दृढ़-पिंड घूर्णन शुरू से सीखें
इससे पहले: न्यूटन के नियम, कार्य और ऊर्जा
1दृढ़ पिंड का घूर्णन क्या है
दृढ़ पिंड वह वस्तु है जो अपना आकार बनाए रखती है: फ़्लाईव्हील, घिरनी, दरवाज़ा या लुढ़कता पहिया। इस विषय में पिंड एक अक्ष के परितः घूमता है।
पिंड का हर बिंदु समान समय में समान कोण से घूमता है। इसलिए आप गति का वर्णन दूरियों के बजाय कोणीय राशियों से करते हैं:
- θ: घूमा हुआ कोण, रेडियन (rad) में। एक चक्कर 2π rad है।
- ω: कोणीय वेग, rad/s में।
- α: कोणीय त्वरण, rad/s² में।
मशीनें चाल प्रति मिनट चक्कर (rpm) में देती हैं। गणना से पहले उन्हें बदल लीजिए:
ω = 2π·n / 60
अक्ष से दूरी r पर स्थित बिंदु चाल v = ω·r से चलता है और उसके पथ के अनुदिश त्वरण a = α·r होता है।
सीधी रेखा में गति के बारे में आप जो भी जानते हैं, उसका घूर्णी जोड़ीदार है: बल आघूर्ण बन जाता है, द्रव्यमान जड़त्व आघूर्ण बन जाता है, और ΣF = m·a, ΣM = I·α बन जाता है।
स्व-जाँच एक पहिया 600 rpm पर घूमता है। rad/s में उसका कोणीय वेग क्या है?
- 10 rad/s
- 3770 rad/s
- 600 rad/s
- 62.8 rad/s
उत्तर: 62.8 rad/s. ω = 2π·600/60 = 2π·10 ≈ 62.8 rad/s। 10 प्रति सेकंड चक्कर है (2π छूट गया है), 3770 में 60 से भाग देना भूल गए, और 600 अब भी rpm में है।
2जड़त्व आघूर्ण
द्रव्यमान बताता है कि किसी पिंड को सीधी रेखा में तेज़ करना कितना कठिन है। द्रव्यमान जड़त्व आघूर्ण I बताता है कि उसे घुमाना कितना कठिन है।
अक्ष से दूर का द्रव्यमान निकट के द्रव्यमान से बहुत अधिक मायने रखता है, क्योंकि वह अपनी दूरी के वर्ग के साथ गिना जाता है:
I = Σ m·r² (इकाई: kg·m²)
आपको टुकड़ों को स्वयं जोड़ने की ज़रूरत नहीं। द्रव्यमान केंद्र G के सापेक्ष ये मानक परिणाम सीखिए:
- लंबाई L की पतली छड़, अक्ष मध्य से होकर: m·L²/12।
- त्रिज्या R की ठोस डिस्क या बेलन: ½·m·R²।
- पतला वलय या हूप: m·R²।
- ठोस गोला: (2/5)·m·R²। खोखला गोला: (2/3)·m·R²।
- दूरी r पर बिंदु द्रव्यमान: m·r²।
जब अक्ष O, G से होकर नहीं गुज़रता, तो समांतर अक्ष प्रमेय का उपयोग कीजिए। यहाँ d, O और G के बीच की दूरी है:
IO = IG + m·d²
अपने सिरे के परितः घूमती छड़ के लिए d = L/2 है, इसलिए IO = m·L²/12 + m·L²/4 = m·L²/3।
कुछ प्रश्न आकार के बजाय घूर्णन त्रिज्या k देते हैं। तब I = m·k²। कई भागों से बने पिंड के लिए, हर भाग का उसी अक्ष के परितः I ज्ञात कीजिए और जोड़ दीजिए।
स्व-जाँच 3 kg द्रव्यमान और 2 m लंबाई की एकसमान छड़ अपने एक सिरे के परितः घूमती है। उसका जड़त्व आघूर्ण क्या है?
