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सदस्यों की यांत्रिकी: पदार्थ, काट और विरूपण

संरचना के किसी सदस्य (छड़, बीम, खंभा) को तीन बातों से परखते हैं। पदार्थ: प्रतिबल σ = F/A, विकृति ε = ΔL/L और कठोरता E = σ/ε। काट: क्षेत्रफल A, द्वितीय आघूर्ण I = bh³/12 और काट मापांक Z = I/y। विरूपण: छड़ बढ़ती है ΔL = FL/(AE); सरल टिका बीम बीच के भार से झुकता है δ = PL³/(48EI)। गहराई h सबसे ज़्यादा मायने रखती है: उसे दुगुना करने पर I आठ गुना और झुकाव आठवाँ हिस्सा हो जाता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. एक छड़ लटकी है और भार उसे खींच रहा है। छड़ थोड़ी लंबी हो जाती है। प्रतिबल है प्रति क्षेत्रफल खिंचाव। विकृति है कितनी लंबी हुई, भिन्न के रूप में।
  2. अब बीम। उसकी काट आयत है: चौड़ाई b, गहराई h। संख्या I = bh³ / 12 बताती है कि यह आकार झुकने के विरुद्ध कितना कठोर है।
  3. बीम को 100 mm से 200 mm गहरा कर दो। झुकाव आठवाँ हिस्सा रह जाता है। गहराई कमाल की चीज़ है।
  4. नीला दबा हुआ है और लाल खिंचा हुआ। ऊपर के रेशे दबते हैं, नीचे के रेशे खिंचते हैं। बीच की रेखा (उदासीन अक्ष) पर कुछ नहीं होता।
  5. आकार वही रखो, पदार्थ लकड़ी से इस्पात कर दो। इस्पात 20 गुना कठोर है (E = 200 GPa बनाम 10 GPa), इसलिए झुकाव 20 गुना कम।
  6. अब खुद खेलो: चौड़ाई, गहराई और पदार्थ बदलो। चित्र के नीचे I, प्रतिबल और झुकाव पढ़ो। कौन-सा बदलाव सबसे ज़्यादा काम करता है?

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

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

छड़ टूटती नहीं फिर भी लंबी क्यों हो जाती है?

हर पदार्थ थोड़ा स्प्रिंग जैसा (प्रत्यास्थ) होता है। विकृति ε = ΔL/L बताती है कितना। भार छोटा हो तो छड़ वापस अपनी लंबाई पर आ जाती है।

I क्या है और गहराई का घन क्यों?

I बताता है कि आकार झुकने का कितना सामना करता है। बीच से दूर का पदार्थ सबसे ज़्यादा मदद करता है, इसलिए गहराई तीन बार गिनी जाती है। बीम गहरी करते हुए झुकाव देखो।

ऊपर नीला और नीचे लाल क्यों है?

सरल टिके बीम के झुकने पर ऊपर का हिस्सा छोटा (दबा) और नीचे का लंबा (खिंचा) हो जाता है। दोनों के बीच की रेखा की लंबाई वही रहती है: उदासीन अक्ष।

क्या मज़बूत और कठोर एक ही बात है?

नहीं। इस्पात लकड़ी से ज़्यादा कठोर भी है और मज़बूत भी, पर रबर बैंड बहुत लचीला होकर भी काफ़ी मज़बूत हो सकता है। कठोरता E है; मज़बूती वह प्रतिबल है जिस पर वह टूटता है।

झुकाव घटाने के लिए गहरा करना बेहतर है या चौड़ा?

गहरा। चौड़ाई दुगुनी करने पर झुकाव आधा; गहराई दुगुनी करने पर आठवाँ हिस्सा। दोनों स्लाइडर आज़माओ।

संरचनात्मक पदार्थों के यांत्रिक गुण

छड़ को धीरे-धीरे खींचो और प्रतिबल (σ = F/A) को विकृति (ε = ΔL/L) के विरुद्ध खींचो। शुरू में रेखा सीधी होती है: हुक का नियम σ = E·ε। ढाल E यंग गुणांक है, यानी पदार्थ की कठोरता। लगभग मान: इस्पात 200 GPa, कंक्रीट 30 GPa, लकड़ी (रेशे की दिशा में) 10 GPa।

छड़ का प्रसार: ΔL = F·L / (A·E)।

काट के गुण

काट का आकार तय करता है कि सदस्य झुकने का कितना सामना करेगा। मुख्य संख्याएँ:

