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

एक विमान विराम से शुरू होकर रनवे पर 4 m/s² से एकसमान रूप से त्वरित होता है। 1700 m के बाद इसकी चाल v ज्ञात कीजिए।

v₀ = 0a = 4 m/s²s = 1700 m

v = m/s

2.शुद्ध गतिकीकठिन

ज़मीन से 40 m ऊँची छत के किनारे से एक गेंद 11 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 = 11 m/sh₀ = 40 mg = 9.81 m/s²

t = s

3.न्यूटन के नियममध्यम

11 kg का एक गुटका क्षैतिज से 45° पर झुकी घर्षणरहित ढलान पर नीचे फिसलता है। g = 9.81 m/s² लें। ढलान के अनुदिश गुटके का त्वरण a ज्ञात कीजिए।

m = 11 kgθ = 45°μ = 0g = 9.81 m/s²

a = m/s²

4.न्यूटन के नियमकठिन

25° पर झुके रैंप पर एक 4.5 kg गुटका रैंप के शीर्ष पर एक घर्षणरहित घिरनी के ऊपर से हल्की डोरी द्वारा एक लटकते 3.5 kg द्रव्यमान से जुड़ा है। लटकता द्रव्यमान नीचे चलता है। गुटके और रैंप के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.1 है। g = 9.81 m/s² लें। डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।

m₁ = 4.5 kgm₂ = 3.5 kgθ = 25°μ = 0.1g = 9.81 m/s²

T = N

5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद 26 m/s से प्रक्षेपित की जाती है और उसे 35 m दूर गिरना है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। दो संभव प्रक्षेपण कोणों में से छोटा θ ज्ञात कीजिए।

v₀ = 26 m/sR = 35 mg = 9.81 m/s²

θ = °

6.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक 45 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 28 m/s से क्षैतिज से 25° 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 = 28 m/sθ = 25°h = 45 mg = 9.81 m/s²

α = °

7.वृत्तीय गतिमध्यम

1.2 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 = 1.2 mθ = 50°g = 9.81 m/s²

T = s

8.वृत्तीय गतिकठिन

0.5 m लंबी हल्की डोरी पर एक 1.5 kg गेंद को ऊर्ध्वाधर वृत्त में घुमाया जाता है। निम्नतम बिंदु पर इसकी चाल 8.5 m/s है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। उच्चतम बिंदु पर डोरी में तनाव T_top ज्ञात कीजिए।

m = 1.5 kgr = 0.5 mv_bottom = 8.5 m/sg = 9.81 m/s²

T_top = N

9.कार्य और ऊर्जामध्यम

एक 2000 kg कार 6° की ढलान पर स्थिर 36 km/h से ऊपर चढ़ती है। वायु प्रतिरोध और लोटनिक प्रतिरोध मिलकर 650 N हैं। पहियों द्वारा दी जाने वाली आवश्यक शक्ति P, kW में ज्ञात कीजिए।

m = 2000 kgθ = 6°F_r = 650 Nv = 36 km/hg = 9.81 m/s²

P = kW

10.कार्य और ऊर्जाकठिन

10 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 4.5 m ऊँचाई से विराम से छोड़ा जाता है। नीचे वह 2 m लंबी खुरदरी क्षैतिज पट्टी (μ = 0.15) पार करता है और फिर चिकनी सतह पर एक स्प्रिंग (k = 1000 N/m) से टकराता है। स्प्रिंग तक पहुँचने पर गुटके की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 10 kgh = 4.5 mL = 2 mμ = 0.15k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²

v = m/s

11.संवेग और टक्करेंमध्यम

एक 12 g गोली हल्की डोरियों पर लटके 4.5 kg लकड़ी के गुटके में क्षैतिज रूप से दागी जाती है और उसके अंदर रह जाती है। गुटका प्रारंभ से 16 cm ऊँचा होने तक ऊपर झूलता है। g = 9.81 m/s² लें। टक्कर से पहले गोली की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 12 gM = 4.5 kgh = 16 cmg = 9.81 m/s²

