एनसीआरटी सारांश: जिस्ट ऑफ़ फ़िज़िक्स- 3 | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE PDF Download

यांत्रिकी

• गति (Motion): भौतिकी में, गति समय के संबंध में किसी वस्तु के स्थान या स्थिति का परिवर्तन है।
  यांत्रिक गति दो प्रकार की होती है:
  1. रैखिक और
  2. घूर्णी (स्पिन)।
• चाल (Speed): किसी वस्तु के विस्थापन की दर को चाल कहते हैं। यह एक अदिश राशि है।
  चाल = (तय की गई दूरी/आवश्यक समय)   ,   S.I. इकाई -  m/s.
• वेग (Velocity): किसी वस्तु द्वारा इकाई समय अंतराल में एक निश्चित दिशा में तय की गई दूरी को वेग कहते हैं। वेग का S.I. मात्रक m/s है। यह एक सदिश (Vector) राशि है।
• समय के साथ विस्थापन को विभाजित करके औसत वेग (Average Velocity) की गणना की जा सकती है।
• तात्कालिक वेग एक बिंदु पर किसी वस्तु के वेग को दर्शाता है।
• त्वरण (Acceleration): जब किसी वस्तु के वेग में परिवर्तन होता है, तो वह त्वरित हो जाती है। त्वरण एक इकाई समय में वेग में परिवर्तन को दर्शाता है। वेग मीटर प्रति सेकंड, m/s में मापा जाता है, इसलिए त्वरण (m/s)/ s, या m/s² में मापा जाता है, जो धनात्मक और ऋणात्मक दोनों हो सकता है। त्वरण का प्रतीक a है। 
• गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण: गैलीलियो ने सबसे पहले यह पता लगाया कि पृथ्वी पर गिरने वाली सभी वस्तुओं में उनके द्रव्यमान की परवाह किए बिना 9.80 m/s ² का निरंतर त्वरण है । गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण को एक प्रतीक g दिया जाता है, जो 9.80 m/s ²  के बराबर होता है ।
• बल: बल को एक धक्का या एक पुल के रूप में परिभाषित किया जा सकता है। (तकनीकी रूप से, बल कुछ ऐसा है जो वस्तुओं को गति दे सकता है।) बल को N (न्यूटन) द्वारा मापा जाता है। 1 m / s पर तेजी लाने के लिए 1 किलो के द्रव्यमान के साथ एक वस्तु का कारण बनने वाला बल 1 न्यूटन के बराबर है।

• न्यूटन के सार्वभौमिक गुरुत्वाकर्षण के नियम में कहा गया है कि ब्रह्मांड में प्रत्येक विशाल कण हर दूसरे बड़े कण को एक ऐसे बल से आकर्षित करता है जो उनके द्रव्यमान के उत्पाद के सीधे आनुपातिक होता है और उनके बीच की दूरी के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होता है।

• समीकरण रूप में,  गुरुत्वाकर्षण बल F = G (m₁ m₂ ) / r² 
  जहाँ r  दो द्रव्यमानों  m₁ और m₂ के बीच की दूरी और G एक नियतांक है, जिसे सार्वत्रिक गुरुत्वाकर्षण नियतांक कहते हैं और जिसका मान 6.67 X 10^-11 Nm²/kg² होता है।
• अभिकेन्द्रीय बल: किसी पिण्ड के तात्क्षणिक वेग के लम्बवत दिशा में गतिपथ के केन्द्र की ओर लगने वाला बल अभिकेन्द्रीय बल (Centripetal force) कहलाता है। अभिकेन्द्र बल के कारण पिण्ड वक्र-पथ पर गति करती है (न कि रैखिक पथ पर)। उदाहरण के लिये वृत्तीय गति का कारण अभिकेन्द्रीय बल ही है। 

