इंजीनियरिंग भौतिकी: 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।

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।

द्रवस्थैतिक बल

गहराई पर दाब: p = ρgh
ऊर्ध्वाधर दीवार पर बल: F = ρg·h_c·A
दाब केंद्र: y_p = y_c + I_c/(y_cA)
आयत: I_c = bH³/12

सांतत्य और बर्नूली

सांतत्य: A₁v₁ = A₂v₂
बर्नूली: p₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = p₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
प्रवाह दर: Q = A·v
वृत्त का क्षेत्रफल: A = πd²/4

आदर्श गैस नियम

आदर्श गैस नियम: pV = nRT
गैस नियतांक: R = 8.314 J/(mol·K)
संयुक्त गैस नियम: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
मोल: n = m/M
तापमान: T[K] = T[°C] + 273.15

ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

दक्षता: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
कार्नो दक्षता: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
रेफ्रिजरेटर का COP: COP_R = Q_C/W
हीट पंप का COP: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
ऊर्जा संतुलन: Q_H = W + Q_C

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

स्थिर 32 m/s से तेज़ चल रही एक कार खड़ी पुलिस कार के पास से गुज़रती है। उसी क्षण पुलिस कार चल पड़ती है और 3.5 m/s² से एकसमान रूप से त्वरित होती है। पुलिस कार को पकड़ने में कितना समय लगता है? t ज्ञात कीजिए।

v_car = 32 m/sa_police = 3.5 m/s²v_0,police = 0

t = s

2.शुद्ध गतिकीकठिन

एक पत्थर कुएँ में विराम से गिराया जाता है। पत्थर छोड़ने के 2.4 s बाद छपाक की आवाज़ सुनाई देती है। ध्वनि की चाल 343 m/s है; वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। कुएँ की गहराई d ज्ञात कीजिए।

t_total = 2.4 sv_sound = 343 m/sg = 9.81 m/s²

d = m

3.न्यूटन के नियममध्यम

19 kg का एक गुटका क्षैतिज से 20° पर झुकी ढलान पर नीचे फिसलता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.3 है। g = 9.81 m/s² लें। ढलान के अनुदिश गुटके का त्वरण a ज्ञात कीजिए।

m = 19 kgθ = 20°μ = 0.3g = 9.81 m/s²

a = m/s²

4.न्यूटन के नियमकठिन

एक गुटके को धक्का दिया जाता है ताकि वह 35° के रैंप पर 6 m/s की चाल से ऊपर फिसलना शुरू करे। गतिज घर्षण गुणांक 0.1 है। g = 9.81 m/s² लें। रुकने से पहले यह रैंप पर कितनी दूर d फिसलता है?

v₀ = 6 m/sθ = 35°μ = 0.1g = 9.81 m/s²

d = m

5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद 40 m/s से प्रक्षेपित की जाती है और उसे 115 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 = 40 m/sR = 115 mg = 9.81 m/s²

θ = °

6.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक गेंद 10 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से क्षैतिज से 15° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद के ज़मीन से टकराने से पहले तय की गई क्षैतिज दूरी x ज्ञात कीजिए।

v₀ = 31 m/sθ = 15°h = 10 mg = 9.81 m/s²

x = m

7.कार्य और ऊर्जामध्यम

एक 2 kg गेंद 2 m लंबी हल्की डोरी पर लटकी है। उसे तब तक एक ओर खींचा जाता है जब तक डोरी ऊर्ध्वाधर से 60° न बना ले, और विराम से छोड़ा जाता है। जब गेंद निम्नतम बिंदु से गुज़रती है तब डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।

m = 2 kgL = 2 mθ = 60°g = 9.81 m/s²

T = N

8.कार्य और ऊर्जाकठिन

एक 5 kg गुटका 15° की ढलान के तल पर विराम से शुरू होता है और ढलान के समांतर 40 N के स्थिर बल से ऊपर खींचा जाता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.3 है। ढलान पर 2 m ऊपर चलने के बाद गुटके की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 5 kgF = 40 Nθ = 15°μ = 0.3d = 2 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

9.संवेग और टक्करेंमध्यम

37 m/s से क्षैतिज रूप से चल रहा एक 8 kg प्रक्षेप्य दो टुकड़ों में फटता है जो उसी रेखा में चलते हैं। 1 kg टुकड़ा 67 m/s से आगे चलता रहता है। 7 kg टुकड़े का वेग v′₂ ज्ञात कीजिए (मूल दिशा में धनात्मक)।

