📘 CodingMarble Learn

पदार्थ की मज़बूती: प्रतिबल, विकृति और आकार

प्रतिबल = बल ÷ क्षेत्रफल (MPa)। विकृति = बढ़ी हुई लंबाई ÷ मूल लंबाई (कोई इकाई नहीं)। प्रत्यास्थ सीमा तक पुर्ज़ा वापस लौट आता है; यील्ड बिंदु के बाद वह हमेशा के लिए खिंचा रह जाता है (प्लास्टिक); चरम प्रतिबल पर टूट जाता है। E = प्रतिबल ÷ विकृति। सुरक्षा गुणांक = चरम प्रतिबल ÷ कार्यकारी प्रतिबल। तीखे कोने प्रतिबल बढ़ाते हैं, इसलिए डिज़ाइनर उन्हें गोल करते हैं।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. एक स्टील की छड़ बीम से लटकी है। कोई भार नहीं, इसलिए न प्रतिबल है, न खिंचाव।
  2. 4 सेमी² की पतली छड़ पर 40 kN का भार लटकाया। प्रतिबल = बल ÷ क्षेत्रफल = 100 MPa। छड़ थोड़ी खिंची (दिखाने के लिए बड़ी बनाई है)। विकृति = बढ़ी लंबाई ÷ मूल लंबाई।
  3. अब छड़ को मोटा किया, 10 सेमी²। वही भार ज़्यादा क्षेत्रफल में बँट गया। प्रतिबल घटकर 40 MPa हुआ और खिंचाव भी कम हुआ।
  4. पतली छड़ पर और भार डाला। 250 MPa पर वह यील्ड बिंदु पार कर गई। छड़ नारंगी हो गई: भार हटाने पर भी वह लंबी ही रहेगी।
  5. सीढ़ीदार दो शाफ़्ट देखो। तीखे कोने पर प्रतिबल जमा हो जाता है (लाल बिंदु) और दरार शुरू हो सकती है। गोल कोना प्रतिबल को फैला देता है (हरा बिंदु)।
  6. खुला खेल: भार और मोटाई बदलो। प्रतिबल, विकृति, रंग और सुरक्षा गुणांक देखो। क्या छड़ तोड़ सकते हो?

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

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

मोटी छड़ उसी भार पर कम क्यों खिंचती है?

भार ज़्यादा क्षेत्रफल में बँट जाता है, इसलिए प्रतिबल कम होता है और विकृति प्रतिबल के साथ चलती है। चरण 2 में प्रतिबल 100 से 40 MPa होता दिखता है।

विकृति की इकाई क्यों नहीं होती?

यह बढ़ी लंबाई को मूल लंबाई से भाग देने पर मिलती है, दोनों एक ही इकाई में, इसलिए इकाई कट जाती है।

छड़ नारंगी होकर लंबी क्यों रह जाती है?

यील्ड बिंदु (यहाँ 250 MPa) के बाद खिंचाव स्थायी हो जाता है। नीली (प्रत्यास्थ) छड़ अपनी पुरानी लंबाई में लौट जाती।

दरारें तीखे कोनों से क्यों शुरू होती हैं?

तीखे कोने पर बल की रेखाएँ भीड़ में आ जाती हैं, इसलिए वहाँ प्रतिबल बाकी जगह से बहुत ज़्यादा होता है। गोल कोने पर रेखाएँ फैल जाती हैं।

सुरक्षा गुणांक की ज़रूरत क्यों है?

असली भार योजना से ज़्यादा हो सकता है और पदार्थ में छिपी कमी हो सकती है। टूटने से पहले की यह दूरी लोगों को बचाती है। खुले खेल में भार बढ़ाकर गुणांक को घटते देखो।

क्या 3D में छड़ तोड़ सकते हैं?

हाँ। भार बढ़ाओ या छड़ पतली करो, जब तक प्रतिबल 400 MPa से ऊपर न हो जाए। छड़ लाल हो जाएगी और वज़न गिर जाएगा।

मशीन के पुर्ज़ों में प्रतिबल और विकृति

प्रतिबल पुर्ज़े के अंदर प्रति इकाई क्षेत्रफल पर लगने वाला बल है: प्रतिबल = F ÷ A। इकाई: पास्कल (Pa) या N/mm² (1 N/mm² = 1 MPa)। एक ही भार पर पतली छड़ में मोटी छड़ से ज़्यादा प्रतिबल होता है।

विकृति बताती है कि पुर्ज़ा अपनी लंबाई की तुलना में कितना खिंचा: विकृति = बढ़ी लंबाई ÷ मूल लंबाई। यह अनुपात है, इसलिए इसकी कोई इकाई नहीं।