झुकाव प्रतिबल: σ = M / Z। गहराई I में h³ और Z में h² की तरह आती है, इसलिए उतना ही पदार्थ गहराई में रखने पर कहीं ज़्यादा मज़बूत होता है (I-काट, बॉक्स काट)।

बीम और सदस्यों का विरूपण

भार पड़ने पर सदस्य विकृत होते हैं। छड़ की लंबाई ΔL = FL/(AE) बदलती है। बीम झुकती है और उसका बीच का हिस्सा विक्षेप δ से नीचे जाता है:

E·I को नमनीय कठोरता कहते हैं। पाट दुगुना करने पर झुकाव 8 गुना (बिंदु भार); गहराई दुगुनी करने पर 8 गुना कम। नियम-पुस्तकों में झुकाव लगभग पाट/250 तक सीमित रखते हैं ताकि फ़र्श हिले नहीं और पलस्तर न चटके।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. 2 m लंबी, 20 mm व्यास (A = 314 mm²) की इस्पात छड़ पर 62.8 kN का खिंचाव है। E = 200 000 N/mm²। σ, ε और प्रसार निकालो।

σ = 62 800 / 314 = 200 MPa। ε = σ/E = 200 / 200 000 = 0.001। ΔL = ε × L = 0.001 × 2000 = 2 mm।

2. एक आयताकार काट 100 mm चौड़ी और 200 mm गहरी है। I और Z निकालो।

I = bh³/12 = 100 × 200³ / 12 = 66.7 × 10⁶ mm⁴। Z = I / (h/2) = 66.7 × 10⁶ / 100 = 0.667 × 10⁶ mm³।

3. 50 × 150 mm का तख़्ता लिटाकर (h = 50) और किनारे पर (h = 150) लगाया। I की तुलना करो।

किनारे पर: I = 50 × 150³ / 12 = 14.06 × 10⁶ mm⁴। लिटाकर: I = 150 × 50³ / 12 = 1.56 × 10⁶ mm⁴। अनुपात 9, यानी किनारे पर 9 गुना कठोर।

4. 4 m के सरल टिके बीम के बीच में 20 kN भार है; Z = 0.667 × 10⁶ mm³। झुकाव प्रतिबल निकालो।

M = PL/4 = 20 × 4 / 4 = 20 kN·m = 20 × 10⁶ N·mm। σ = M/Z = 20 × 10⁶ / 0.667 × 10⁶ = 30 MPa।

5. वही बीम इस्पात (E = 200 000 N/mm²) की है और I = 66.7 × 10⁶ mm⁴। बीच का विक्षेप निकालो।

δ = PL³ / (48EI) = 20 000 × 4000³ / (48 × 200 000 × 66.7 × 10⁶) = 1.28 × 10¹⁵ / 6.4 × 10¹⁴ = 2.0 mm। पाट/δ = 2000, पाट/250 से बहुत अच्छा।

6. 1.5 m के इस्पात कैंटिलीवर में I = 10 × 10⁶ mm⁴ और सिरे पर 2 kN भार है। सिरे का विक्षेप निकालो (E = 200 000 N/mm²)।

δ = PL³/(3EI) = 2000 × 1500³ / (3 × 200 000 × 10 × 10⁶) = 6.75 × 10¹² / 6 × 10¹² = 1.125 mm।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. यंग गुणांक E है:
2. चौड़ाई b और गहराई h वाले आयत का I है:
3. बीम की गहराई दुगुनी करने पर उसका झुकाव हो जाता है:
4. सबसे कठोर पदार्थ कौन-सा है?
5. भंगुर पदार्थ:

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

यंग गुणांक का सरल मतलब क्या है?

यह बताता है कि पदार्थ कितना कठोर है। E ज़्यादा हो तो भार पड़ने पर पदार्थ बहुत कम खिंचता है।

I = bh³/12 क्यों है, bh/12 क्यों नहीं?

बीच से दूर का पदार्थ झुकने का ज़्यादा सामना करता है। दूरी दो बार आती है, इसीलिए गहराई का घन लगता है।

कठोरता और मज़बूती में क्या फ़र्क़ है?

कठोरता (E, EI) बताती है कि कितना कम विकृत होगा। मज़बूती (पराभव या चरम प्रतिबल) बताती है कि टूटने से पहले कितना भार सह सकता है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

जापान高校(専門学科)1〜3年Structural Design of Buildings

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