                                                  अभिकेन्द्रीय बल

• वक्रता की त्रिज्या r वाले पथ पर v गति से गतिमान m द्रव्यमान की वस्तु पर अभिकेन्द्रीय बल का परिमाण,
  F =mv²/r द्वारा दिया जाता है, बल की दिशा वृत्त के केंद्र की ओर होती है जिसमें वस्तु चल रही है। अभिकेन्द्रीय बल  अभिकेन्द्री बल के बराबर और विपरीत होता है, अर्थात यह बाहर की ओर कार्य करता है।
• भार (Weight): किसी पिंड का भार वह बल है जिससे पृथ्वी पिंड को अपने केंद्र की ओर आकर्षित करती है। किसी पिंड के भार को उसके द्रव्यमान के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए, जो उसमें निहित पदार्थ की मात्रा का एक माप है। द्रव्यमान (Mass) मात्रा दिखाता है, और वजन गुरुत्वाकर्षण के आकार को दर्शाता है। पिंड का भार ध्रुवों पर अधिकतम और भूमध्य रेखा पर न्यूनतम होता है।
• यदि आप अपना द्रव्यमान जानते हैं, तो आप आसानी से अपना वजन भार कर सकते हैं क्योंकि
  W = mg
  जहाँ:
  भार (W) - न्यूटन (N) में  है,
  द्रव्यमान (m) - किलोग्राम (Kg) में  है, और
   गुरुत्वाकर्षण का त्वरण (g), m/s² में है।
• अब यह स्पष्ट है कि g का मान ध्रुवों पर अधिकतम तथा भूमध्य रेखा पर न्यूनतम होता है। पृथ्वी के केंद्र पर g शून्य होगा।
• चंद्रमा की सतह पर गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण का मान पृथ्वी पर लगभग 1/6 है, और इसलिए, चंद्रमा पर एक वस्तु का वजन पृथ्वी पर उसके वजन का केवल 1/6 होगा।

न्यूटन के गति के नियम:

1. न्यूटन का गति का पहला नियम (जड़त्व का नियम)

• न्यूटन के गति के पहले नियम में कहा गया है कि "कोई वस्तु स्थिर अवस्था में रहती है और गतिमान वस्तु उसी गति से और उसी दिशा में गति में रहने की प्रवृत्ति रखती है जब तक कि असंतुलित बल द्वारा कार्य नहीं किया जाता है।"
• एक समान गति की स्थिति में प्रत्येक वस्तु गति की स्थिति में तब तक बनी रहती है जब तक उस पर कोई बाहरी बल नहीं लगाया जाता है।

• वास्तव में, यह वस्तुओं की अपनी गति की स्थिति में परिवर्तन का विरोध करने की स्वाभाविक प्रवृत्ति है। उनकी गति की स्थिति में परिवर्तन का विरोध करने की प्रवृत्ति को जड़ता के रूप में वर्णित किया गया है।
• जड़त्व (Inertia): जड़त्व किसी वस्तु की गति की अवस्था में परिवर्तन का विरोध करने की प्रवृत्ति है। लेकिन गति की अवस्था वाक्यांश का क्या अर्थ है? किसी वस्तु की गति की स्थिति को उसके वेग से परिभाषित किया जाता है - एक दिशा के साथ गति। इस प्रकार, जड़त्व को निम्नानुसार पुनर्परिभाषित किया जा सकता है: जड़त्व: किसी वस्तु की गति में परिवर्तन का विरोध करने की प्रवृत्ति।

न्यूटन के गति के प्रथम नियम के अनुप्रयोग:

1. गाड़ी का अचानक ब्रेक लगने पर मनुष्य का आगे की ओर झुक जाना।
2. उतरते हुए एलिवेटर पर सवारी करते समय तेज़ी से रुकते समय आपके सिर से आपके पैरों तक रक्त दौड़ता है।
3. एक कठोर सतह के खिलाफ हैंडल के निचले हिस्से को पीटकर एक हथौड़े के सिर को लकड़ी के हैंडल पर कस दिया जा सकता है।
4. स्केटबोर्ड (या वैगन या साइकिल) की सवारी करते समय, जब आप किसी अंकुश या चट्टान या अन्य वस्तु से टकराते हैं, जो स्केटबोर्ड की गति को अचानक रोक देता है, तो आप बोर्ड से आगे उड़ जाते हैं।