M = 8 kgu = 37 m/sm₁ = 1 kgv′₁ = 67 m/sm₂ = 7 kg

v′₂ = m/s

10.संवेग और टक्करेंकठिन

0.3 kg की एक गेंद 18 m/s से दीवार से टकराती है और 5 m/s से सीधे वापस लौटती है। संपर्क 40 ms तक रहता है। दीवार द्वारा गेंद पर लगाया गया औसत बल F_avg ज्ञात कीजिए।

m = 0.3 kgv_in = 18 m/sv_out = 5 m/sΔt = 40 ms

F_avg = N

11.द्रवस्थैतिक बलमध्यम

1 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक पानी वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 4 m नीचे है। फाटक पर परिणामी द्रवस्थैतिक बल F ज्ञात कीजिए।

d = 4 mH = 1 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

12.द्रवस्थैतिक बलकठिन

3 m चौड़ा एक ऊर्ध्वाधर आयताकार फाटक पानी वाली टंकी की दीवार में है, उसका ऊपरी किनारा सतह से 4 m नीचे है। फाटक पर परिणामी द्रवस्थैतिक बल F ज्ञात कीजिए।

d = 4 mH = 3 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

F = kN

13.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी के पाइप में एक पिटो-स्थैतिक नली अवरोध दाब और स्थैतिक दाब के बीच 23 kPa का अंतर दिखाती है। सिरे पर पानी का वेग v ज्ञात कीजिए।

p₀ − p = 23 kPaρ = 1000 kg/m³

v = m/s

14.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

एक फ़व्वारे का नोज़ल सीधे ऊपर की ओर है। नोज़ल के ठीक नीचे आपूर्ति पाइप का व्यास 75 mm और गेज दाब 130 kPa है। नोज़ल निकास व्यास 30 mm है, और नोज़ल के आर-पार ऊँचाई अंतर नगण्य है। हानियों और वायु प्रतिरोध को नगण्य मानते हुए वह ऊँचाई H ज्ञात कीजिए जिस तक जेट नोज़ल से ऊपर उठता है। g = 9.81 m/s² लें।

d₁ = 75 mmp₁ = 130 kPa (गेज)d₂ = 30 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

H = m

15.आदर्श गैस नियममध्यम

50 L की टंकी में 20 °C पर CO₂ का 320 g है। इसे आदर्श गैस मानकर दाब P ज्ञात कीजिए।

m = 320 gM = 44.01 g/molV = 50 LT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

16.आदर्श गैस नियमकठिन

N₂ की एक निश्चित मात्रा 200 kPa, 10 L, 25 °C से 500 kPa और 240 °C पर जाती है। नया आयतन V₂ ज्ञात कीजिए।

P₁ = 200 kPaV₁ = 10 LT₁ = 25 °CP₂ = 500 kPaT₂ = 240 °C

V₂ = L

17.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक ऊष्मा इंजन 800 °C पर गर्म भंडार और 20 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। यह 500 kJ ऊष्मा लेता है। यह अधिकतम कितना कार्य W_max उत्पन्न कर सकता है, ज्ञात कीजिए।

T_H = 800 °CT_L = 20 °CQ_H = 500 kJ

W_max = kJ

18.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

एक ऊष्मा पंप 5 °C वाले स्रोत से ऊष्मा लेकर 22 °C वाले तापन तंत्र को 6 kW ऊष्मा देता है। इसका वास्तविक COP इन तापमानों के बीच कार्नो COP का 35% है। इसके द्वारा ली गई विद्युत शक्ति Ẇ ज्ञात कीजिए।

T_H = 22 °CT_L = 5 °Cη_II = 35%Q̇_H = 6 kW

Ẇ = kW

19.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीमध्यम

दोनों सिरों पर खुली नली का संनादी संख्या 5 1429 Hz पर होना चाहिए। ध्वनि की चाल 343 m/s है। नली की लंबाई L ज्ञात करें।

v = 343 m/sn = 5f₅ = 1429 Hz

L = m

20.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीकठिन

650 nm तरंगदैर्ध्य का प्रकाश 0.1 mm चौड़ी एकल झिरी से गुज़रता है। 1 m दूर परदे पर केंद्रीय दीप्त उच्चिष्ठ की चौड़ाई w ज्ञात करें (दोनों ओर के पहले अदीप्त फ्रिंजों के बीच)।

λ = 650 nma = 0.1 mmL = 1 m

w = mm

3विलयन

1.शुद्ध गतिकी

उत्तर: t = 18.29 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.

