सामान्य भौतिकी | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE PDF Download

गति

गति एक भौतिक शरीर की वह स्थिति है जब यह किसी स्थिर बिंदु के सापेक्ष अपनी स्थिति बदलता है। गति एक सीधी रेखा में (रेखीय गति), एक वक्र रेखा के साथ (कोणीय गति), या एक वृत्त के चारों ओर (वृत्तीय गति) हो सकती है, यह समान (यूनिफॉर्म) या असमान (नॉन-यूनिफॉर्म) हो सकती है।

दूरी - समय ग्राफ

गति

एक चलती हुई वस्तु की गति वह दर है जिस पर यह दूरी को पार करती है, अर्थात् समय की एक इकाई में यह कितनी दूरी तय करती है।

S.I. गति की इकाई = मीटर/सेकंड।

वेग

एक वस्तु द्वारा एक निर्दिष्ट दिशा में समय की एक इकाई में तय की गई दूरी को वेग कहा जाता है।

S.I. वेग की इकाई = मीटर/सेकंड।

गति और वेग के बीच का अंतर यह है कि गति केवल चलती हुई वस्तु द्वारा तय की गई दूरी को संदर्भित करती है, जबकि वेग दिशा को भी ध्यान में रखता है।

त्वरण

एक शरीर का वेग उसकी गति या दिशा में परिवर्तन के कारण बदलता है या दोनों। एक शरीर के वेग में परिवर्तन की दर को उसके त्वरण कहा जाता है।

S.I. त्वरण की इकाई = मीटर/सेकंड²।

वृत्तीय गति

• (i) 1 रेडियन = 360°/(2π) = 57.296°
• (ii) एक वृत्तीय पथ के चारों ओर एक पूर्ण क्रांति में एक शरीर की कोणीय स्थिति में 2π रेडियन का परिवर्तन होता है। यदि एक शरीर वृत्तीय पथ में चल रहा है, तो यह एक घूर्णन के बाद अपनी मूल स्थिति पर पहुँच जाएगा। इस प्रकार, एक घूर्णन में विस्थापन शून्य होगा, लेकिन तय की गई दूरी परिधि के बराबर होगी।

एक वृत्तीय पथ के साथ चलने वाली वस्तु के कोणीय विस्थापन की दर को कोणीय गति कहा जाता है। इसे उस कोण द्वारा मापा जाता है जो वस्तु को घूर्णन के अक्ष से जोड़ने वाली रेखा द्वारा एक इकाई समय में स्वीप किया जाता है।

जड़त्व

जड़त्व और पदार्थ की मात्रा। यह सभी भौतिक शरीर की एक विशेषता है, जिसके कारण वे स्वाभाविक रूप से विश्राम की स्थिति या समान रेखीय गति में जारी रहने की प्रवृत्ति रखते हैं। किसी शरीर द्वारा धारण किया गया जड़त्व उसके द्रव्यमान के रूप में मापा जाता है। यह गैलीलियो थे जिन्होंने सबसे पहले जड़त्व का नियम खोजा।

स्केलर्स और वेक्टर

• स्केलर - स्केलर एक मात्रा है जिसमें केवल परिमाण होता है। उदाहरण: - द्रव्यमान, समय, घनत्व, तापमान, आदि।
• वेक्टर - वेक्टर एक मात्रा है जिसमें परिमाण और दिशा दोनों होते हैं। उदाहरण: रेखीय विस्थापन, रेखीय वेग, बल, आदि। एक वेक्टर को एक सीधी रेखा द्वारा प्रदर्शित किया जाता है जिसमें एक उपयुक्त स्केल होता है। रेखा पर एक तीर वेक्टर की दिशा को दर्शाता है जबकि इस रेखा की लंबाई वेक्टर मात्रा के परिमाण के आनुपातिक होती है (अर्थात, परिमाण को दर्शाता है)।

वेक्टर का प्रतिनिधित्व

बल

बल वह क्रिया है जो किसी शरीर की विश्राम की स्थिति या समान रेखीय गति को बदलने या बदलने की प्रवृत्ति रखता है। यह एक वेक्टर मात्रा है और इसे F द्वारा प्रदर्शित किया जाता है। जब एक व्यक्ति गेंद को लात मारता है, तो उसका पैर गेंद पर बल लगाता है जिससे वह गति में आती है।

केंद्रीक बल बनाम केंद्रीपात बल

केंद्रीपात बल

किसी वस्तु को वृत्तीय गति में चलाने के लिए एक बल आवश्यक है जो केंद्र की ओर निर्देशित हो। इसे केंद्रीपात बल कहा जाता है और यह वृत्तीय गति में दिशा के निरंतर परिवर्तन के लिए आवश्यक है।

