बल और दबाव: गति (Force and Pressure: Motion)

ए. बल क्या है?

A बल किसी पिंड पर लगने वाला एक बाहरी धक्का या खिंचाव है जो इसकी आराम की स्थिति, समान गति, दिशा, या आयाम (आकार/आकार) को बदलता है या बदलने की प्रवृत्ति रखता है।

• SI इकाई: न्यूटन ($\text{N}$). $1\text{ N}$, $1\text{ kg}$ द्रव्यमान को $1\text{ m/s}^2$.
पर त्वरित करने के लिए आवश्यक बल है
• गुरुत्वाकर्षण इकाई: किलोग्राम-बल ($\text{kgf}$): $1\text{ kgf} = 9.8\text{ N} \approx 10\text{ N}$.

बी. बलों का वर्गीकरण:

1. संपर्क बल: परस्पर क्रिया करने वाले निकायों के बीच सीधे भौतिक संपर्क की आवश्यकता होती है।
   • मांसपेशियों का बल: मानव/पशु के कंकाल की मांसपेशियों द्वारा लगाया गया बल।
   • यांत्रिक/सामान्य बल: एक सहायक सतह द्वारा लगाया गया लंबवत संपर्क बल।
   • घर्षण बल: सापेक्ष गति का विरोध करने वाले स्पर्शरेखीय बल का प्रतिरोध।
   • तनाव बल: खिंची हुई डोरी या केबल के माध्यम से प्रेषित पुनर्स्थापना बल।
2. गैर-संपर्क (दूरी पर कार्रवाई) बल: भौतिक संपर्क के बिना खाली जगह पर कार्य करें।
   • गुरुत्वाकर्षण बल: द्रव्यमानों के बीच सार्वभौमिक आकर्षक बल ($F = \frac{G m_1 m_2}{r^2}$).
   • इलेक्ट्रोस्टैटिक बल: स्थिर विद्युत आवेशों के बीच आकर्षक या प्रतिकारक बल।
   • चुंबकीय बल: चुंबकीय ध्रुवों के बीच या गतिमान आवेशों पर लगाया गया बल।

ए. घर्षण की उत्पत्ति:

यहां तक कि अत्यधिक पॉलिश की गई सतहों में भी सूक्ष्म चोटियां (एस्पेरिटी) और घाटियां होती हैं। जब दो सतहें स्पर्श करती हैं, तो उनकी विषमताएं आपस में जुड़ जाती हैं और सूक्ष्म शीत वेल्ड बनाती हैं। इन जंक्शनों को काटने के लिए आवश्यक बल घर्षण बल है।

बी. घर्षण के प्रकार (परिमाण का पदानुक्रम):

• स्थैतिक घर्षण: स्व-समायोजित घर्षण बल एक स्थिर शरीर को गति शुरू करने से रोकता है। इसकी अधिकतम सीमा को लिमिटिंग फ्रिक्शन.
कहा जाता है
• स्लाइडिंग घर्षण: जब एक सतह दूसरी सतह पर फिसलती है तो प्रतिरोधी बल।
• रोलिंग घर्षण: जब कोई गोलाकार या बेलनाकार वस्तु सतह पर लुढ़कती है तो प्रतिरोध बल (बहुत छोटा क्योंकि संपर्क क्षेत्र बेहद संकीर्ण होता है)।

C. संशोधित घर्षण:

• घर्षण बढ़ाना: ऑटोमोबाइल टायरों को ग्रूव करना, जिमनास्ट के हाथों पर मैग्नीशियम कार्बोनेट पाउडर लगाना, जूते के तलवों पर रगड़ना।
• घर्षण कम करना: स्नेहक (तेल, ग्रीस, ग्रेफाइट) लगाना, बॉल बेयरिंग स्थापित करना, सतहों को पॉलिश करना, विमान और कार बॉडी को सुव्यवस्थित करना।

ए. परिभाषाएँ एवं गणितीय सूत्रीकरण:

• जोर: एक सतह के विरुद्ध लंबवत लगाया गया कुल सामान्य बल: $\text{Thrust} = F$ (इकाई: न्यूटन, $\text{N}$).
• दबाव ($P$): प्रति इकाई सतह क्षेत्र पर लंबवत कार्य करने वाला जोर: $$\mathbf{P = \frac{\text{Thrust } (F)}{\text{Area } (A)}}$$
• SI इकाई: पास्कल ($\text{Pa}$): $1\text{ Pa} = 1\text{ N/m}^2$. व्यावहारिक इकाई: $\text{bar}$ ($1\text{ bar} = 10^5\text{ Pa}$) और वातावरण ($1\text{ atm} = 1.013 \times 10^5\text{ Pa}$).

बी. व्युत्क्रम क्षेत्र सिद्धांत:

एक निरंतर जोर बल के लिए $F$:

• छोटा क्षेत्र $\implies$ उच्च दबाव:
  • एक तेज चाकू की काटने की धार बेहद पतली ($A \to 0$) होती है, जो सब्जियों को साफ-सुथरा काटने के लिए न्यूनतम हाथ बल के साथ अत्यधिक दबाव पैदा करती है।
  • सिलाई सुइयों और ड्राइंग पिनों में कपड़े और लकड़ी को अंगूठे के हल्के दबाव से छेदने के लिए सुई जैसी पतली युक्तियां होती हैं।
• बड़ा क्षेत्र $\implies$ कम दबाव:
  • स्कूल बैग में चौड़ी कंधे की पट्टियाँ होती हैं जो बैग के वजन को बड़े सतह क्षेत्र में वितरित करती हैं, जिससे कंधों पर दबाव कम होता है।
  • ऊंट नरम रेगिस्तानी रेत पर आसानी से चलते हैं क्योंकि उनके चौड़े, चौड़े पैर शरीर के वजन को वितरित करते हैं, जिससे वे डूबने से बच जाते हैं।
  • गगनचुंबी इमारतें और रेलवे ट्रैक जमीन धंसने से बचाने के लिए चौड़ी कंक्रीट नींव और लकड़ी/कंक्रीट स्लीपरों पर टिके हुए हैं।

गति एक स्थिर संदर्भ फ्रेम के सापेक्ष किसी वस्तु की स्थिति में निरंतर परिवर्तन है:

1. अनुवादात्मक गति: शरीर का प्रत्येक कण एक ही समय में बिल्कुल समान दूरी से चलता है।
   • रेक्टिलाइनियर: एक सीधी रेखा के साथ गति (उदाहरण के लिए, एक कार सीधे राजमार्ग पर चल रही है)।
   • वक्ररेखीय: घुमावदार प्रक्षेपवक्र के साथ गति (उदाहरण के लिए, एक कोण पर फेंका गया पत्थर)।
2. घूर्णन गति: एक पिंड एक निश्चित आंतरिक अक्ष के बारे में इस प्रकार गति करता है कि प्रत्येक घटक कण एक संकेंद्रित वृत्त का वर्णन करता है (उदाहरण के लिए, घूमता हुआ शीर्ष, छत के पंखे के ब्लेड)।
3. दोलन/कंपन गति: एक पिंड एक केंद्रीय माध्य स्थिति (जैसे, सरल पेंडुलम, गिटार स्ट्रिंग) के बारे में बार-बार इधर-उधर घूमता है।
4. आवधिक गति: गति जो समय के बिल्कुल समान अंतराल पर खुद को दोहराती है (उदाहरण के लिए, सूर्य के चारों ओर पृथ्वी की परिक्रमा, दिल की धड़कन)।