भौतिकी 1: यांत्रिकी: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 16 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।

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

तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

तरंग चाल: v = fλ, T = 1/f
डोरी: v = √(T/μ), μ = m/L
ध्वनि स्तर: β = 10·log₁₀(I/I₀), I₀ = 10⁻¹² W/m²
बिंदु स्रोत: I = P/(4πr²)
अप्रगामी तरंगें: डोरी या खुली नली f_n = n·v/(2L); बंद नली f_n = n·v/(4L), n विषम
डॉप्लर प्रभाव: f′ = f·(v ± v_o)/(v ∓ v_s)
अपवर्तनांक: n = c/v, λ = λ₀/n
स्नेल का नियम: n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂
क्रांतिक कोण: sin θ_c = n₂/n₁
प्रकाशिक तंतु: NA = sin θ_a = √(n₁² − n₂²)
लेंस और दर्पण: 1/f = 1/d_o + 1/d_i, m = −d_i/d_o, mirror f = R/2
द्वि-झिरी: d·sin θ = mλ, y_m = mλL/d
झरझरी: d = 1/N, d·sin θ = mλ, m_max ≤ d/λ
एकल झिरी: a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

विधि

प्रश्न का प्रकार पहचानें: तरंग चाल, ध्वनि स्तर, अप्रगामी तरंग, डॉप्लर, अपवर्तन, लेंस या दर्पण, या व्यतिकरण।
पहले संबंध लिखें: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) या n·v/(4L), f′ = f(v ± v_o)/(v ∓ v_s), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ।
इकाइयाँ बदलें: nm, mm और cm से m में, और जाँचें कि कोण अभिलंब से मापे गए हैं या नहीं।
चिह्न और औचित्य जाँचें: आभासी प्रतिबिंब का dᵢ < 0 होता है, पास आता स्रोत ऊँचा सुनाई देता है, बंद नली में केवल विषम संनादी होते हैं।

2अभ्यास प्रश्न

1.शुद्ध गतिकीमध्यम

एक विमान को उड़ान भरने के लिए 260 km/h की चाल चाहिए और उपयोगी रनवे 2300 m लंबा है। विराम से शुरू करते हुए, उसे कितना स्थिर त्वरण a चाहिए?

v₀ = 0v = 260 km/hs = 2300 m

a = m/s²

2.शुद्ध गतिकीकठिन

एक मॉडल रॉकेट विराम से सीधे ऊपर प्रक्षेपित किया जाता है। इसका इंजन इसे 1.5 s तक 32 m/s² का स्थिर ऊर्ध्वमुखी त्वरण देता है, जिसके बाद इंजन बंद हो जाता है और रॉकेट मुक्त रूप से चलता है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। रॉकेट द्वारा प्राप्त अधिकतम ऊँचाई h_max ज्ञात कीजिए।

a = 32 m/s²t₁ = 1.5 sg = 9.81 m/s²

h_max = m

3.न्यूटन के नियममध्यम

एक 30 kg स्लेज को क्षैतिज से 15° ऊपर एक रस्सी से 190 N के बल से समतल बर्फ़ पर खींचा जाता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.2 है। g = 9.81 m/s² लें। स्लेज का त्वरण a ज्ञात कीजिए।

m = 30 kgF = 190 Nθ = 15°μ = 0.2g = 9.81 m/s²

a = m/s²

4.न्यूटन के नियमकठिन

क्षैतिज मेज़ पर रखा 3 kg का एक गुटका एक हल्की डोरी द्वारा, जो घर्षणरहित घिरनी के ऊपर से जाती है, 3 kg के लटकते द्रव्यमान से जुड़ा है। गुटके और मेज़ के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.2 है। g = 9.81 m/s² लें। निकाय का त्वरण a ज्ञात कीजिए।

m₁ = 3 kgm₂ = 3 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²

a = m/s²

5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद क्षैतिज से 60° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है और 135 m दूर गिरती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। प्रक्षेपण चाल v₀ ज्ञात कीजिए।

θ = 60°R = 135 mg = 9.81 m/s²

v₀ = m/s

6.प्रक्षेप्य गतिकठिन

ज़मीन के स्तर से एक गेंद 40 m/s से क्षैतिज से 70° ऊपर फेंकी जाती है। यह नीचे आते समय 12 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 = 40 m/sθ = 70°h_roof = 12 mg = 9.81 m/s²

x = m

7.वृत्तीय गतिमध्यम

एक कार 75 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 = 75 mμ_s = 0.8g = 9.81 m/s²

v_max = m/s

8.वृत्तीय गतिकठिन

0.9 m लंबी डोरी से बँधी 1.7 kg की एक गेंद ऊर्ध्वाधर वृत्त में घुमाई जाती है। निम्नतम बिंदु पर वह 9 m/s से चलती है। g = 9.81 m/s² लें। निम्नतम बिंदु पर डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।

