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जड़त्व आघूर्ण, घूर्णन त्रिज्या और घूर्णी गति

सीधी रेखा की गति की हर राशि का एक घूमने वाला जुड़वाँ है: x का θ, v का ω, a का α, m का I, F का τ, p का L = Iω। जड़त्व आघूर्ण I = Σmr² बताता है कि पिंड का घूमना बदलना कितना कठिन है; अक्ष से दूर का द्रव्यमान इसे बहुत बढ़ाता है। घूर्णन त्रिज्या k वह दूरी है जहाँ सारा द्रव्यमान रख दें तो I वही रहे: I = Mk²। मानक मान: वलय MR², चकती ½MR², ठोस गोला ⅖MR², छड़ (बीच से) ML²/12। स्थिर α पर: ω = ω₀ + αt, θ = ω₀t + ½αt², ω² = ω₀² + 2αθ, और τ = Iα।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. बाईं ओर एक गुटका सरकता है, दाईं ओर एक पहिया घूमता है। हर रेखीय राशि का घूर्णी जुड़वाँ है: x → θ, v → ω, a → α, m → I, F → τ।
  2. एक छड़ पर दो द्रव्यमान हैं। उन्हें बाहर खिसकाओ। अब उतना ही बल-आघूर्ण छड़ को बहुत धीरे तेज़ करता है। जड़त्व आघूर्ण I = Σmr² बढ़ गया।
  3. अब सोचो सारा द्रव्यमान एक हरे वलय पर रख दिया। सही त्रिज्या k पर इस वलय का I असली पिंड जितना ही है। यही k घूर्णन त्रिज्या है: I = Mk²।
  4. द्रव्यमान और माप बराबर, आकृति अलग: वलय, चकती, ठोस गोला, छड़। जितना द्रव्यमान अक्ष से दूर, उतना बड़ा I। वलय MR² सबसे बड़ा; गोला ⅖MR² छोटा।
  5. पहिये को लगातार एक-सा घुमाव दो। उसकी चाल हर सेकंड उतनी ही बढ़ती है: ω = ω₀ + αt। कोण गिनने वाला θ = ω₀t + ½αt² के हिसाब से चलता है।
  6. अब तुम्हारी बारी। कोई मोड चुनो, द्रव्यमान खिसकाओ, आकृति चुनो, या ω₀ और α बदलकर पहिया चलाओ।

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

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

इसे सिर्फ़ द्रव्यमान न कहकर जड़त्व आघूर्ण क्यों कहते हैं?

द्रव्यमान सीधी रेखा में धक्के का विरोध करता है। घुमाने में द्रव्यमान और अक्ष से उसकी दूरी दोनों मायने रखते हैं। वही द्रव्यमान दूर हो तो घुमाने का ज़्यादा विरोध, जैसा खिसकते द्रव्यमानों वाली छड़ दिखाती है।

I = mr² में r का वर्ग क्यों?

अक्ष से दूर का कण तेज़ चलता है (v = rω) और उसे ज़्यादा बल-आघूर्ण भी चाहिए (τ = rF)। r के दो गुणक मिलकर r²। द्रव्यमान 2 गुना दूर करो, I 4 गुना।

क्या घूर्णन त्रिज्या पिंड का कोई असली हिस्सा है?

नहीं। यह एक काल्पनिक त्रिज्या है: सारा द्रव्यमान k पर हो तो I वही रहे। हरा वलय यही काल्पनिक वलय दिखाता है।

बराबर द्रव्यमान और त्रिज्या पर वलय का I चकती से ज़्यादा क्यों?

वलय का सारा द्रव्यमान R पर है। चकती का बहुत द्रव्यमान केंद्र के पास है, जो I में कम जोड़ता है। इसलिए वलय MR² > चकती ½MR²।

क्या ω = ω₀ + αt में rpm सीधे लगा सकते हैं?

तभी जब α भी उसी तरह के मात्रक में हो। सुरक्षित तरीका: rad/s में बदलो। 1 rpm = 2π/60 rad/s।

क्या τ = Iα हमेशा सही है?