2. न्यूटन का गति का दूसरा नियम ( संवेग का नियम)

•  न्यूटन के दूसरे नियम के अनुसार किसी वस्तु के रेखीय संवेग में परिवर्तन की दर उस वस्तु पर लगाए गए कुल बल के अनुक्रमानुपाती होता है एवं संवेग परिवर्तन वस्तु पर लगाए गए बल की दिशा में ही होता है इसे गति का द्वितीय नियम या संवेग का नियम कहते हैं।
• गति का दूसरा नियम कहता है कि शरीर पर कार्य करने वाला बल उसके द्रव्यमान और त्वरण के गुणनफल के बराबर होता है। किसी वस्तु के द्रव्यमान m, उसके त्वरण a और आरोपित बल F के बीच संबंध F = ma है।
• उदाहरण-  
  1. गेंद को कैच करते समय अपने हाथ को पीछे की तरफ खींचना।  
                                               
  2. शीशा या किसी वस्तु को एक स्थान से दूसरे स्थान पर ले जाने के लिए उसके दोनों तरफ फोम,  गद्दा या भूसे से भरी बोरी लगा देना।

3. न्यूटन का गति का तीसरा नियम (क्रिया प्रतिक्रिया का नियम)

प्रत्येक क्रिया के लिए, एक समान और विपरीत प्रतिक्रिया होती है।
कथन का अर्थ है: कि प्रत्येक अंतःक्रिया में, दो परस्पर क्रिया करने वाली वस्तुओं पर कार्य करने वाली शक्तियों की एक जोड़ी होती है। पहली वस्तु पर बलों का आकार दूसरी वस्तु पर बल के आकार के बराबर होता है। पहली वस्तु पर बल की दिशा दूसरी वस्तु पर बल की दिशा के विपरीत है। बल हमेशा जोड़े में आते हैं - समान और विपरीत क्रिया-प्रतिक्रिया बल।

उदाहरण-

1. रॉकेट की क्रिया अपने शक्तिशाली इंजनों के बल के साथ जमीन पर नीचे धकेलना है, और प्रतिक्रिया यह है कि जमीन रॉकेट को एक समान बल के साथ ऊपर की ओर धकेलती है।
2. एक तोप के गोले की शूटिंग का उदाहरण भी है। जब तोप को हवा के माध्यम से (विस्फोट द्वारा) निकाल दिया जाता है, तो तोप को पीछे की ओर धकेल दिया जाता है। गेंद को बाहर धकेलने वाला बल तोप को पीछे धकेलने वाले बल के बराबर था, लेकिन तोप पर प्रभाव कम ध्यान देने योग्य होता है क्योंकि इसमें बहुत अधिक द्रव्यमान होता है। यह उदाहरण किक के समान है जब एक बंदूक एक गोली आगे बढ़ाती है।
3. शांत जल में नाव से कूदने पर नाव का पीछे की तरफ हट जाना।

घर्षण (Friction)

• घर्षण एक बल है जो एक सतह से दूसरी सतह पर गति का प्रतिरोध करता है। बल विपरीत दिशा में कार्य करता है जिस तरह से कोई वस्तु स्लाइड करना चाहती है। यदि किसी कार को स्टॉप साइन पर रुकने की आवश्यकता होती है, तो यह ब्रेक और पहियों के बीच घर्षण के कारण धीमी हो जाती है। 