m = 1.7 kgr = 0.9 mv = 9 m/sg = 9.81 m/s²

T = N

9.कार्य और ऊर्जामध्यम

1 kg का एक गुटका क्षैतिज से 35° पर झुकी ढलान पर 6 m फिसलता है, गतिज घर्षण गुणांक 0.4 है। घर्षण के विरुद्ध किया गया कार्य W_f ज्ञात कीजिए।

m = 1 kgθ = 35°μ = 0.4d = 6 mg = 9.81 m/s²

W_f = J

10.कार्य और ऊर्जाकठिन

25° ढलान के तल पर 5000 N/m कठोरता वाले एक स्प्रिंग को एक 1 kg गुटके के विरुद्ध 5 cm संपीडित करके छोड़ा जाता है। गुटके और ढलान के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.15 है। रुकने से पहले गुटका छोड़ने के बिंदु से ढलान पर कितनी दूर d ऊपर जाता है? (स्प्रिंग के धकेलने वाली छोटी दूरी को नगण्य मानें, अर्थात घर्षण और गुरुत्व को पूरी दूरी d पर लें।)

m = 1 kgk = 5000 N/mx = 5 cmθ = 25°μ = 0.15g = 9.81 m/s²

d = m

11.संवेग और टक्करेंमध्यम

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

m₁ = 5 kgm₂ = 0.5 kgv₁ = 6 m/sv₂ = 0

v′₂ = m/s

12.संवेग और टक्करेंकठिन

एक 1300 kg कार एक खड़ी 1000 kg कार से टकराती है। मलबे आपस में जुड़ जाते हैं और रुकने से पहले 5 m फिसलते हैं। टायरों और सड़क के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.5 है। g = 9.81 m/s² लें। टक्कर से ठीक पहले पहली कार की चाल v₁ ज्ञात कीजिए।

m₁ = 1300 kgm₂ = 1000 kgd = 5 mμ = 0.5g = 9.81 m/s²

v₁ = m/s

13.स्प्रिंग और लोलकमध्यम

एक सरल लोलक की लंबाई 1.5 m है। g = 9.81 m/s² लें। छोटे दोलनों के लिए उसका आवर्तकाल T ज्ञात कीजिए।

L = 1.5 mg = 9.81 m/s²

T = s

14.स्प्रिंग और लोलककठिन

k = 490 N/m वाले स्प्रिंग पर 2.8 kg का द्रव्यमान साम्यावस्था से 19 cm खींचकर छोड़ा जाता है। दोलन की कुल ऊर्जा E ज्ञात कीजिए।

m = 2.8 kgk = 490 N/mA = 19 cm

E = J

15.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीमध्यम

20 m/s से चलता 300 Hz का एक स्रोत और 20 m/s से चलता एक प्रेक्षक एक-दूसरे के पास आ रहे हैं। ध्वनि की चाल 343 m/s है। प्रेक्षक को सुनाई देने वाली आवृत्ति f′ ज्ञात करें।

f = 300 Hzv = 343 m/sv_s = 20 m/sv_o = 20 m/s

f′ = Hz

16.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीकठिन

स्थिर सेंसर 35 kHz की पराश्रव्य ध्वनि एक कार की ओर भेजता है जो 30 m/s से दूर जा रही है और प्रतिध्वनि को उत्सर्जित संकेत से मिलाता है। विस्पंद आवृत्ति f_b ज्ञात करें (ध्वनि की चाल 343 m/s)।

f = 35 kHzu = 30 m/sv = 343 m/s

f_b = Hz

3विलयन

1.शुद्ध गतिकी

उत्तर: a = 1.134 m/s²

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.

इकाइयाँ

v = 260/3.6 = 72.22 m/s

त्वरण

a = v²/(2s) = 72.22²/(2·2300) = 1.134 m/s²

उत्तर

a = 1.134 m/s²

2.शुद्ध गतिकी

उत्तर: h_max = 153.4 m

संचालित चरण

v₁ = 32·1.5 = 48 m/s

h₁ = ½·32·1.5² = 36 m

ऊपर की ओर मुक्त उड़ान

शीर्ष पर वेग शून्य है।

Δh = v₁²/(2g) = 48²/(2·9.81) = 117.4 m

h_max = 36 + 117.4 = 153.4 m

उत्तर

h_max = 153.4 m

3.न्यूटन के नियम

उत्तर: a = 4.483 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.