चाँद के मामले में, पृथ्वी और चाँद के बीच का गुरुत्वाकर्षण बल केंद्रीपात बल के रूप में कार्य करता है। जब एक पत्थर को एक रस्सी के एक सिरे से घुमाया जाता है, तो रस्सी में खिंचाव केंद्रीपात बल प्रदान करता है।

केंद्रीक बल

केंद्रीक बल

यह एक छद्म बल है और यह एक त्वरित (या घूर्णन) पर्यवेक्षक के लिए कण की गति का वर्णन करता है।

घर्षण

घर्षण वह बल है जो एक-दूसरे के संपर्क में आने वाली दो सतहों के बीच सापेक्ष गति का विरोध करता है। यहाँ तक कि जब कोई सापेक्ष गति नहीं होती, तब भी सतहों के बीच घर्षण बल मौजूद रहते हैं।

घर्षण के फायदे

घर्षण के फायदे

एक घर्षण रहित दुनिया बिल्कुल भी सुविधाजनक नहीं होगी। घर्षण के बिना कुर्सी पर बैठना कठिन होगा। यह दीवार के खिलाफ सीढ़ियों का सहारा देने में मदद करता है, गाड़ियों और ट्रेनों को शुरू करने में मदद करता है। किसी कार या किसी चलने वाले उपकरण के ब्रेक घर्षण पर निर्भर करते हैं।

घर्षण के नुकसान

यांत्रिक उपकरणों में घर्षण ऊर्जा की बर्बादी करता है। जब एक सतह किसी दूसरी सतह पर चलती है, तो कुछ ऊर्जा घर्षण को पार करने में खर्च होती है (जो गर्मी ऊर्जा में बिखर जाती है)। मशीनरी का घिसाव और टूटना अत्यधिक घर्षण का परिणाम है। यदि मोटर कार का इंजन तेल की कमी से चलता है तो वह जाम हो जाएगा। पिस्टन और सिलेंडर अत्यधिक घर्षण के कारण इतने गर्म हो जाते हैं कि वे एक साथ जाम हो जाते हैं।

रेखीय संवेग

यह किसी वस्तु द्वारा धारण किए गए रेखीय गति का माप है। यह एक वेक्टर मात्रा है।

संवेग = (वस्तु का द्रव्यमान) x (रेखीय वेग)

इसे किलोग्राम-मीटर प्रति सेकंड (kgm/s) में मापा जाता है। इसकी दिशा वस्तु के रेखीय वेग के समान होती है। इंपल्स: किसी बल द्वारा उत्पन्न रेखीय संवेग में परिवर्तन, जो एक त्वरित या धीमी हो रही वस्तु में प्रति यूनिट समय होता है, उसे इंपल्स कहा जाता है।

न्यूटन के गति के नियम

न्यूटन का पहला नियम (जड़त्व का नियम)

“हर वस्तु अपनी विश्राम की स्थिति या सीधी रेखा में समान गति में तब तक बनी रहती है जब तक कि उसे किसी बाहरी बल द्वारा अन्यथा कार्य करने के लिए विवश नहीं किया जाता।”

कई घटनाएँ इस नियम को स्पष्ट करती हैं। यदि एक चलती हुई गाड़ी अचानक रुक जाती है, तो उसके अंदर का यात्री आगे की ओर झूल जाता है यदि वह सावधान नहीं है; ऐसा इसलिए होता है क्योंकि उसके पैर गाड़ी के फर्श के संपर्क में रहते हैं और अचानक रुक जाते हैं, जबकि व्यक्ति के शरीर का ऊपरी भाग आगे की गति बनाए रखता है।

न्यूटन के पहले नियम का उदाहरण: एक कालीन से धूल हटाने के लिए उसे पीटना, लंबी कूद से पहले तेजी से दौड़ना, एक खिड़की के कांच में एक गोली लगने पर एक छोटा छिद्र बनना, इत्यादि।

न्यूटन का दूसरा नियम

“किसी वस्तु के संवेग में परिवर्तन की दर उस पर लगाए गए बल के समानुपाती होती है और उस दिशा में होती है जिसमें बल कार्य करता है।”

गणितीय रूप से, न्यूटन का दूसरा नियम इस प्रकार व्यक्त किया गया है: F = ma, जहाँ F = बल, m = द्रव्यमान, और a = त्वरन है। न्यूटन बल की परिमाण की S.I. इकाई है। एक न्यूटन वह बल है जो एक किलोग्राम के द्रव्यमान को एक मीटर प्रति सेकंड की त्वरन देता है। इसे N द्वारा दर्शाया जाता है। दूसरा नियम तब लागू होता है जब एक वाहन पर ब्रेक लगाए जाते हैं, और एक बड़ा धीमा करने वाला बल उत्पन्न होता है जिससे वाहन को रोकने में मदद मिलती है। यह यह भी स्पष्ट करता है कि यदि रेत में एक कांच की बोतल गिराई जाती है तो वह क्यों नहीं टूटेगी: रेत का लचीलापन एक कठोर फर्श की तुलना में कम धीमा करने की अनुमति देता है।