समान दूरियाँ

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·32/3.5 = 18.29 s

उत्तर

t = 18.29 s

उस क्षण पुलिस कार 2v = 64 m/s से चलती है।

2.शुद्ध गतिकी

उत्तर: d = 26.47 m

समय के दो भाग

½·9.81·t₁² = 343·(2.4 − t₁)

4.905·t₁² + 343·t₁ − 823.2 = 0

गिरने का समय

केवल धनात्मक मूल ही भौतिक रूप से सार्थक है।

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·823.2))/(2·4.905) = 2.323 s

गहराई

d = ½·9.81·2.323² = 26.47 m

उत्तर

d = 26.47 m

3.न्यूटन के नियम

उत्तर: a = 0.5897 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° − 0.3·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.2819) = 0.5897 m/s²

उत्तर

a = 0.5897 m/s²

4.न्यूटन के नियम

उत्तर: d = 2.799 m

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.

मंदन

दोनों बल ढलान के नीचे की ओर हैं; द्रव्यमान कट जाता है।

a = 9.81·(sin 35° + 0.1·cos 35°) = 6.43 m/s²

दूरी

d = v₀²/(2a) = 6²/(2·6.43) = 2.799 m

उत्तर

d = 2.799 m

5.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: θ = 22.42 °

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 = 9.81·115/40² = 0.7051

कोण

2θ = 44.84° → θ = 22.42°

उत्तर

θ = 22.42°

दूसरा हल 90° − θ = 67.58° है।

6.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: x = 73.76 m

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 = 31·cos 15° = 29.94 m/s

v_y = v₀·sin θ = 31·sin 15° = 8.023 m/s

उड़ान का समय

y(t) = h + v_y·t − ½gt² = 0 को धनात्मक मूल के लिए हल करें।

0 = 10 + 8.023·t − 4.905·t²

t = (v_y + √(v_y² + 2gh))/g = (8.023 + √(64.37 + 196.2))/9.81 = 2.463 s

क्षैतिज दूरी

x = v_x·t = 29.94·2.463 = 73.76 m

उत्तर

x = 73.76 m

7.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: T = 39.24 N

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)। वृत्तीय पथ पर केंद्र की ओर नेट बल mv²/r के बराबर होना चाहिए।

तल पर चाल

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·2·(1 − cos 60°) = 19.62 m²/s²

तल पर बल

m·g = 2·9.81 = 19.62 N

T = mg + mv²/L = 19.62 + 2·19.62/2 = 39.24 N

उत्तर

T = 39.24 N

जाँच: T = mg(3 − 2cos θ) = 39.24 N।

8.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 3.236 m/s

ढलान के अनुदिश बल

m·g = 5·9.81 = 49.05 N

mg·sin θ = 12.7 N

μ·mg·cos θ = 14.21 N

कार्य–ऊर्जा

½mv² = (40 − 26.91)·2 = 26.18 J

v = √(2·26.18/5) = 3.236 m/s

उत्तर

v = 3.236 m/s

9.संवेग और टक्करें

उत्तर: v′₂ = 32.71 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.

पहले का संवेग

p = M·u = 8·37 = 296 kg·m/s

बाद का संवेग

296 = 1·67 + 7·v′₂

v′₂ = (296 − 67)/7 = 32.71 m/s

उत्तर

v′₂ = 32.71 m/s

10.संवेग और टक्करें

उत्तर: F_avg = 172.5 N

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।

संवेग में परिवर्तन

J = m·Δv = 0.3·(5 + 18) = 6.9 N·s

औसत बल

F_avg = J/Δt = 6.9/0.04 = 172.5 N

उत्तर

F_avg = 172.5 N

11.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 44.15 kN

समतल सतह पर द्रवस्थैतिक बल: F = ρ·g·y_c·A। यह दाब केंद्र y_cp = y_c + I_c/(y_cA) पर कार्य करता है, जो हमेशा केंद्रक के नीचे होता है।

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 4 + 1/2 = 4.5 m

A = H·b = 1·1 = 1 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·4.5·1 = 44.15 kN