अभिलंब बल

N = m·g − F·sin θ = 294.3 − 190·sin 15° = 245.1 N

क्षैतिज बल

m·a = F·cos θ − μ·N = 183.5 − 49.02

a = 134.5/30 = 4.483 m/s²

उत्तर

a = 4.483 m/s²

4.न्यूटन के नियम

उत्तर: a = 3.924 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।

निकाय का त्वरण

a = (m₂·g − μ·m₁·g)/(m₁ + m₂) = (29.43 − 5.886)/6 = 3.924 m/s²

उत्तर

a = 3.924 m/s²

5.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: v₀ = 39.11 m/s

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 को v₀ के लिए हल करें

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·135/sin 120°) = 39.11 m/s

उत्तर

v₀ = 39.11 m/s

6.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: x = 100.3 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 = 13.68 m/s, v_y = 37.59 m/s

छत पर गिरने का समय

बड़ा मूल: गेंद नीचे आ रही है।

12 = 37.59·t − 4.905·t²

t = (37.59 + √(37.59² − 2·9.81·12))/9.81 = 7.329 s

क्षैतिज दूरी

x = v_x·t = 13.68·7.329 = 100.3 m

उत्तर

x = 100.3 m

7.वृत्तीय गति

उत्तर: v_max = 24.26 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) = √(0.8·9.81·75) = 24.26 m/s

उत्तर

v_max = 24.26 m/s (87.34 km/h)

8.वृत्तीय गति

उत्तर: T = 169.7 N

निम्नतम बिंदु पर बल

केंद्र की ओर (ऊपर) धनात्मक है।

T − m·g = m·v²/r

T = 1.7·9.81 + 1.7·9²/0.9 = 16.68 + 153 = 169.7 N

उत्तर

T = 169.7 N

9.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: W_f = 19.29 J

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)।

घर्षण बल

N = mg·cos θ = 9.81·0.8192 = 8.036 N

F = μN = 0.4·8.036 = 3.214 N

घर्षण के विरुद्ध कार्य

W_f = F·d = 3.214·6 = 19.29 J

उत्तर

W_f = 19.29 J

10.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: d = 1.141 m

स्प्रिंग ऊर्जा

x = 5 cm = 0.05 m

½kx² = ½·5000·0.05² = 6.25 J

ढलान के साथ ऊर्जा संतुलन

m·g = 1·9.81 = 9.81 N

½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)

d = 6.25/(9.81·(0.4226 + 0.15·0.9063)) = 1.141 m

उत्तर

d = 1.141 m

11.संवेग और टक्करें

उत्तर: v′₂ = 10.91 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 = (5 − 0.5)/(5 + 0.5)·6 = 4.909 m/s

v′₂ = 2·5/(5 + 0.5)·6 = 10.91 m/s

उत्तर

v′₂ = 10.91 m/s

12.संवेग और टक्करें

उत्तर: v₁ = 12.39 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) = √(2·0.5·9.81·5) = 7.004 m/s

टक्कर में संवेग

m₁·v₁ = (m₁ + m₂)·V → v₁ = 2300·7.004/1300 = 12.39 m/s

उत्तर

v₁ = 12.39 m/s

(44.61 km/h)

13.स्प्रिंग और लोलक

उत्तर: T = 2.457 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·√(1.5/9.81) = 2.457 s

उत्तर

T = 2.457 s

14.स्प्रिंग और लोलक

उत्तर: E = 8.845 J

कोणीय आवृत्ति

ω = √(490/2.8) = 13.23 rad/s

ऊर्जा

E = ½·k·A² = ½·490·0.19² = 8.845 J

उत्तर

E = 8.845 J

15.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: f′ = 337.2 Hz

अप्रगामी तरंगें और डॉप्लर प्रभाव: दोनों सिरों पर बँधी डोरी, या दोनों सिरों पर खुली नली, में पूरी अर्ध-तरंगदैर्ध्य समाती हैं: L = nλ/2, f_n = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … एक सिरे पर बंद नली में बंद सिरे पर निस्पंद और खुले सिरे पर प्रस्पंद होता है: L = nλ/4, केवल विषम n के साथ, f_n = n·v/(4L)। जब स्रोत या प्रेक्षक उनके बीच की रेखा के अनुदिश चलते हैं, f′ = f·(v ± v_o)/(v ∓ v_s): एक-दूसरे की ओर गति के लिए ऊपरी चिह्न उपयोग करें। लगभग समान आवृत्ति की दो तरंगें |f₁ − f₂| पर विस्पंद बनाती हैं।

डॉप्लर सूत्र

f′ = f·(v + v_o)/(v − v_s) = 300·(343 + 20)/(343 − 20)

f′ = 337.2 Hz

उत्तर

f′ = 337.2 Hz

16.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: f_b = 5630 Hz

कार पर आवृत्ति

f′ = 35000·(343 − 30)/343 = 31939 Hz

प्रतिध्वनि की आवृत्ति

f″ = f′·343/(343 + 30) = 29370 Hz

विस्पंद आवृत्ति

f_b = |f″ − f| = 5630 Hz

उत्तर

f_b = 5630 Hz

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