• घर्षण के उपाय संपर्क में आने वाली सामग्रियों के प्रकार पर आधारित होते हैं। कंक्रीट पर कंक्रीट में घर्षण का गुणांक बहुत अधिक होता है। यह गुणांक इस बात का माप है कि एक वस्तु दूसरे के संबंध में कितनी आसानी से चलती है। जब आपके पास घर्षण का उच्च गुणांक होता है, तो आपके पास सामग्रियों के बीच बहुत अधिक घर्षण होता है।

पदार्थों के गुण

• 'किसी पदार्थ को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है' लेकिन इसे एक अवस्था से दूसरी अवस्था में परिवर्तित किया जा सकता है। पदार्थ बुनियादी बिल्डिंग ब्लॉक्स से बना होता है जिसे आमतौर पर तत्व कहा जाता है जो संख्या में 112 हैं। 
• पदार्थ एक ही प्रकार के तत्वों से बना होता है तो उस तत्व की सबसे छोटी इकाई परमाणु कहलाती है। 
• यदि पदार्थ दो या दो से अधिक विभिन्न तत्वों से मिलकर बना है तो पदार्थ की सबसे छोटी इकाई अणु कहलाती है। अणु को पदार्थ की सबसे छोटी इकाई के रूप में परिभाषित किया गया है जिसका स्वतंत्र अस्तित्व है और यह पूर्ण भौतिक और रासायनिक गुणों को बनाए रख सकती है।
• पदार्थ के गतिज सिद्धांत के अनुसार:
  (i) अणु सभी संभावित दिशाओं में निरंतर गति की स्थिति में होते हैं और इसलिए वे गतिज ऊर्जा का निर्माण करते हैं जो ताप ऊर्जा के बढ़ने या तापमान में वृद्धि के साथ बढ़ती है ।
  (ii)  अणु हमेशा एक दूसरे को आकर्षित करते हैं।
  (iii) अंत: आणविक स्थानों में वृद्धि के साथ अणुओं के बीच आकर्षण बल घटता है। 
• अणु हमेशा एक दूसरे को आकर्षित करते हैं। इसी तरह के अणुओं के बीच आकर्षण बल को संसंजक (Cohesion) बल कहा जाता है जबकि विभिन्न प्रकार के अणुओं के बीच आकर्षण बल को आसंजन (Adhesion) बल कहा जाता है।
• ठोसों पदार्थों  में, अंतराअणुक स्थान बहुत छोटा होता है, इसलिए अंतराअणुक (intermolecular) बल बहुत ज्यादा होता हैं और इसलिए ठोस का निश्चित आकृति और आकार होता है।
• तरल पदार्थों  में, अंतराअणुक स्थान बड़ा होता है, इसलिए अंतराअणुक (intermolecular) बल कम होता हैं और इसलिए तरल पदार्थों की निश्चित मात्रा होती है लेकिन कोई निश्चित आकार नहीं होता है।
• गैसीय पदार्थों में, अंतराअणुक स्पेस बहुत बड़ा होता है, इसलिए अंतराअणुक बल बहुत कम होता  है और इसलिए गैसों का न तो निश्चित आयतन होता है और न ही निश्चित आकार।
• द्रव का मूल गुण यह है कि वह प्रवाहित हो सकता है। द्रव में अपना आकार बदलने का कोई प्रतिरोध नहीं होता है। इस प्रकार, द्रव का आकार उसके कंटेनर के आकार से नियंत्रित होता है। द्रव असंपीड्य होता है और उसकी अपनी स्वतंत्र सतह होती है। एक गैस संपीड्य होती है और यह अपने लिए उपलब्ध सभी जगह घेरने के लिए फैलती है।
• एक ठोस का निश्चित आकार और आकार होता है। किसी पिंड के आकार या आकार को बदलने (या विकृत) करने के लिए एक बल की आवश्यकता होती है। यदि आप किसी कुण्डलदार कमानी के सिरों को धीरे से खींचकर खींचते हैं, तो कमानी की लंबाई थोड़ी बढ़ जाती है। जब आप स्प्रिंग के सिरों को छोड़ देते हैं, तो यह अपने मूल आकार और आकृति को पुनः प्राप्त कर लेता है। किसी पिंड का वह गुण जिसके कारण वह लगाए गए बल को हटाने पर अपने मूल आकार और आकार को पुनः प्राप्त कर लेता है, लोच के रूप में जाना जाता है और उत्पन्न होने वाली विकृति को प्रत्यास्थ विरूपण (elastic deformation) के रूप में जाना जाता है।
• जब किसी वस्तु पर बाह्य बल लगाया जाता है जिससे इसकी आकार , आकृति में परिवर्तन आ जाता है और जब इस विरुपक बल को हटा लिया जाता है तो भी वह वस्तु कभी भी लौटकर अपनी पूर्व अवस्था में नही आती है , उस वस्तु को पूर्ण सुघट्य( plasticity) वस्तु कहते है।

