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ऊर्ध्वाधर वृत्त में गति

डोरी से बँधी गेंद ऊर्ध्वाधर वृत्त में नीचे तेज़ और ऊपर धीमी चलती है, क्योंकि गुरुत्व उस पर कार्य करता है। हर बिंदु पर केंद्र की ओर कुल बल mv²/r होना चाहिए। नीचे T = mg + mv²/r (सबसे ज़्यादा); ऊपर T = mv²/r − mg (सबसे कम)। ऊपर डोरी तनी रहे इसके लिए v_ऊपर ≥ √(gr)। ऊर्जा संरक्षण से नीचे u ≥ √(5gr) चाहिए।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. 0.5 kg की गेंद 1 m लंबी डोरी पर ऊर्ध्वाधर वृत्त में घूम रही है। केंद्र O, त्रिज्या r = 1 m। देखो: नीचे तेज़, ऊपर धीमी।
  2. गेंद को सबसे नीचे रोको। तनाव T ऊपर, भार mg नीचे। इनका अंतर केंद्र की ओर खिंचाव देता है: T − mg = mv²/r। तो T = mg + mv²/r, सबसे ज़्यादा।
  3. अब सबसे ऊपर रोको। T और mg दोनों नीचे, केंद्र की ओर: T + mg = mv²/r। अगर v² = gr तो T शून्य भी चलेगा। ऊपर न्यूनतम चाल √(gr)।
  4. ऊपर और नीचे को ऊर्जा से जोड़ो। 2r चढ़ने में कुछ K, U बनती है: u² = v² + 4gr। ऊपर v² = gr रखो तो u² = 5gr। नीचे u ≥ √(5gr) ≈ 7.07 m/s चाहिए।
  5. नीचे सिर्फ़ 6 m/s से शुरू करो। ऊपर पहुँचने से पहले तनाव शून्य हो जाता है। डोरी ढीली, गेंद वृत्त छोड़कर फेंके पत्थर की तरह गिरती है।
  6. अब खुद खेलो: नीचे की चाल u और त्रिज्या r रखो, ▶ दबाओ और पहले अनुमान लगाओ: पूरा चक्कर या नहीं?

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

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

गेंद पूरे वृत्त में एक ही चाल से क्यों नहीं चलती?

गुरुत्व उस पर कार्य करता है: चढ़ते समय ऋणात्मक, उतरते समय धनात्मक। इसलिए गतिज ऊर्जा और चाल बदलती है।

नीचे तनाव सबसे ज़्यादा क्यों?

नीचे डोरी को भार भी संभालना है और केंद्र की ओर mv²/r भी देना है, और वहाँ v भी सबसे ज़्यादा है।

क्या ऊपर तनाव शून्य होकर भी गेंद घूम सकती है?

हाँ, ठीक तब जब v² = gr। तब अकेला गुरुत्व ज़रूरी mv²/r दे देता है। उससे धीमी हो तो गुरुत्व ज़्यादा पड़ता है।

नीचे √(5gr) क्यों, √(gr) क्यों नहीं?

गेंद को 2r चढ़ना है, जिसमें 2mgr गतिज ऊर्जा घटती है, फिर भी ऊपर v² = gr बचना चाहिए: u² = gr + 4gr = 5gr।

चाल बहुत कम हो तो क्या होता है?

ऊपरी आधे में कहीं T शून्य हो जाता है, डोरी ढीली और गेंद फेंके पत्थर की तरह परवलय पर गिरती है।

ऊर्ध्वाधर वृत्त में चाल क्यों बदलती है

क्षैतिज वृत्त में चाल एक-सी रह सकती है। ऊर्ध्वाधर वृत्त में गेंद ऊपर जाए तो गुरुत्व ऋणात्मक कार्य करता है, नीचे आए तो धनात्मक। इसलिए गेंद नीचे सबसे तेज़, ऊपर सबसे धीमी। यह असमान वृत्तीय गति है।

θ = सबसे निचले बिंदु से कोण। ऊर्जा संरक्षण से: v² = u² − 2gr(1 − cos θ), u = नीचे की चाल।

किसी भी बिंदु पर, नीचे और ऊपर तनाव

केंद्र की ओर कुल बल mv²/r होना चाहिए। कोण θ पर: T − mg cos θ = mv²/r, तो T = mv²/r + mg cos θ।

u² = v² + 4gr लगाने पर: T_L − T_H = 6mg।

न्यूनतम चाल: ऊपर √(gr), नीचे √(5gr)

  1. डोरी खींच सकती है, धकेल नहीं सकती, तो हर जगह T ≥ 0।
  2. T ऊपर सबसे कम: mv²/r − mg ≥ 0 → v_ऊपर ≥ √(gr)।
  3. नीचे से ऊपर ऊर्जा (ऊँचाई 2r): ½mu² = ½mv² + mg(2r) → u² = v² + 4gr।
  4. v² = gr रखो: u_न्यूनतम = √(5gr)।
  5. बगल में (θ = 90°): v² = 5gr − 2gr = 3gr, v = √(3gr)।

अगर गेंद दृढ़ छड़ पर हो (जो धकेल भी सकती है), तो ऊपर v ≥ 0 काफ़ी है, यानी u ≥ √(4gr) = 2√(gr)।

चाल कम हो तो क्या होगा?

