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संतुलित बल: संगामी बलों का साम्य

संगामी बल वे हैं जो एक ही बिंदु पर लगते हैं। जब बल एक-दूसरे को काट देते हैं, यानी उनका सदिश योग शून्य होता है (ΣFx = 0 और ΣFy = 0), तब बिंदु साम्यावस्था में है। वस्तु या तो स्थिर रहती है या सीधी रेखा में एक समान चाल से चलती रहती है। तीन बल संतुलन में हों तो सिरे से सिरा जोड़ने पर बंद त्रिभुज बनता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. एक लैंप एक रस्सी से लटका है और हिल नहीं रहा। उस पर दो बल लगे हैं। भार उसे 10 N से नीचे खींचता है। रस्सी उसे 10 N से ऊपर खींचती है। दोनों बराबर और उलटे हैं, इसलिए कट जाते हैं।
  2. अब वही लैंप दो रस्सियों से लटकाते हैं। हर रस्सी ऊपर भी खींचती है और बगल में भी। बगल वाले खिंचाव बराबर और उलटे हैं, इसलिए कट जाते हैं। हर रस्सी सिर्फ़ 5.8 N लगाती है, जो भार से कम है।
  3. अब रस्सियों को और चपटा करते हैं। रस्सी बगल में ज़्यादा और ऊपर कम खींचती है। 10 N रोकने के लिए 30° पर हर रस्सी को 10 N लगाना पड़ता है।
  4. और चपटा, 15° तक। अब हर रस्सी 19 N लगाती है, यानी भार का लगभग दुगुना। रस्सी पर बहुत ज़ोर पड़ रहा है, इसलिए वह लाल हो गई।
  5. तीनों तीरों को ऐसे रखो कि हर तीर वहाँ से शुरू हो जहाँ पिछला खत्म हुआ। वे एक त्रिभुज बनाकर शुरुआत पर लौट आते हैं। "कुल बल शून्य" ऐसा दिखता है।
  6. अब तुम्हारी बारी। कोण और भार के स्लाइडर चलाओ। हर बार देखो कि बाएँ-दाएँ के खिंचाव कटते हैं और ऊपर के खिंचाव भार के बराबर हैं।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

कुल बल शून्य है। क्या वस्तु का स्थिर रहना ज़रूरी है?

नहीं। कुल बल शून्य का मतलब त्वरण शून्य है। वस्तु स्थिर रह सकती है या सीधी रेखा में एक समान चाल से चल सकती है। 3D का लैंप स्थिर है, पर सीधी चिकनी सड़क पर चलती कार भी साम्य में है।

बगल वाले खिंचाव कहाँ गए?

दोनों रस्सियाँ बगल में उलटी दिशाओं में बराबर ज़ोर से खींचती हैं, इसलिए वे एक-दूसरे को काट देती हैं। भार थामने के लिए बस उनके ऊपर वाले भाग बचते हैं।

चपटी रस्सी ज़्यादा ज़ोर से क्यों खिंचती है?

चपटी रस्सी के उतने ही खिंचाव का ऊपर वाला भाग कम होता है। फिर भी 10 N थामने के लिए रस्सी को अपनी लंबाई के साथ बहुत ज़्यादा खिंचना पड़ता है। 15° पर हर रस्सी 19 N लगाती है।

क्या रस्सी बिल्कुल क्षैतिज हो सकती है?

नहीं। क्षैतिज रस्सी में ऊपर का कोई भाग नहीं होता, इसलिए कितना भी खींचो वह भार नहीं थाम सकती। इसीलिए भार लदी डोरी हमेशा झुकती है।

तीनों तीर बंद त्रिभुज क्यों बनाते हैं?

तीरों को सिरे से सिरा जोड़ना उन्हें जोड़ना है। साम्य में योग शून्य है, इसलिए आख़िरी तीर का सिरा पहले तीर की शुरुआत पर गिरता है।

मैं अपना उत्तर कैसे जाँचूँ?