  परिभाषा : वे वस्तुएँ जो विरुपक बल हटाने पर भी अपनी मूल अवस्था में कभी भी लौटकर नही आती है अर्थात हमेशा के लिए नया रूप ही ग्रहण कर लेती है उन वस्तुओं को पूर्ण सुघट्य वस्तुएं कहते है।

  उदाहरण : गीली मिट्टी , मोम का टुकड़ा इत्यादि।

• जब किसी पिंड पर बल लगाया जाता है, तो पिंड की सामग्री की प्रकृति और विरूपक बल के परिमाण के आधार पर यह कम या अधिक सीमा तक विकृत होता है। विरूपण कई सामग्रियों में दृश्यमान रूप से ध्यान देने योग्य नहीं हो सकता है लेकिन यह वहां है। जब किसी पिंड पर विरूपक बल लगाया जाता है, तो पिंड में एक प्रत्यानयन बल (Restoring force) विकसित हो जाता है। यह प्रत्यानयन बल परिमाण में बराबर लेकिन लगाए गए बल की दिशा में विपरीत होता है। 
• प्रति इकाई क्षेत्रफल पर प्रत्यानयन बल को प्रतिबल (Stress) कहते हैं। यदि F लगाया गया बल है और A पिंड के अनुप्रस्थ काट का क्षेत्रफल है, तो
  प्रतिबल  = F/A
  प्रतिबल की SI इकाई:  Nm^-2 अथवा पास्कल (Pa) है।
•  प्रतिबल (Stress) प्रति इकाई क्षेत्र में प्रत्यानयन बल है और विकृति (Strain) को वस्तु के किसी तत्व की लंबाई में उसकी मूल लंबाई की तुलना में भिन्नात्मक परिवर्तन के रूप में परिभाषित किया जाता है।

हुक का नियम

रॉबर्ट हुक, एक अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी (1635 - 1703 A.D) ने स्प्रिंग्स पर प्रयोग किए, जिसके अनुसार स्प्रिंग को कुछ दूरी तक बढ़ाने या संपीड़ित करने के लिए आवश्यक बल उस दूरी के समानुपाती होता है। 1676 में, उन्होंने अपना प्रत्यास्थता का नियम प्रस्तुत किया, जिसे अब हुक का नियम (Hooke’s law) कहा जाता है। हुक का नियम वहाँ महत्व रखता है, जहां कोई प्रत्यास्थ निकाय, विकृत होता है और इसका उपयोग करके आप जटिल वस्तुओं के विकृति और प्रतिबल के बीच संबंध निकाल सकते हैं।

इस प्रकार,  F_s  = k X ,
जहां k स्थिरांक है , x दूरी है और  F प्रत्यानयन बल है।
नकारात्मक चिन्ह का उपयोग इसलिए किया जाता है क्योंकि पुनर्स्थापन बल की दिशा विस्थापन के विपरीत होती है।