उदाहरण: 2 मी का तार 1 मिमी खिंचे तो विकृति = 0.001 ÷ 2 = 0.0005।

प्रतिबल–विकृति संबंध

छोटे भार पर प्रतिबल और विकृति साथ-साथ सीधी रेखा में बढ़ते हैं। यही हुक का नियम है। इनका अनुपात हर पदार्थ के लिए एक संख्या है: E = प्रतिबल ÷ विकृति (यंग गुणांक)। स्टील का E लगभग 200 GPa है, इसलिए स्टील बहुत कम खिंचता है।

भार बढ़ने पर पुर्ज़ा इन बिंदुओं से गुज़रता है:

मशीन के पुर्ज़े हमेशा प्रत्यास्थ क्षेत्र में ही काम करने चाहिए।

सुरक्षा गुणांक

डिज़ाइनर किसी पुर्ज़े पर टूटने वाला भार कभी नहीं डालते। वे एक दूरी रखते हैं जिसे सुरक्षा गुणांक कहते हैं: सुरक्षा गुणांक = चरम प्रतिबल ÷ कार्यकारी प्रतिबल। गुणांक 4 का मतलब है कि पुर्ज़ा सामान्य प्रतिबल से चार गुना सहकर ही टूटेगा। लिफ़्ट और क्रेन जैसी जगहों पर, जहाँ टूटने से लोगों को चोट लग सकती है, बड़ा गुणांक रखते हैं, क्योंकि भार और पदार्थ कभी पूरी तरह सही नहीं होते।

मशीन के पुर्ज़ों का आकार

पदार्थ जितना ही आकार भी मायने रखता है। तीखे भीतरी कोनों, छोटे छेदों और गहरी खरोंचों पर प्रतिबल जमा हो जाता है। इसे प्रतिबल सांद्रण कहते हैं और दरारें अक्सर वहीं से शुरू होती हैं। अच्छे डिज़ाइन में:

करके देखो: पेपर क्लिप

एक पेपर क्लिप लो और उसे ज़रा-सा मोड़ो। वह वापस लौट आती है (प्रत्यास्थ)। ज़्यादा मोड़ो तो मुड़ी रह जाती है (प्लास्टिक)। आगे-पीछे मोड़ते रहो तो टूट जाती है। अब कागज़ की पट्टी के किनारे में एक कट लगाकर खींचो; वह कट से ही फटती है। यही प्रतिबल सांद्रण है, जैसा 3D के चरण 4 में है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. 5 सेमी² क्षेत्रफल की छड़ 20 kN उठाती है। प्रतिबल निकालो।

क्षेत्रफल = 500 mm²। बल = 20 000 N। प्रतिबल = 20 000 ÷ 500 = 40 MPa।

2. 2 मी का तार 1 मिमी खिंचता है। विकृति निकालो।

विकृति = 1 ÷ 2000 = 0.0005।

3. प्रतिबल 100 MPa और विकृति 0.0005 है। E निकालो।

E = 100 ÷ 0.0005 = 200 000 MPa = 200 GPa (स्टील)।

4. 3 मी लंबी स्टील छड़ में 100 MPa प्रतिबल है। E = 200 GPa। बढ़ी लंबाई निकालो।

विकृति = 100 ÷ 200 000 = 0.0005। बढ़ी लंबाई = 0.0005 × 3000 मिमी = 1.5 मिमी।

5. एक स्टील 400 MPa पर टूटता है। कार्यकारी प्रतिबल 100 MPa है। सुरक्षा गुणांक निकालो।

गुणांक = 400 ÷ 100 = 4।

6. 6 सेमी² की छड़ अधिकतम 80 MPa सह सकती है। सुरक्षित भार निकालो।

क्षेत्रफल = 600 mm²। भार = 80 × 600 = 48 000 N = 48 kN।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. प्रतिबल है:
2. विकृति की:
3. यील्ड बिंदु के बाद पुर्ज़ा:
4. सुरक्षा गुणांक =
5. गोल फ़िलेट इसलिए अच्छा है क्योंकि वह:

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

प्रतिबल और विकृति में क्या अंतर है?

प्रतिबल पुर्ज़े के अंदर प्रति इकाई क्षेत्रफल पर बल है। विकृति यह है कि पुर्ज़ा अपनी मूल लंबाई की तुलना में कितना खिंचा।

यील्ड बिंदु क्या है?

वह प्रतिबल जिसके बाद भार हटाने पर पदार्थ पूरी तरह अपने आकार में नहीं लौटता।

शाफ़्ट में गोल सीढ़ी क्यों बनाते हैं?

तीखे कोने पर प्रतिबल जमा हो जाता है और दरार शुरू होती है। गोल कोना प्रतिबल को फैला देता है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

जापान高校(専門学科)1〜3年Machine Design

पहले यह पढ़ें

आगे पढ़ें

इससे जुड़े पाठ

सभी भौतिक विज्ञान पाठ