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कार्य, गतिज ऊर्जा, कार्य-ऊर्जा प्रमेय और शक्ति

जब बल किसी चीज़ को अपनी दिशा में खिसकाता है तो कार्य होता है: W = F·s = F s cos θ। बदलते बल का कार्य F–x ग्राफ़ के नीचे का क्षेत्रफल है। चलती वस्तु की गतिज ऊर्जा K = ½mv² है। कार्य-ऊर्जा प्रमेय: कुल कार्य = गतिज ऊर्जा में बदलाव। शक्ति यानी कार्य कितनी जल्दी हुआ: P = W/t = F·v।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. रस्सी से डिब्बे को 10 N से खींचा, डिब्बा उसी दिशा में 4 m सरका। कार्य = बल × विस्थापन = 40 J।
  2. रस्सी को 60° ऊपर उठाओ। अब सिर्फ़ आगे वाला हिस्सा F cos θ काम आता है। W = 10 × 4 × 0.5 = 20 J। 90° पर कोई कार्य नहीं।
  3. अगर बल रास्ते में बदलता रहे, तो F–x ग्राफ़ को पतली पट्टियों में काटो। हर पट्टी F × Δx है। सब पट्टियाँ जोड़ो = ग्राफ़ के नीचे का क्षेत्रफल = कार्य।
  4. डिब्बा रुका हुआ था। उस पर हुआ कुल कार्य उसकी गति की ऊर्जा बन जाता है: W = ½mv² − ½mu²। यही कार्य-ऊर्जा प्रमेय है।
  5. दो डिब्बों पर बराबर 40 J कार्य हुआ। एक ने 2 s लिए, दूसरे ने 8 s। शक्ति = कार्य ÷ समय, यानी 20 W और 5 W। शक्ति = F × v भी है।
  6. अब खुद खेलो: बल, कोण और दूरी बदलो। देखने से पहले W, अंतिम चाल और शक्ति का अनुमान लगाओ।

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

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

बल और विस्थापन सदिश हैं, तो कार्य सदिश क्यों नहीं?

कार्य बिंदु गुणनफल F · s है, जिससे सिर्फ़ चिह्न वाली संख्या मिलती है, दिशा नहीं। इसलिए कार्य अदिश है।

90° पर कार्य शून्य क्यों?

90° पर बल का गति की दिशा में कोई हिस्सा नहीं (cos 90° = 0)। वह बस बगल से धकेलता है, चाल न बढ़ा सकता न घटा सकता।

बल बदलता रहे तो कार्य कैसे निकालें?

रास्ते को पतली पट्टियों में बाँटो जहाँ बल लगभग एक-सा है, सब F × Δx जोड़ो। यह F–x ग्राफ़ के नीचे का क्षेत्रफल (समाकल) है।

घर्षण हो तो क्या कार्य-ऊर्जा प्रमेय लगेगा?

हाँ। कुल कार्य में घर्षण का ऋणात्मक कार्य भी जोड़ो। सब कार्यों का योग = गतिज ऊर्जा में बदलाव।

कार्य बराबर, शक्ति अलग कैसे?

शक्ति समय पर निर्भर है। वही 40 J 2 s में = 20 W, 8 s में = 5 W।

क्या गतिज ऊर्जा ऋणात्मक हो सकती है?

नहीं। K = ½mv² और v² कभी ऋणात्मक नहीं। पर K में बदलाव ऋणात्मक हो सकता है (जब वस्तु धीमी हो)।

कार्य क्या है? (नियत बल)

भौतिकी में कार्य तभी होता है जब बल से वस्तु खिसके और खिसकने का कुछ हिस्सा बल की दिशा में हो।

W = F · s = F s cos θ, θ = बल और विस्थापन के बीच का कोण।

कार्य अदिश राशि है (इसकी दिशा नहीं होती)। मात्रक: जूल (J) = 1 N × 1 m। विमा: [ML²T⁻²]।

परिवर्ती बल द्वारा कार्य

अगर बल जगह के साथ बदले तो सीधा गुणा नहीं कर सकते। रास्ते को छोटे टुकड़ों Δx में बाँटो। हर टुकड़े में बल लगभग एक-सा है, तो छोटा कार्य = F(x) Δx।