v = m/s

12.संवेग और टक्करेंकठिन

एक 15 g गोली 1.5 m लंबी हल्की डोरियों से लटके 1 kg गुटके में क्षैतिज रूप से दागी जाती है और उसमें रह जाती है। डोरियाँ ऊर्ध्वाधर से अधिकतम 10° के कोण तक झूलती हैं। g = 9.81 m/s² लें। टक्कर से पहले गोली की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 15 gM = 1 kgL = 1.5 mθ = 10°g = 9.81 m/s²

v = m/s

13.दृढ़-पिंड घूर्णनमध्यम

एक मोटर 21 kg·m² जड़त्व आघूर्ण वाले एक गतिपालक चक्र को विराम से 28 s में 800 rpm तक लाती है। हानियों को नगण्य मानते हुए उसके द्वारा दी गई औसत शक्ति P_avg kW में ज्ञात कीजिए।

I = 21 kg·m²n = 800 rpmt = 28 s

P_avg = kW

14.दृढ़-पिंड घूर्णनकठिन

एक पतला वलय विराम से शुरू होकर क्षैतिज से 40° पर झुकी ढलान पर बिना फिसले नीचे लुढ़कता है। g = 9.81 m/s² लें। इसकी त्रिज्या 0.2 m है। ढलान के साथ 1.5 m लुढ़कने के बाद इसका कोणीय वेग ω ज्ञात कीजिए।

θ = 40°s = 1.5 mI = m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.2 m

ω = rad/s

15.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

1450 rpm पर एक 0.75 kW मोटर 3 स्टार्ट वाले वर्म को चलाती है। वर्म व्हील में 30 दाँत हैं और ड्राइव की दक्षता 50% है। व्हील शाफ़्ट पर निर्गम बलाघूर्ण T_w ज्ञात कीजिए।

z = 3N_w = 30n = 1450 rpmP = 0.75 kWη = 50%

T_w = N·m

16.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक संयुक्त गियर ट्रेन में निवेश शाफ़्ट पर गियर A (36 दाँत) 3000 rpm पर घूमता है और गियर B (80 दाँत) को चलाता है। गियर C (20 दाँत) B के ही शाफ़्ट पर लगा है और निर्गम शाफ़्ट पर गियर D को चलाता है। निर्गम को 337.5 rpm पर घूमना है। गियर D में कितने दाँत N_D होने चाहिए?

n_in = 3000 rpmA = 36B = 80C = 20n_out = 337.5 rpm

N_D =

17.स्प्रिंग और लोलकमध्यम

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

T = 2.5 sg = 9.81 m/s²

L = m

18.स्प्रिंग और लोलककठिन

450 m/s से चलती एक 20 g गोली घर्षणरहित सतह पर रखे 3 kg गुटके से टकराकर उसमें रह जाती है। गुटका k = 1300 N/m वाले एक क्षैतिज स्प्रिंग से जुड़ा है। परिणामी दोलन का आयाम A cm में ज्ञात कीजिए।

m = 20 gv = 450 m/sM = 3 kgk = 1300 N/m

A = cm

19.यांत्रिक कंपनमध्यम

एक 5 kg द्रव्यमान 200 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग और 400 N·s/m अवमंदन गुणांक वाले श्यान अवमंदक पर टिका है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

m = 5 kgk = 200 kN/mc = 400 N·s/m

ζ =

20.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 100 kg द्रव्यमान अगल-बगल (समांतर में) दो स्प्रिंगों से लटका है, जिनकी दृढ़ताएँ k₁ = 5 kN/m और k₂ = 5 kN/m हैं। द्रव्यमान समतल रहता है। अवमंदन और स्प्रिंगों के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति f_n Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 100 kgk₁ = 5 kN/mk₂ = 5 kN/m

f_n = Hz

3विलयन

1.शुद्ध गतिकी

उत्तर: v = 116.6 m/s

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

दूरी के बाद चाल

v = √(2·a·s) = √(2·4·1700) = 116.6 m/s

उत्तर

v = 116.6 m/s

(419.8 km/h)