यह स्थिर अक्ष (या CM) के परितः घूर्णन में, जब I न बदले, तब सही है। I बदले तो τ = dL/dt लगाओ।

रेखीय बनाम घूर्णी गति

स्थानांतरण में पिंड का हर बिंदु एक जैसा चलता है। स्थिर अक्ष के परितः घूर्णन में हर बिंदु अक्ष के चारों ओर वृत्त में चलता है, और सब बिंदु बराबर कोण घूमते हैं।

रेखीयघूर्णी
विस्थापन xकोणीय विस्थापन θ (rad)
वेग vकोणीय वेग ω (rad/s)
त्वरण aकोणीय त्वरण α (rad/s²)
द्रव्यमान mजड़त्व आघूर्ण I
बल F = maबल-आघूर्ण τ = Iα
संवेग p = mvकोणीय संवेग L = Iω
KE = ½mv²KE = ½Iω²
कार्य = Fs, शक्ति = Fvकार्य = τθ, शक्ति = τω

संबंध: v = rω, a_t = rα।

जड़त्व आघूर्ण

जड़त्व आघूर्ण (I) घूर्णी जड़त्व है: पिंड अपने घूमने में बदलाव का कितना विरोध करता है।

I = Σmᵢrᵢ² (ठोस पिंड के लिए I = ∫r² dm), जहाँ r हर कण की अक्ष से लंबवत दूरी है। मात्रक kg m², विमा [M L²]।

I निर्भर करता है: (1) द्रव्यमान पर, (2) द्रव्यमान अक्ष के चारों ओर कैसे फैला है, (3) कौन-सा अक्ष चुना। यह द्रव्यमान की तरह एक तय संख्या नहीं है। किसी कण की दूरी दोगुनी करो तो उसका हिस्सा चार गुना।

घूर्णी न्यूटन नियम: τ = Iα। बल-आघूर्ण वही, I बड़ा → α छोटा।

घूर्णन त्रिज्या

घूर्णन त्रिज्या k अक्ष से वह दूरी है जहाँ पूरा द्रव्यमान M (पतले वलय की तरह) रख दें तो जड़त्व आघूर्ण वही रहे।

I = Mk², इसलिए k = √(I/M)। मात्रक: मीटर।

यह वर्ग-माध्य-मूल दूरी है: k = √((m₁r₁² + m₂r₂² + …)/M)। n बराबर कणों के लिए k = √((r₁² + r₂² + … + rₙ²)/n)।

उदाहरण: वलय k = R, चकती k = R/√2, ठोस गोला k = √(2/5) R, छड़ (बीच से) k = L/√12।

सरल आकृतियों के जड़त्व आघूर्ण (बिना व्युत्पत्ति)

ये मान याद करो (M = द्रव्यमान, R = त्रिज्या, L = लंबाई)। पाठ्यक्रम में इनकी व्युत्पत्ति नहीं पूछी जाती।

पिंडअक्षI
पतला वलयकेंद्र से, तल के लंबवतMR²
पतला वलयकोई व्यास½MR²
एकसमान चकतीकेंद्र से, तल के लंबवत½MR²
एकसमान चकतीकोई व्यास¼MR²
खोखला बेलनअपना अक्षMR²
ठोस बेलनअपना अक्ष½MR²
ठोस गोलाकोई व्यास⅖MR²
पतला गोलीय कोशकोई व्यास⅔MR²
पतली छड़बीच से, छड़ के लंबवतML²/12
पतली छड़एक सिरे से, लंबवतML²/3

नियम: जितना द्रव्यमान अक्ष से दूर, उतनी बड़ी भिन्न। वलय का सारा द्रव्यमान R पर है, इसलिए पूरा MR²।

घूर्णी गति के समीकरण

स्थिर अक्ष पर एकसमान कोणीय त्वरण α के लिए समीकरण रेखीय वाले जैसे ही हैं:

ω₀ आरंभिक कोणीय वेग है। हमेशा रेडियन लो: 1 चक्कर = 2π rad; n चक्कर/s का ω = 2πn rad/s; rpm ÷ 60 = चक्कर/s।

गतिकी: τ = Iα, कार्य W = τθ, शक्ति P = τω, घूर्णी KE = ½Iω²।

घर पर करके देखो

स्केल पर सिक्कों की दो बराबर गड्डियाँ चिपकाओ, पहले केंद्र से 2 cm पर, फिर दोनों सिरों पर। बीच से पकड़कर स्केल को आगे-पीछे मरोड़ो। पहले अंदाज़ा लगाओ कौन-सा कठिन है, फिर महसूस करो: दूर के सिक्के I बढ़ाते हैं। पेंसिल को बीच से और फिर सिरे से घुमाओ: सिरे से घुमाना कठिन है (ML²/3, ML²/12 का चार गुना)।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. हल्की छड़ के केंद्र से 0.5 m दोनों ओर 2-2 kg के द्रव्यमान हैं। केंद्र के परितः I?

