.1 °

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.

संवेग घटक

p_x = 1900·9 = 17100 kg·m/s

p_y = 900·16 = 14400 kg·m/s

दिशा

tan θ = p_y/p_x = 0.8421 → θ = 40.1°

उत्तर

θ = 40.1°

13.दृढ़-पिंड घूर्णन

उत्तर: v = 3.069 m/s

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.

गुटका और घिरनी

गुटका: m·g − T = m·a

घिरनी: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

त्वरण

a = m·g/(m + M/2) = 3·9.81/(3 + 3.25) = 4.709 m/s²

गिरने के बाद चाल

v = √(2·a·h) = √(2·4.709·1) = 3.069 m/s

उत्तर

v = 3.069 m/s

14.दृढ़-पिंड घूर्णन

उत्तर: ω = 0.6011 rad/s

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.

टक्कर के बाद जड़त्व आघूर्ण

I = M·L²/3 + m·d² = 9.5·1.9²/3 + 0.02·0.86² = 11.45 kg·m²

धुरी के परितः कोणीय संवेग

धुरी बल धुरी से होकर जाता है, इसलिए टक्कर के दौरान वहाँ उसका कोई आघूर्ण नहीं है।

m·v·d = I·ω → ω = 0.02·400·0.86/11.45 = 0.6011 rad/s

उत्तर

ω = 0.6011 rad/s

15.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: F_t = 972.6 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: F_t = 2T/d.

पिनियन पर बलाघूर्ण

ω = 2π·960/60 = 100.5 rad/s

T = P/ω = 2200/100.5 = 21.88 N·m

पिच व्यास

d = m·N = 2.5·18 = 45 mm

स्पर्शरेखीय बल

F_t = 2T/d = 2·21.88/0.045 = 972.6 N

उत्तर

F_t = 972.6 N

16.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n_out = 51.2 rpm

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।

पहला चरण

n_B = 960·16/72 = 213.3 rpm = n_C

दूसरा चरण

n_out = 213.3·12/50 = 51.2 rpm

उत्तर

n_out = 51.2 rpm

कुल अनुपात = 18.75 : 1

17.स्प्रिंग और लोलक

उत्तर: T = 1.794 s

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।

लोलक का आवर्तकाल

T = 2π·√(0.8/9.81) = 1.794 s

उत्तर

T = 1.794 s

18.स्प्रिंग और लोलक

उत्तर: v_max = 3.191 m/s

कोणीय आवृत्ति

ω = √(280/1.1) = 15.95 rad/s

अधिकतम चाल

v_max = A·ω = 0.2·15.95 = 3.191 m/s

उत्तर

v_max = 3.191 m/s

19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: ζ = 0.08014

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।

लघुगणकीय ह्रास

δ = (1/5)·ln(15/1.2) = 0.5051

अवमंदन अनुपात

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.5051/√(39.48 + 0.2552) = 0.08014

उत्तर

ζ = 0.08014

20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_n = 3.183 Hz

तुल्य दृढ़ता

श्रेणी में स्प्रिंग समान बल साझा करते हैं और उनके विक्षेप जुड़ते हैं, इसलिए वे व्युत्क्रम के रूप में मिलते हैं: 1/k = 1/k₁ + 1/k₂।

1/k_eq = 1/20 + 1/5 → k_eq = 20·5/(20 + 5) = 4 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(4000/10) = 20 rad/s

f_n = 20/(2π) = 3.183 Hz

उत्तर

f_n = 3.183 Hz

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