2.शुद्ध गतिकी

उत्तर: t = 4.189 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।

गति का समीकरण

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

−40 = 11·t − ½·9.81·t²

4.905·t² − 11·t − 40 = 0

द्विघात समीकरण हल करें

केवल धनात्मक मूल ही भौतिक रूप से सार्थक है।

t = (11 + √(11² + 2·9.81·40))/9.81 = 4.189 s

उत्तर

t = 4.189 s

3.न्यूटन के नियम

उत्तर: a = 6.937 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 45° − 0·cos 45°) = 9.81·(0.7071 − 0) = 6.937 m/s²

उत्तर

a = 6.937 m/s²

4.न्यूटन के नियम

उत्तर: T = 29.23 N

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.

डोरी के साथ बल

m₂·g = 34.34 N

m₁·g·sin θ = 18.66 N

μ·m₁·g·cos θ = 4.001 N

निकाय का त्वरण

a = (34.34 − 18.66 − 4.001)/8 = 1.46 m/s²

लटकते द्रव्यमान से तनाव

m₂·g − T = m₂·a → T = 3.5·(9.81 − 1.46) = 29.23 N

उत्तर

T = 29.23 N

5.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: θ = 15.26 °

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.

परास सूत्र

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·35/26² = 0.5079

कोण

2θ = 30.52° → θ = 15.26°

उत्तर

θ = 15.26°

दूसरा हल 90° − θ = 74.74° है।

6.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: α = 51.57 °

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 = 28·cos 25° = 25.38 m/s

v_y0 = 28·sin 25° = 11.83 m/s

टकराने पर ऊर्ध्वाधर चाल

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

v_y = √(11.83² + 2·9.81·45) = 31.98 m/s

टकराने का कोण

tan α = v_y/v_x = 31.98/25.38 → α = 51.57°

उत्तर

α = 51.57°

7.वृत्तीय गति

उत्तर: T = 1.762 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 = 1.2·sin 50° = 0.9193 m

चाल

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

v = √(r·g·tan θ) = √(0.9193·9.81·tan 50°) = 3.278 m/s

आवर्तकाल

T = 2π·r/v = 2π·0.9193/3.278 = 1.762 s

उत्तर

T = 1.762 s

8.वृत्तीय गति

उत्तर: T_top = 143.2 N

शीर्ष पर चाल

2r ऊँचाई पर गतिज ऊर्जा स्थितिज ऊर्जा में बदलती है।

v_top² = 8.5² − 4·9.81·0.5 = 52.63 m²/s²

शीर्ष पर बल

तनाव और गुरुत्व दोनों नीचे, केंद्र की ओर हैं।

T + m·g = m·v_top²/r

T = 1.5·52.63/0.5 − 1.5·9.81 = 143.2 N

उत्तर

T_top = 143.2 N

9.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: P = 27.01 kW

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)। शक्ति बल गुणा चाल है: P = F·v।