स्लाइडर चलाओ और 3D के नीचे लिखी संख्याएँ पढ़ो। हर बार बाएँ में से दाएँ घटाने पर 0 और ऊपर में से नीचे घटाने पर 0 आता है। अपने हल में भी यही जाँच करो।

संगामी बल और साम्य का मतलब

संगामी बल वे बल हैं जिनकी कार्य-रेखाएँ एक ही बिंदु पर मिलती हैं। तीन रस्सियों वाली गाँठ अच्छा उदाहरण है: हर रस्सी उसी गाँठ को खींचती है।

बल एक धक्का या खिंचाव है। हम उसे तीर से दिखाते हैं: तीर की लंबाई बल का परिमाण और तीर का सिरा दिशा बताता है।

जब वस्तु पर लगे बल एक-दूसरे को काट दें और कुछ न बचे, तब वस्तु साम्यावस्था (equilibrium) में है। तब वस्तु या तो स्थिर रहती है (स्थैतिक साम्य) या सीधी रेखा में एक समान चाल से चलती रहती है (सीधी सड़क पर एक समान चाल वाली कार, धीरे-धीरे ऊपर जाती लिफ़्ट)। दोनों में त्वरण शून्य है, क्योंकि कुल बल शून्य है (न्यूटन का पहला नियम)।

साम्य की शर्त: ΣF = 0

सब बल-सदिशों को जोड़ो। योग को परिणामी (कुल) बल कहते हैं। साम्य के लिए:

ΣF = 0

तीर अलग-अलग दिशाओं में होते हैं, इसलिए हर तिरछे बल को दो भागों में बाँटते हैं: एक x-दिशा (बाएँ-दाएँ) में और एक y-दिशा (ऊपर-नीचे) में। इसे बल का वियोजन (resolving) कहते हैं। तब नियम दो आसान नियम बन जाता है:

क्षैतिज से कोण θ पर लगे बल F के लिए: Fx = F cos θ और Fy = F sin θ।

दो बल साम्य में हों तो बराबर और उलटे होने चाहिए। तीन बल साम्य में हों तो सिरे से सिरा जोड़ने पर बंद त्रिभुज बनता है। उनमें से कोई भी बल बाकी दो के योग के बराबर और उलटा होता है।

साम्य का प्रश्न हल करने के चरण

  1. वस्तु को एक बिंदु मानकर बनाओ। उस पर लगे सब बल लिखो: भार, रस्सियाँ, धक्का, अभिलंब बल, घर्षण।
  2. x और y अक्ष चुनो। ऐसे चुनो कि ज़्यादातर बल किसी अक्ष पर पड़ें (ढलान पर एक अक्ष ढलान के साथ लो)।
  3. तिरछे बलों को घटकों में बाँटो।
  4. ΣFx = 0 और ΣFy = 0 लिखो।
  5. अज्ञात राशियाँ हल करो और जाँचो कि उत्तर सही लगता है।

SI मात्रक लो: बल न्यूटन (N) में, भार W = mg, g ≈ 9.8 m/s² (आसान गणना के लिए हम 10 m/s² लेते हैं)।

अनुप्रयोग: दो रस्सियों से लटका भार

भार W एक गाँठ से लटका है, जिसे दो बराबर रस्सियाँ थामे हैं। हर रस्सी क्षैतिज से कोण θ बनाती है। बगल में: दोनों क्षैतिज खिंचाव कट जाते हैं। ऊपर-नीचे: 2T sin θ = W, इसलिए

T = W ÷ (2 sin θ)

θ = 90° (रस्सियाँ सीधी ऊपर) पर हर रस्सी W/2 उठाती है। θ घटने पर sin θ घटता है और T बढ़ता है। θ बहुत छोटा हो तो खिंचाव बहुत बड़ा हो जाता है और रस्सी टूट सकती है। बीच में भार हो तो रस्सी कभी बिल्कुल सीधी नहीं हो सकती, क्योंकि sin 0° = 0 के लिए अनंत खिंचाव चाहिए।

अनुप्रयोग: ढलान पर गुटका, स्लेज, बगल से धकेली गेंद

चिकनी ढलान पर गुटका (ढलान कोण α), ढलान के समांतर रस्सी से रुका हुआ। एक अक्ष ढलान के साथ लो। भार दो भागों में बँटता है: ढलान के साथ नीचे W sin α और ढलान के अंदर W cos α। इसलिए रस्सी का तनाव T = W sin α और अभिलंब बल N = W cos α।

कोण पर खींची गई स्लेज एक समान चाल से: कोण θ पर खिंचाव P दो भागों में बँटता है: P cos θ (आगे) और P sin θ (ऊपर)। आगे: P cos θ = घर्षण। ऊपर: N + P sin θ = W, यानी ज़मीन भार से कम धक्का देती है।