I = Σmr² = 2 × 0.25 + 2 × 0.25 = 1 kg m²।

2. वही द्रव्यमान केंद्र से 1 m पर कर दिए। I कितने गुना हुआ?

I = 2 × 1 + 2 × 1 = 4 kg m²। दूरी दोगुनी, I चार गुना (r²)।

3. 2 kg, 0.3 m त्रिज्या की चकती अपने अक्ष पर घूमती है। I और k?

I = ½MR² = ½ × 2 × 0.09 = 0.09 kg m²। k = √(0.09/2) = 0.212 m (= R/√2)।

4. 1.2 m, 0.5 kg की पतली छड़ बीच से घूमती है। I? फिर एक सिरे से I?

बीच: ML²/12 = 0.5 × 1.44/12 = 0.06 kg m²। सिरा: ML²/3 = 0.24 kg m² (4 गुना)।

5. पंखा विराम से α = 2 rad/s² से चलता है। 5 s बाद ω और घूमा कोण?

ω = 2 × 5 = 10 rad/s। θ = ½ × 2 × 25 = 25 rad ≈ 4 चक्कर।

6. 1200 rpm पर घूमता पहिया ब्रेक से 20 s में एकसमान रुकता है। α और चक्कर?

ω₀ = 20 × 2π = 40π rad/s। α = −40π/20 = −2π rad/s² ≈ −6.28। θ = (ω₀ + 0)t/2 = 400π rad = 200 चक्कर।

7. ठोस गोले (M = 5 kg, R = 0.2 m) पर 6 N m बल-आघूर्ण लगा। α?

I = ⅖ × 5 × 0.04 = 0.08 kg m²। α = 6/0.08 = 75 rad/s²।

8. गतिपालक चक्र (I = 2 kg m²) 30 rad/s पर है। उसकी KE और 10 s में रोकने वाला स्थिर बल-आघूर्ण?

KE = ½ × 2 × 900 = 900 J। α = 30/10 = 3 rad/s², τ = Iα = 6 N m।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. जड़त्व आघूर्ण किस रेखीय राशि की भूमिका निभाता है?
2. एकसमान चकती का अपने अक्ष के परितः I:
3. घूर्णन त्रिज्या k =
4. v = u + at का घूर्णी जुड़वाँ:
5. द्रव्यमान और त्रिज्या बराबर। केंद्रीय अक्ष पर किसका I सबसे बड़ा?

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

कक्षा 11 में जड़त्व आघूर्ण क्या है?

यह घूर्णी जड़त्व है, I = Σmr², किसी अक्ष के परितः घूर्णन में बदलाव का विरोध। मात्रक kg m²।

घूर्णन त्रिज्या क्या है?

अक्ष से वह दूरी k जहाँ पूरा द्रव्यमान रखने पर I वही रहे: I = Mk², k = √(I/M)।

घूर्णी गति के समीकरण कौन-से हैं?

स्थिर α के लिए: ω = ω₀ + αt, θ = ω₀t + ½αt², ω² = ω₀² + 2αθ।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

पोलैंडLiceum ogólnokształcące, klasa IRigid body mechanics
यूक्रेन10 класMechanics
सीबीएसई (भारत)कक्षा 11कणों के निकाय तथा दृढ़ पिंड की गति
इंग्लैंडYear 133.11 Engineering physics
अमेरिकाGrade 11Torque and Rotational Dynamics
अमेरिकाGrade 11Energy and Momentum of Rotating Systems
अमेरिकाGrade 12Torque and Rotational Dynamics
अमेरिकाGrade 12Energy and Momentum of Rotating Systems

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