उत्तर

F = 44.15 kN

12.द्रवस्थैतिक बल

उत्तर: F = 485.6 kN

केंद्रक की गहराई और क्षेत्रफल

y_c = d + H/2 = 4 + 3/2 = 5.5 m

A = H·b = 3·3 = 9 m²

परिणामी बल

F = ρ·g·y_c·A = 1000·9.81·5.5·9 = 485.6 kN

उत्तर

F = 485.6 kN

13.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: v = 6.782 m/s

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

अवरोध बिंदु तक बर्नूली

प्रवाह सिरे पर विराम में आता है, इसलिए उसकी गतिज ऊर्जा अतिरिक्त दाब के रूप में दिखती है।

p₀ − p = ½ρv²

v = √(2·23000/1000) = 6.782 m/s

उत्तर

v = 6.782 m/s

14.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: H = 13.6 m

निकास वेग

β = 30/75 = 0.4

v₂ = √(2p₁/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·130000/(1000·0.9744)) = 16.33 m/s

जेट की ऊँचाई

जेट के साथ बर्नूली: शीर्ष पर वेग शून्य है और दाब फिर से वायुमंडलीय है।

H = v₂²/(2g) = 16.33²/(2·9.81) = 13.6 m

उत्तर

H = 13.6 m

15.आदर्श गैस नियम

उत्तर: P = 354.4 kPa

आदर्श गैस नियम: PV = nRT, n = m/M के साथ।

मोल

n = m/M = 320/44.01 = 7.271 mol

T = 20 + 273.15 = 293.1 K

दाब

P = nRT/V = 7.271·8.314·293.1/0.05 = 354.4 kPa

उत्तर

P = 354.4 kPa

16.आदर्श गैस नियम

उत्तर: V₂ = 6.884 L

संयुक्त गैस नियम: आदर्श गैस की निश्चित मात्रा के लिए P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂।

परम तापमान

T₁ = 298.1 K, T₂ = 513.1 K

संयुक्त गैस नियम

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(200/500)·(513.1/298.1) = 6.884 L

उत्तर

V₂ = 6.884 L

17.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: W_max = 363.4 kJ

द्वितीय नियम की सीमाएँ: परम तापमान T_H और T_L वाले भंडारों के बीच कोई भी चक्र उत्क्रमणीय (कार्नो) चक्र से बेहतर नहीं हो सकता: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) और COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L)। ऊर्जा हमेशा संरक्षित रहती है: Q_H = W + Q_L।

परम तापमान

T_H = 800 + 273.15 = 1073 K

T_L = 20 + 273.15 = 293.1 K

कार्नो दक्षता

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 293.1/1073 = 72.68 %

अधिकतम कार्य

W_max = η_max·Q_H = 0.7268·500 = 363.4 kJ

उत्तर

W_max = 363.4 kJ

18.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Ẇ = 0.9874 kW

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

परम तापमान

T_H = 22 + 273.15 = 295.1 K

T_L = 5 + 273.15 = 278.1 K

कार्नो और वास्तविक COP

COP_max = 295.1/(295.1 − 278.1) = 17.36

COP = 0.35·17.36 = 6.077

निवेश शक्ति

Ẇ = Q̇_H/COP = 6/6.077 = 0.9874 kW

उत्तर

Ẇ = 0.9874 kW

19.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: L = 0.6001 m

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।

तरंगदैर्ध्य

λ = v/f = 343/1429 = 0.24 m

लंबाई

L = nλ/2 = 5·0.24/2 = 0.6001 m

उत्तर

L = 0.6001 m

20.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: w = 13 mm

व्यतिकरण और विवर्तन: दूरी d पर स्थित दो झिरियों से आया प्रकाश परदे के किसी बिंदु पर पथांतर d·sin θ के साथ पहुँचता है। दीप्त फ्रिंज वहाँ बनते हैं जहाँ d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …)। दूरी L ≫ d पर स्थित परदे के लिए m-वाँ दीप्त फ्रिंज y = mλL/d पर होता है और फ्रिंज अंतराल Δy = λL/d है। प्रति मिलीमीटर N रेखाओं वाली झरझरी का d = 1/N होता है और d·sin θ = mλ पर तीक्ष्ण उच्चिष्ठ होते हैं; चूँकि sin θ ≤ 1, उच्चतम कोटि सबसे बड़ा पूर्णांक m ≤ d/λ है। चौड़ाई a की एकल झिरी में a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, … पर अदीप्त फ्रिंज होते हैं।

पहला अदीप्त फ्रिंज

y₁ = λL/a = 650 × 10⁻⁹·1/(0.1 × 10⁻³) = 6.5 mm

केंद्रीय उच्चिष्ठ की चौड़ाई

w = 2y₁ = 13 mm

उत्तर

w = 13 mm

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