धागे पर लटकी गेंद, बगल से धकेली हुई: क्षैतिज बल F से धागा ऊर्ध्वाधर से कोण φ बनाता है: T cos φ = W और T sin φ = F, इसलिए F = W tan φ।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. 5 kg का बक्सा मेज़ पर रखा है। अभिलंब बल ज्ञात करो। (g = 10 m/s²)

भार W = mg = 5 × 10 = 50 N नीचे। स्थिर है, इसलिए ΣFy = 0, अतः अभिलंब बल N = 50 N ऊपर।

2. 12 N का लैंप दो बराबर रस्सियों से लटका है, हर रस्सी क्षैतिज से 60° पर। हर रस्सी का तनाव ज्ञात करो।

ऊपर-नीचे: 2T sin 60° = 12। T = 12 ÷ (2 × 0.866) = 6.93 N। (बगल वाले खिंचाव कट जाते हैं।)

3. वही 12 N का लैंप, पर अब हर रस्सी क्षैतिज से 30° पर है। T ज्ञात करो।

T = 12 ÷ (2 × sin 30°) = 12 ÷ (2 × 0.5) = 12 N। लैंप वही है, फिर भी चपटी रस्सी ज़्यादा खिंचती है।

4. 20 N का गुटका 30° की चिकनी ढलान पर ढलान के समांतर रस्सी से रुका है। रस्सी का तनाव और अभिलंब बल ज्ञात करो।

ढलान के साथ: T = W sin 30° = 20 × 0.5 = 10 N। ढलान के अंदर: N = W cos 30° = 20 × 0.866 = 17.3 N।

5. 200 N भार की स्लेज को ज़मीन से 30° ऊपर 50 N की रस्सी से एक समान चाल से खींचा जा रहा है। घर्षण और अभिलंब बल ज्ञात करो।

एक समान चाल यानी साम्य। आगे: घर्षण = 50 cos 30° = 43.3 N। ऊपर: N + 50 sin 30° = 200, इसलिए N = 200 − 25 = 175 N।

6. 30 N का भार एक गाँठ से लटका है। एक रस्सी छत तक क्षैतिज से 45° पर जाती है और दूसरी गाँठ को दीवार की ओर क्षैतिज खींचती है। दोनों तनाव ज्ञात करो।

ऊपर-नीचे: T1 sin 45° = 30, इसलिए T1 = 30 ÷ 0.707 = 42.4 N। बगल में: T2 = T1 cos 45° = 42.4 × 0.707 = 30 N।

7. 2 kg की गेंद धागे से लटकी है। क्षैतिज धक्का F उसे ऐसे रोकता है कि धागा ऊर्ध्वाधर से 30° बनाता है। F और धागे का तनाव ज्ञात करो। (g = 10 m/s²)

W = 20 N। T cos 30° = 20, इसलिए T = 20 ÷ 0.866 = 23.1 N। F = T sin 30° = 11.5 N (या F = W tan 30° = 20 × 0.577 = 11.5 N)।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. एक बिंदु पर बलों के साम्य का मतलब है:
2. दो बल किसी वस्तु को साम्य में रखते हैं। वे होने चाहिए:
3. 10 N का लैंप एक ऊर्ध्वाधर रस्सी से लटका है। रस्सी का तनाव है:
4. भार को थामने वाली दो रस्सियों को चपटा करें (क्षैतिज से कोण घटे) तो हर रस्सी का तनाव:
5. साम्य में तीन बलों को सिरे से सिरा जोड़ने पर बनता है:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

संगामी बलों के साम्य की शर्त क्या है?

सब बलों का सदिश योग शून्य होना चाहिए: ΣF = 0। घटकों में ΣFx = 0 और ΣFy = 0।

क्या चलती हुई वस्तु साम्य में हो सकती है?

हाँ। अगर वह सीधी रेखा में एक समान चाल से चल रही है तो त्वरण शून्य है, कुल बल शून्य है और वह साम्य (गतिक साम्य) में है।

संतुलित और असंतुलित बल में क्या अंतर है?

संतुलित बल एक-दूसरे को काट देते हैं (कुल बल शून्य), इसलिए गति नहीं बदलती। असंतुलित बलों का कुल बल बचता है, जो वस्तु की चाल बढ़ाता, घटाता या दिशा बदलता है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

चीन高一Compulsory 1 Ch.3 Forces

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