न्यूटन का दूसरा नियम

न्यूटन का तीसरा नियम

यह नियम कहता है कि “हर क्रिया के लिए एक समान और विपरीत प्रतिक्रिया होती है।”

यदि शरीर A, शरीर B पर बल लगाता है, तो B, A पर समान और विपरीत बल लगाता है, वही क्रिया की दिशा में। यदि हम एक बंदूक चलाते हैं, तो प्रक्षिप्ति का आगे का जोर पीछे की ओर धकेलने के बराबर होता है - यह बंदूक का 'किक' या रीकॉइल होता है। जब हम दीवार के खिलाफ अपने हाथ से धक्का देते हैं, तो दीवार हमारे हाथ पर समान मात्रा में बल लगाती है।

न्यूटन का तीसरा नियम

दबाव

दबाव को एक इकाई क्षेत्र पर कार्यरत बल के रूप में परिभाषित किया जाता है। दबाव की SI इकाई न्यूटन प्रति वर्ग मीटर या पास्कल (Pa) है।

शून्य दबाव

शून्य दबाव वह दबाव है जो किसी स्थान के क्षेत्र में तब होता है जब उस क्षेत्र से सभी तरल, जो दबाव का स्रोत होता है, हटा दिए जाते हैं। पूर्ण निर्वात में शून्य दबाव होता है। चांद पर कोई वायुमंडल नहीं होने के कारण, वहां दबाव शून्य होता है। अंतर-planetary स्थान में भी शून्य दबाव होता है।

गेज दबाव

यह वायुमंडलीय दबाव के सापेक्ष मापा गया दबाव है।

अंतिम दबाव

यह शून्य दबाव के सापेक्ष मापा गया दबाव है।

वायुमंडलीय दबाव

यह उस गैसों के वजन के कारण उत्पन्न होने वाला दबाव है जो हमारे चारों ओर के वायुमंडल का निर्माण करती हैं। किसी दिए गए स्थान पर, वायुमंडलीय दबाव उस क्षेत्र के ऊपर वायु के स्तंभ के वजन के कारण होता है (धरती के वायुमंडल की 'ऊपर' तक)। समुद्र स्तर पर, वायु के स्तंभ की ऊंचाई, और इसलिए वायुमंडलीय दबाव अधिकतम होता है। समुद्र स्तर से किसी भी ऊंचाई पर, चाहे वह पहाड़ पर हो या विमान में, वायु का स्तंभ और इसलिए वायुमंडलीय दबाव समुद्र स्तर से कम होता है।

एक वायुमंडल (atmosphere) वह दबाव है जो 0°C पर समुद्र स्तर और 45° अक्षांश पर 760 मिमी ऊँचाई के पारा के एक खंभे को सहारा देता है। 1 atm = 101325 Pa है। एक औसत आकार के व्यक्ति की सतह क्षेत्रफल 2m² होने पर उसके शरीर पर लगभग 20 टन या 200 kN का कुल दबाव कार्य करता है। वह निश्चित रूप से इस विशाल भार के प्रति जागरूक नहीं होता, क्योंकि उसका रक्त वायुमंडलीय दबाव से थोड़ा अधिक दबाव डालता है, और इस तरह एक संतुलन अधिक से अधिक स्थापित होता है। उच्च ऊँचाइयों पर, जहाँ वायु का दबाव कम होता है, रक्त के अधिक दबाव के कारण नाक से खून बहने की संभावना होती है। हर 10.3 मीटर (लगभग 10 मीटर समुद्री जल में) एक डाइवर की गहराई बढ़ने पर, उसके शरीर पर दबाव एक वायुमंडल से बढ़ जाता है। गहरी गहराइयों में अधिक समय बिताना खतरनाक होता है, क्योंकि उच्च दबाव के परिणामस्वरूप रक्त में नाइट्रोजन का अत्यधिक घुलना होता है, और सर्फेस पर लौटने पर रक्त में नाइट्रोजन के बुलबुले बनते हैं। ऐसी स्थिति तीव्र दर्द या यहां तक कि मृत्यु का कारण बन सकती है।