घर पर करके देखो

थोड़े पानी वाली छोटी प्लास्टिक बोतल को डोरी से बाँधो (बाहर, सावधानी से)। पहले धीरे, फिर तेज़ ऊर्ध्वाधर वृत्त में घुमाओ। धीरे घुमाने पर ऊपर डोरी ढीली पड़ती है और पानी छलक सकता है। तेज़ घुमाने पर डोरी तनी रहती है, पानी नहीं गिरता। हाथ में खिंचाव महसूस करो: नीचे सबसे ज़्यादा।

परीक्षा कोना

CBSE में पूछा जाता है: निम्नतम और उच्चतम बिंदु पर न्यूनतम चाल की व्युत्पत्ति (3–5 अंक), ऊपर-नीचे T निकालो, और "बाल्टी से पानी क्यों नहीं गिरता" जैसे कारण। याद रखो T_L − T_H = 6mg और बगल में v = √(3gr)।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. 0.9 m त्रिज्या के ऊर्ध्वाधर वृत्त में ऊपर न्यूनतम चाल? (g = 10 m/s²)

चरण 1: v_ऊपर = √(gr)। चरण 2: = √9 = 3 m/s।

2. r = 2 m के लिए निम्नतम बिंदु पर न्यूनतम चाल?

चरण 1: u = √(5gr)। चरण 2: = √100 = 10 m/s।

3. 1 m डोरी पर 0.2 kg का पत्थर नीचे 6 m/s से चलता है। वहाँ तनाव?

चरण 1: T = mg + mu²/r। चरण 2: = 2 + 0.2 × 36 = 2 + 7.2। उत्तर: 9.2 N।

4. 1 m डोरी पर 0.5 kg की गेंद नीचे 8 m/s पर है। ऊपर चाल और तनाव?

चरण 1: v² = 64 − 40 = 24, v ≈ 4.9 m/s। चरण 2: T = 0.5 × 24 − 5 = 7 N।

5. ऊपर वाली गेंद के लिए T_L − T_H = 6mg जाँचो।

चरण 1: T_L = 0.5 × 64 + 5 = 37 N। चरण 2: 37 − 7 = 30 N। चरण 3: 6mg = 6 × 0.5 × 10 = 30 N। ✔

6. पानी की बाल्टी 1.6 m त्रिज्या के ऊर्ध्वाधर वृत्त में घुमाई जाती है। ऊपर पानी न गिरे, इसके लिए कम से कम कितने चक्कर प्रति मिनट?

चरण 1: v = √(gr) = √16 = 4 m/s। चरण 2: ω = v/r = 2.5 rad/s। चरण 3: rpm = 2.5 × 60 / 2π ≈ 23.9। यानी लगभग 24 rpm (ऊपर)।

7. एक डोरी 50 N तक सह सकती है। 1 kg गेंद 1 m त्रिज्या के ऊर्ध्वाधर वृत्त में है। नीचे अधिकतम चाल?

चरण 1: नीचे T सबसे ज़्यादा: mg + mu²/r ≤ 50। चरण 2: 10 + u² ≤ 50 → u ≤ 6.32 m/s। (यह √(5gr) = 7.07 से कम है, इस डोरी से पूरा चक्कर संभव नहीं!)

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. ऊर्ध्वाधर वृत्त में डोरी का तनाव सबसे ज़्यादा:
2. डोरी के लिए ऊपर न्यूनतम चाल:
3. पूरे चक्कर के लिए नीचे न्यूनतम चाल (डोरी):
4. T_नीचे − T_ऊपर बराबर है:
5. ऊपरी आधे में डोरी ढीली हो जाए तो गेंद चलती 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

ऊर्ध्वाधर वृत्त के निम्नतम बिंदु पर न्यूनतम वेग कितना है?

डोरी के लिए √(5gr)। दृढ़ छड़ के लिए √(4gr)।

क्या ऊर्ध्वाधर वृत्त में गति एकसमान वृत्तीय गति है?

नहीं। गुरुत्व के कार्य से चाल बदलती है, इसलिए यह असमान वृत्तीय गति है।

नीचे और ऊपर के तनाव में कितना अंतर है?

पूरा चक्कर लगाने वाली किसी भी चाल पर T_नीचे − T_ऊपर = 6mg।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

सीबीएसई (भारत)कक्षा 11कार्य, ऊर्जा और शक्ति
इंग्लैंडYear 13Optional application 1 Mechanics (part 2)

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