पास्कल का नियम

• फ्रांसीसी वैज्ञानिक ब्लेज़ पास्कल ने देखा कि एक तरल पदार्थ में दबाव सभी बिंदुओं पर समान होता है यदि वे समान ऊंचाई पर हों, समान रूप से वितरित हों। हम कह सकते हैं कि जब भी किसी बर्तन में रखे द्रव के किसी भाग पर बाह्य दाब लगाया जाता है तो वह सभी दिशाओं में समान रूप से और समान रूप से संचरित हो जाता है। द्रव दाब के संचरण के लिए यह पास्कल का नियम है और दैनिक जीवन में इसके कई अनुप्रयोग हैं। हाइड्रोलिक लिफ्ट और हाइड्रोलिक ब्रेक जैसे कई उपकरण पास्कल के नियम पर आधारित हैं।
• पास्कल नियम का सूत्र निम्न है:
  F = PA
  जहां F = लगाया गया बल (N) , P = संचरित दबाव (pa) , और  A  = अनुप्रस्थ काट क्षेत्र (m²)है।
• यदि किसी भी बिंदु पर द्रव का प्रवाह स्थिर होता है, तो प्रत्येक गुजरते हुए द्रव का वेग समय पर स्थिर रहता है। स्थिर प्रवाह के तहत एक द्रव कण द्वारा लिया गया मार्ग एक प्रवाह है।

          यहाँ,  P₁ = P₂

• बर्नौली का सिद्धांत कहता है कि जब कोई तरल पदार्थ बिना घर्षण के एक स्थान से दूसरे स्थान पर प्रवाहित होता है, तो इसकी कुल ऊर्जा (गतिज ऊर्जा (Kinetic Energy) + स्थितिज ऊर्जा (Potential Energy) + दाब (Pressure)) स्थिर रहती है।
•  पृष्ठ तनाव (Surface Tension): आपने देखा होगा कि तेल और पानी आपस में नहीं मिलते; पानी आपको और मुझे भिगोता है लेकिन बत्तखें नहीं; पारा कांच को गीला नहीं करता है लेकिन पानी उस पर चिपक जाता है, तेल रूई की बत्ती पर चढ़ जाता है, गुरुत्वाकर्षण के बावजूद, रस और पानी पेड़ की पत्तियों के ऊपर तक बढ़ जाता है, पेंट ब्रश के बाल सूखने पर आपस में नहीं चिपकते हैं और यहां तक कि जब पानी में डुबाया जाता है लेकिन इससे बाहर निकालने पर एक महीन नोक बन जाती है। 

• ये सभी और ऐसे कई और अनुभव तरल पदार्थों की मुक्त सतहों से संबंधित हैं। चूँकि द्रवों का कोई निश्चित आकार नहीं होता है, लेकिन एक निश्चित आयतन होता है, वे एक पात्र में डालने पर एक मुक्त सतह प्राप्त कर लेते हैं। इन सतहों में कुछ अतिरिक्त ऊर्जा होती है। इस घटना को पृष्ठ तनाव (Surface Tension) के रूप में जाना जाता है और इसका संबंध केवल तरल से है क्योंकि गैसों की मुक्त सतह नहीं होती है। गणितीय रूप से, पृष्ठ तनाव को तरल की मुक्त सतह पर खींची गई एक काल्पनिक रेखा की प्रति इकाई लंबाई पर कार्य करने वाले बल के रूप में परिभाषित किया जाता है। पृष्ठ तनाव न्यूटन/मीटर में व्यक्त किया जाता है।
•  श्यानता (Viscosity): अधिकांश तरल पदार्थ आदर्श नहीं होते हैं और गति के लिए कुछ प्रतिरोध पेश करते हैं। द्रव गति का यह प्रतिरोध एक आंतरिक घर्षण की तरह होता है जो किसी सतह पर ठोस गति करने पर घर्षण के समान होता है। इसे श्यानता (Viscosity) कहते हैं।