- 1 kg·m²
- 12 kg·m²
- 3 kg·m²
- 4 kg·m²
उत्तर: 4 kg·m². I = m·L²/3 = 3·4/3 = 4 kg·m², या IG + m·d² = 1 + 3·1² = 4। 1 kg·m² केंद्र के परितः मान है, 3 kg·m² केवल m·d² भाग है, और 12 kg·m² बिना किसी गुणक के m·L² है।
3आघूर्ण, ऊर्जा और कोणीय संवेग
तीन उपकरण लगभग हर घूर्णन समस्या हल कर देते हैं। वह चुनिए जो प्रश्न से मेल खाता हो।
1. आघूर्ण। अक्ष के परितः आघूर्णों का योग I·α के बराबर होता है। त्वरण और बलों के लिए इसका उपयोग कीजिए।
ΣM = I·α
अचर बल-आघूर्ण के साथ कोणीय गति में अचर α होता है, और शुद्धगतिकी समीकरणों के घूर्णी जोड़ीदार हैं: ω = ω₀ + α·t और ω² = ω₀² + 2·α·θ।
2. ऊर्जा। घूमता पिंड गतिज ऊर्जा संचित करता है। कोण θ से घूमता बल-आघूर्ण T कार्य करता है, और घूमते शाफ़्ट की शक्ति बल-आघूर्ण गुणा कोणीय वेग होती है:
E = ½·I·ω² W = T·θ P = T·ω
जो पिंड बिना फिसले लुढ़कता है, वह एक ही समय में चलता और घूमता है, v = ω·r के साथ। उसमें दोनों प्रकार की गतिज ऊर्जा होती है:
E = ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + c) c = I/(m·r²)
संख्या c केवल आकार पर निर्भर करती है: ठोस गोले के लिए 0.4, ठोस बेलन के लिए 0.5, खोखले गोले के लिए 2/3 और हूप के लिए 1। ढलान पर a = g·sin θ / (1 + c)।
3. कोणीय संवेग। L = I·ω। जब अक्ष के परितः कोई बाहरी आघूर्ण कार्य नहीं करता, तो L समान रहता है, भले ही पिंड आपस में चिपक जाएँ और गतिज ऊर्जा खो जाए:
I1·ω1 = I2·ω2
स्व-जाँच एक मोटर 600 rpm पर 100 N·m का बल-आघूर्ण देती है। उसकी शक्ति क्या है?
- 1 kW
- 377 kW
- 6.28 kW
- 60 kW
उत्तर: 6.28 kW. ω = 2π·600/60 = 62.8 rad/s, इसलिए P = T·ω = 100·62.8 ≈ 6283 W = 6.28 kW। 60 kW में rpm को ω लिया गया है, 1 kW में प्रति सेकंड चक्कर, और 377 kW में 60 से भाग देना भूल गए।
4विधि चरण-दर-चरण
- पिंड बनाइए और अक्ष चुनिए: स्थिर धुरी या शाफ़्ट, या लुढ़कते पिंड के लिए केंद्र।
- उस अक्ष के परितः जड़त्व आघूर्ण ज्ञात कीजिए। मानक परिणामों का उपयोग कीजिए और अक्ष खिसकने पर m·d² जोड़िए।
- rpm में हर चाल को ω = 2π·n/60 से rad/s में बदलिए।
- उपकरण चुनिए। त्वरण और बल: ΣM = I·α (रेखा में चलने वाले भागों के लिए ΣF = m·a के साथ)। दूरी या कोण के बाद की चाल: ऊर्जा। टक्कर, अचानक पकड़ और वे पिंड जो अपना द्रव्यमान भीतर खींचते हैं: कोणीय संवेग।
- जहाँ डोरी या लुढ़कता संपर्क सीधी और घूर्णी गति को जोड़ता है, उन्हें जोड़िए: v = ω·r और a = α·r।
- हल कीजिए, और यदि संभव हो तो परिणाम को दूसरे उपकरण से जाँचिए।
घिरनी के चारों ओर डोरी से लटके पिंड के लिए दो मुक्त-वस्तु आरेख बनाइए: एक गुटके के लिए (बल) और एक घिरनी के लिए (आघूर्ण)। डोरी का तनाव दोनों में आता है।
5एक हल किया गया उदाहरण
हर चरण का अनुसरण करें। अगला चरण खोलने से पहले उसका अनुमान लगाने का प्रयास करें।
हल किया गया उदाहरण2 kg का गुटका घिरनी पर लपेटी गई हल्की डोरी से लटका है। घिरनी 4 kg द्रव्यमान और 0.2 m त्रिज्या की एकसमान ठोस डिस्क है, जो घर्षणरहित धुरी पर है। गुटके को विरामावस्था से छोड़ा जाता है। g = 9.81 m/s² लीजिए। गुटके का त्वरण, डोरी में तनाव और 1 m गिरने के बाद गुटके की चाल ज्ञात कीजिए।