चालक बल

m·g = 2000·9.81 = 19620 N

mg·sin θ = 19620·sin 6° = 2051 N

F = 2051 + 650 = 2701 N

शक्ति

v = 36/3.6 = 10 m/s

P = F·v = 2701·10 = 27008 W = 27.01 kW

उत्तर

P = 27.01 kW

10.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 9.078 m/s

खुरदरी पट्टी के बाद शेष ऊर्जा

रैम्प चिकना है, इसलिए केवल पट्टी ऊर्जा हटाती है।

mgh − μmgL = 98.1·(4.5 − 0.15·2) = 412 J

स्प्रिंग पर चाल

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·4.2) = 9.078 m/s

उत्तर

v = 9.078 m/s

11.संवेग और टक्करें

उत्तर: v = 666.2 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 झूलना

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.16) = 1.772 m/s

टक्कर

m·v = (m + M)·V → v = (0.012 + 4.5)·1.772/0.012 = 666.2 m/s

उत्तर

v = 666.2 m/s

12.संवेग और टक्करें

उत्तर: v = 45.25 m/s

गुटके का उठान

h = L·(1 − cos θ) = 1.5·(1 − cos 10°) = 0.02279 m

टक्कर के बाद चाल

V = √(2·9.81·0.02279) = 0.6687 m/s

टक्कर

v = (m + M)·V/m = 1.015·0.6687/0.015 = 45.25 m/s

उत्तर

v = 45.25 m/s

13.दृढ़-पिंड घूर्णन

उत्तर: P_avg = 2.632 kW

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.

कोणीय वेग

ω = 2π·800/60 = 83.78 rad/s

ऊर्जा

E = ½·I·ω² = ½·21·83.78² = 73693 J

औसत शक्ति

P_avg = E/t = 73693/28 = 2632 W = 2.632 kW

उत्तर

P_avg = 2.632 kW

14.दृढ़-पिंड घूर्णन

उत्तर: ω = 15.38 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.

गिरी हुई ऊँचाई

h = s·sin θ = 1.5·sin 40° = 0.9642 m

लुढ़कने के साथ ऊर्जा संतुलन

बिना फिसले लुढ़कना: ω = v/r, और संपर्क बिंदु पर घर्षण कोई कार्य नहीं करता।

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 1)

v = √(2·9.81·0.9642/2) = 3.075 m/s

ω = v/r = 3.075/0.2 = 15.38 rad/s

उत्तर

ω = 15.38 rad/s

15.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: T_w = 24.7 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

व्हील की चाल

n_w = n·z/N_w = 1450·3/30 = 145 rpm

निर्गत बलाघूर्ण

ω_w = 2π·145/60 = 15.18 rad/s

T_w = η·P/ω_w = 0.5·750/15.18 = 24.7 N·m

उत्तर

T_w = 24.7 N·m

16.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: N_D = 80

मध्यवर्ती शाफ़्ट की चाल

n_B = n_C = 3000·36/80 = 1350 rpm

गियर D के दाँत

N_D = C·n_C/n_out = 20·1350/337.5 = 80

उत्तर

N_D = 80

17.स्प्रिंग और लोलक

उत्तर: L = 1.553 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·(2.5/2π)² = 1.553 m

उत्तर

L = 1.553 m

18.स्प्रिंग और लोलक

उत्तर: A = 14.36 cm

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

टक्कर के बाद चाल

V = m·v/(m + M) = 0.02·450/3.02 = 2.98 m/s

कोणीय आवृत्ति

ω = √(k/(m + M)) = √(1300/3.02) = 20.75 rad/s

आयाम

A = V/ω = 2.98/20.75 = 0.1436 m = 14.36 cm

उत्तर

A = 14.36 cm

19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: ζ = 0.2

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।

क्रांतिक अवमंदन

c_c = 2·√(k·m) = 2·√(200000·5) = 2000 N·s/m

अवमंदन अनुपात

ζ = c/c_c = 400/2000 = 0.2

उत्तर

ζ = 0.2

ζ < 1, इसलिए तंत्र अल्प-अवमंदित है और क्षीण होते हुए दोलन करता है।

20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_n = 1.592 Hz

तुल्य दृढ़ता

अगल-बगल के स्प्रिंग विक्षेप साझा करते हैं और उनके बल जुड़ते हैं, इसलिए उनकी दृढ़ताएँ सीधे जुड़ती हैं: k = k₁ + k₂।

k_eq = 5 + 5 = 10 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(10000/100) = 10 rad/s

f_n = 10/(2π) = 1.592 Hz

उत्तर

f_n = 1.592 Hz

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