मशीनों में बल और गति
बल धक्का या खिंचाव है। इसे न्यूटन (N) में नापते हैं। अगर किसी पुर्ज़े पर बल संतुलित हों, तो वह जैसा चल रहा था वैसा ही रहता है। असंतुलित हों, तो वह तेज़ होता है, धीमा होता है या मुड़ता है।
बचा हुआ बल नेट बल कहलाता है। ट्रॉली के लिए: नेट बल = धक्का − घर्षण।
त्वरण = नेट बल ÷ द्रव्यमान (a = F ÷ m)। बल ज़्यादा तो त्वरण ज़्यादा। द्रव्यमान ज़्यादा तो त्वरण कम। इसीलिए लदा हुआ ट्रक धीरे चलना शुरू करता है।
मशीनों में घर्षण
घर्षण वह बल है जो दो सतहों के छूने पर गति का विरोध करता है। यह हमेशा गति की उल्टी दिशा में होता है। सरल नियम: घर्षण = μ × m × g। यहाँ μ बताता है कि सतहें कितनी खुरदरी हैं (कोई इकाई नहीं), m द्रव्यमान है और g लगभग 10 मी/से² है।
ब्रेक, बेल्ट और टायर में घर्षण काम का है। शाफ़्ट और गियर में यह नुकसान करता है, क्योंकि गर्मी बनती है और पुर्ज़े घिसते हैं। इसे तेल, ग्रीस, बॉल बेयरिंग और चिकनी सतहों से घटाते हैं।
अगर धक्का घर्षण से बड़ा नहीं है, तो नेट बल शून्य है और पुर्ज़ा चलना शुरू नहीं करता।
कार्य, ऊर्जा और शक्ति
जब बल किसी चीज़ को हिलाता है तब कार्य होता है। कार्य = बल × दूरी (बल की दिशा में)। इकाई: जूल (J)। दीवार को धकेलो और वह न हिले, तो विज्ञान में कार्य शून्य है।
ऊर्जा कार्य करने की क्षमता है। इसकी इकाई भी जूल है। ईंधन और बिजली मशीन को ऊर्जा देते हैं; मशीन उसे कार्य में बदलती है।
शक्ति = कार्य ÷ समय। इकाई: वॉट (W), 1 वॉट = 1 जूल प्रति सेकंड। ज़्यादा शक्ति वाली मशीन वही कार्य जल्दी कर देती है। 1 kW = 1000 W।
दक्षता: जो ऊर्जा बेकार जाती है
कोई भी मशीन सारी निवेश ऊर्जा को उपयोगी कार्य में नहीं बदल पाती। कुछ ऊर्जा गर्मी और आवाज़ बन जाती है, ज़्यादातर घर्षण के कारण।
दक्षता = उपयोगी निर्गत ÷ निवेश × 100%। 75% दक्षता का मतलब है कि 25% बेकार गई। अच्छा तेल और बेयरिंग दक्षता बढ़ाते हैं।
मशीनें बल और दूरी का लेन-देन भी करती हैं: लीवर कम दूरी में ज़्यादा बल देता है, पर कार्य उतना ही रहता है (देखें यांत्रिक व्यवस्था)।
करके देखो: ट्रॉली और किताबें
खिलौना गाड़ी में धागा बाँधो। रबर बैंड को हर बार एक जितना खींचकर गाड़ी को खींचो। पहले 2 किताबें रखो, फिर 4। पहले अंदाज़ा लगाओ: गाड़ी कम तेज़ होगी या ज़्यादा? फिर फ़र्श पर कपड़ा रगड़ो या रेत डालो और फिर करो। यह 3D के चरण 1 से 3 का असली रूप है।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- नेट बल = धक्का − घर्षण
- a = F ÷ m (मी/से² = N ÷ किग्रा)
- घर्षण = μ × m × g, g ≈ 10 मी/से²
- कार्य W = F × d (जूल, J)
- शक्ति P = W ÷ t (वॉट, W)
- दक्षता = उपयोगी निर्गत ÷ निवेश × 100%
हल किए गए उदाहरण
1. 20 N का धक्का बिना घर्षण वाली 4 किग्रा की ट्रॉली पर लगता है। त्वरण निकालो।
a = F ÷ m = 20 ÷ 4 = 5 मी/से²।
2. 6 किग्रा की गाड़ी पर 30 N का धक्का है। घर्षण 12 N है। त्वरण निकालो।
नेट बल = 30 − 12 = 18 N। a = 18 ÷ 6 = 3 मी/से²।
3. 5 किग्रा की ट्रॉली पर μ = 0.2 है। घर्षण बल निकालो (g = 10 मी/से²)।
घर्षण = μ × m × g = 0.2 × 5 × 10 = 10 N।
4. 50 N का बल एक डिब्बे को 8 मी खिसकाता है। कितना कार्य हुआ?
W = F × d = 50 × 8 = 400 J।
5. एक क्रेन 500 N का भार 6 मी ऊपर 10 सेकंड में उठाती है। कार्य और शक्ति निकालो।
कार्य = 500 × 6 = 3000 J। शक्ति = 3000 ÷ 10 = 300 W।
6. एक मोटर 2000 J लेती है और 1500 J उपयोगी कार्य देती है। दक्षता और बेकार ऊर्जा निकालो।
दक्षता = 1500 ÷ 2000 × 100 = 75%। बेकार = 2000 − 1500 = 500 J (गर्मी के रूप में)।
आम गलतियाँ
- पूरा धक्का लेना, नेट बल नहीं। पहले घर्षण घटाओ।
- यह सोचना कि घर्षण गति में मदद करता है। वह हमेशा गति के उल्टा होता है।
- कार्य और शक्ति को मिला देना। कार्य जूल में है; शक्ति प्रति सेकंड कार्य है, वॉट में।
- भूल जाना कि दूरी शून्य हो तो कार्य शून्य है, चाहे कितना भी ज़ोर लगाओ।