1घिरनी अपने केंद्र के परितः घूमती ठोस डिस्क है।
I = ½·M·R² = ½ · 4 · 0.2² = 0.08 kg·m²
2गुटके के लिए नीचे की दिशा को धनात्मक लीजिए। गुरुत्व उसे नीचे खींचता है और डोरी का तनाव T उसे ऊपर खींचता है।
m·g − T = m·a ⇒ 19.62 − T = 2·a
3केवल तनाव का धुरी के परितः आघूर्ण है, भुजा R के साथ। डोरी फिसलती नहीं, इसलिए α = a/R।
T·R = I·α = I·a/R ⇒ T = I·a/R² = 0.08·a/0.04 = 2·a
4T = 2·a को गुटके के समीकरण में रखिए।
19.62 − 2·a = 2·a ⇒ a = 19.62/4 = 4.905 m/s²
T = 2 · 4.905 = 9.81 N
घिरनी α = a/R = 4.905/0.2 ≈ 24.5 rad/s² से घूमती है।
5त्वरण अचर है और गुटका विरामावस्था से शुरू करता है, इसलिए v² = 2·a·s का उपयोग कीजिए।
v = √(2 · 4.905 · 1) = √9.81 ≈ 3.13 m/s
6इसके बजाय ऊर्जा का उपयोग कीजिए। खोई हुई स्थितिज ऊर्जा गुटके और घिरनी की गतिज ऊर्जा बन जाती है, ω = v/R के साथ।
m·g·h = ½·m·v² + ½·I·(v/R)² ⇒ 19.62 = v² + v²
इसलिए v² = 9.81 और v ≈ 3.13 m/s, जो पहले जैसा ही है।
उत्तर a ≈ 4.91 m/s², T ≈ 9.81 N और 1 m के बाद v ≈ 3.13 m/s।
6सामान्य गलतियाँ
- ω, E = ½·I·ω² या P = T·ω में चाल को rpm में छोड़ देना। पहले rad/s में बदलिए।
- अपने सिरे के परितः घूमते पिंड के लिए केंद्र के परितः जड़त्व आघूर्ण का उपयोग करना। m·d² जोड़िए।
- लुढ़कते पिंड या घिरनी की घूर्णी गतिज ऊर्जा भूल जाना।
- छड़ के सिरे पर लगे गोले या डिस्क को बिंदु द्रव्यमान मान लेना। उसके केंद्र के परितः उसका अपना I भी जोड़िए।
- यह मान लेना कि पिंडों के पकड़ने या चिपकने पर गतिज ऊर्जा संरक्षित रहती है। इसके बजाय कोणीय संवेग का उपयोग कीजिए।
- चक्करों को रेडियन में गिनना: N = θ/(2π)।
स्व-जाँच 2 kg का ठोस बेलन बिना फिसले 3 m/s पर लुढ़कता है। उसकी कुल गतिज ऊर्जा क्या है?
- 13.5 J
- 18 J
- 4.5 J
- 9 J
उत्तर: 13.5 J. E = ½·m·v²·(1 + c) = ½·2·3²·1.5 = 13.5 J, ठोस बेलन के लिए c = 0.5 के साथ। 9 J केवल चलने वाला भाग है, 4.5 J केवल घूमने वाला भाग है, और 18 J में c = 1 लिया गया है, जो हूप का मान है।
7परीक्षा प्रश्न कैसे दिखते हैं
- आसान: जड़त्व आघूर्ण। खिसके हुए अक्ष के परितः छड़, छड़ और गोले या डिस्क से बना लोलक, फ़्लाईव्हील की गतिज ऊर्जा, या फ़्लाईव्हील को घुमाने के लिए आवश्यक बल-आघूर्ण या समय।
- मध्यम: ΣM = I·α, कार्य और शक्ति। क्षैतिज से छोड़ी गई छड़, घिरनी पर गुटका, ब्रेक लगाए गए फ़्लाईव्हील के चक्कर, शाफ़्ट का बल-आघूर्ण या शक्ति, या झूलती छड़ की चाल।
- कठिन: लुढ़कना और कोणीय संवेग। ढलान पर लुढ़कता गोला, बेलन या हूप, लुढ़कने के लिए आवश्यक घर्षण, घूर्णी ऊर्जा का अंश, घूमती डिस्क पर गिराया गया वलय, डंबल भीतर खींचता व्यक्ति, या लटकी छड़ से टकराती गोली।
ब्रेक लगाए गए फ़्लाईव्हील के लिए, ब्रेक संचित ऊर्जा के बराबर कार्य करता है: T·θ = ½·I·ω²। चक्कर पाने के लिए θ को 2π से भाग दीजिए।
एक सिरे पर पिन से जुड़ी और क्षैतिज से छोड़ी गई छड़ का छोड़ने के ठीक बाद α = 3·g/(2·L) होता है। उसका मुक्त सिरा 1.5·g से त्वरित होता है।
जो गोली छड़ में धँस जाती है, उसके लिए धुरी के परितः कोणीय संवेग संरक्षित रहता है: m·v·d = (Irod + m·d²)·ω।
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