इस स्थिति को "डाइवर्स बेंड्स" कहा जाता है, और इससे स्वास्थ्य को होने वाले खतरे को काफी कम किया जा सकता है यदि गैस सिलेंडरों में 8 प्रतिशत ऑक्सीजन और 9.2 प्रतिशत हीलियम का मिश्रण उपयोग किया जाए। डाइवर द्वारा सामना की जाने वाली समस्याओं के विपरीत, उच्च ऊँचाई पर उड़ान भरने वाले विमान के चालक दल और यात्रियों को कम वायुमंडलीय दबाव के कारण सांस लेने में समस्या और इसके परिणामस्वरूप खतरा होता है। इस समस्या का समाधान विमान को "प्रेसराइज" करके किया जाता है। सभी उद्घाटन सील कर दिए जाते हैं, और एयर पंपों का उपयोग करके अंदर सामान्य वायुमंडलीय दबाव बनाए रखा जाता है।

याद रखने योग्य तथ्य

• बल की परिभाषा और व्युत्पत्ति न्यूटन के गति के दूसरे नियम से आती है।
• रॉकेट वाहनों और जेट विमानों का प्रक्षेपण न्यूटन के तीसरे नियम का पालन करता है।
• एक ग्राम वजन 980 डायन के बराबर होता है।
• C.G.S. (सेंटी-ग्राम-सेकंड) प्रणाली में, बल की इकाई डायन होती है और S.I. या MKS (मीटर-किलो-सेकंड) प्रणाली में, न्यूटन होती है।
• यदि एक वस्तु को चलती ट्रेन की खिड़की से गिरने दिया जाए, तो वह वस्तु एक पैराबोलिक पथ का अनुसरण करते हुए जमीन पर गिरेगी।
• एक शिकारी को अपने बंदूक का लक्ष्य थोड़ा ऊँचा रखकर लक्ष्य पर निशाना लगाना चाहिए। क्योंकि गोलियाँ एक पैराबोलिक पथ पर चलती हैं। इसी प्रकार, प्रक्षिप्त वस्तु का भी पैराबोलिक पथ होता है।
• यदि बर्फ का एक टुकड़ा पानी से भरे एक सिलेंडर में है, और बर्फ पूरी तरह से पिघल जाती है, तो पानी का स्तर अपरिवर्तित रहता है (यह आर्किमेडीज के सिद्धांत के अनुसार है)।
• हाइड्रोमीटर एक उपकरण है जो तरल पदार्थों की सापेक्ष घनत्व मापता है। जितना गहराई में हाइड्रोमीटर तरल में तैरता है, तरल का सापेक्ष घनत्व उतना ही कम होता है।
• किसी पदार्थ की घनत्व उस पदार्थ की एक इकाई आयतन की मास होती है।

• C.G.S. प्रणाली - इस प्रणाली में लंबाई की इकाई सेंटीमीटर, मास की इकाई ग्राम और समय की इकाई सेकंड है। इसे फ्रेंच प्रणाली कहा जाता है।
• F.P.S. प्रणाली - इस प्रणाली में लंबाई की इकाई फुट, मास की इकाई पाउंड और समय की इकाई सेकंड है। इसे ब्रिटिश प्रणाली कहा जाता है।
• चॉक - यह कई पदार्थों का मिश्रण होता है, जिसमें बड़ी मात्रा में कैल्शियम कार्बोनेट होता है।
• चूना - यह एक यौगिक है जिसका रासायनिक नाम कैल्शियम कार्बोनेट है।
• विश्राम - जब एक वस्तु अपने चारों ओर के वस्तुओं के सापेक्ष अपनी स्थिति में परिवर्तन नहीं करती है, तो उसे विश्राम में कहा जाता है।
• गति - जब एक वस्तु अपने चारों ओर के वस्तुओं के सापेक्ष अपनी स्थिति में परिवर्तन करती है, तो उसे गति में कहा जाता है।
• गति की दर - यह वह दर है जिस पर एक वस्तु किसी विशेष दिशा में चलती है।
• वेग - यह वह दर है जिस पर एक वस्तु एक विशेष दिशा में चलती है।
• शक्ति - यह कार्य करने की दर है, और यह उस दर को दर्शाता है जिस पर कार्य किया जाता है।
• ऊर्जा - किसी वस्तु की ऊर्जा को कार्य करने की क्षमता के रूप में परिभाषित किया गया है, और यह उस कुल कार्य की मात्रा को दर्शाता है जो एक वस्तु करने में सक्षम है।
• समान वेग - यदि कोई वस्तु समान समयांतराल में समान दूरी तय करती है, तो इसे समान वेग से चलने का कहा जाता है।
• परिवर्तनीय वेग - यदि कोई वस्तु समान समयांतराल में असमान दूरी तय करती है, या असमान समयांतराल में समान दूरी तय करती है, तो इसे परिवर्तनीय वेग से चलने का कहा जाता है।
• त्वरण - यह एक वस्तु के वेग में बदलाव की दर है।