सब जोड़ो: W = ∫ F(x) dx (x₁ से x₂ तक)। ग्राफ़ पर यह F–x वक्र के नीचे का क्षेत्रफल है। x-अक्ष के ऊपर का क्षेत्रफल धनात्मक, नीचे का ऋणात्मक।

उदाहरण: स्प्रिंग बल F = kx का ग्राफ़ त्रिभुज है, तो W = ½kx²।

गतिज ऊर्जा

गति के कारण वस्तु में जो ऊर्जा होती है, वह गतिज ऊर्जा है: K = ½mv²। यह अदिश है और कभी ऋणात्मक नहीं होती।

चाल दोगुनी → K चार गुना। संवेग p = mv से: K = p²/2m।

कार्य-ऊर्जा प्रमेय और उसकी उपपत्ति

कथन: किसी वस्तु पर कुल बल द्वारा किया गया कार्य उसकी गतिज ऊर्जा में बदलाव के बराबर है: W_कुल = K_f − K_i।

नियत बल के लिए उपपत्ति:

  1. गति के समीकरण से: v² − u² = 2as।
  2. दोनों ओर m/2 से गुणा: ½mv² − ½mu² = mas।
  3. ma = F (न्यूटन का दूसरा नियम), तो ½mv² − ½mu² = Fs = W।

परिवर्ती बल के लिए: F = m dv/dt = m v dv/dx, तो F dx = m v dv। समाकलन करो: ∫F dx = ½mv² − ½mu²।

ध्यान रहे: इसमें सभी बलों का कुल कार्य लेते हैं।

शक्ति

शक्ति = कार्य करने की दर।

मात्रक: वॉट (W) = 1 J/s। 1 अश्वशक्ति (hp) = 746 W। 1 किलोवॉट-घंटा (kWh) = 3.6 × 10⁶ J, यह ऊर्जा का मात्रक है, शक्ति का नहीं।

घर पर करके देखो

स्कूल बैग को डोरी से 2 m खींचो: एक बार डोरी नीचे पकड़कर, एक बार ऊँची पकड़कर। किसमें आगे खींचना आसान लगा? फिर सीढ़ियाँ एक बार दौड़कर, एक बार धीरे चढ़ो। कार्य (भार × ऊँचाई) बराबर, पर दौड़ने में शक्ति ज़्यादा। समय नापो: P = mgh ÷ t।

परीक्षा कोना

CBSE में अक्सर पूछते हैं: θ के अलग-अलग मान के साथ कार्य की परिभाषा (1–2 अंक), कार्य-ऊर्जा प्रमेय की उपपत्ति (3 अंक), F–x ग्राफ़ के क्षेत्रफल वाले प्रश्न, P = F·v, और बराबर संवेग पर K का अनुपात। यह इकाई IV–VI के साथ 17 अंक की है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. 5 N का बल एक डिब्बे को अपनी ही दिशा में 3 m खिसकाता है। कार्य बताओ।

चरण 1: θ = 0°, cos 0° = 1। चरण 2: W = F s = 5 × 3। उत्तर: 15 J।

2. एक बच्चा खिलौना गाड़ी को ज़मीन से 60° पर 20 N से 5 m खींचता है। कार्य?

चरण 1: W = F s cos θ। चरण 2: cos 60° = 0.5। चरण 3: W = 20 × 5 × 0.5 = 50 J।

3. 60 kg का धावक 5 m/s से दौड़ रहा है। गतिज ऊर्जा?

चरण 1: K = ½mv²। चरण 2: K = ½ × 60 × 25 = 750 J।

4. बल F = (3î + 4ĵ) N वस्तु को s = (2î + ĵ) m खिसकाता है। कार्य?

चरण 1: W = F · s = FₓSₓ + F_yS_y। चरण 2: W = 3 × 2 + 4 × 1 = 10 J।

5. बल F = 2x N (x मीटर में) x = 1 m से x = 3 m तक लगता है। कार्य?

चरण 1: W = ∫ 2x dx, 1 से 3 तक। चरण 2: = [x²] = 9 − 1। उत्तर: 8 J। (रेखा के नीचे समलंब का क्षेत्रफल: ½ × (2 + 6) × 2 = 8 J।)

6. 3 m/s से चलती 2 kg गेंद पर 8 N का कुल बल उसकी दिशा में 4 m तक लगता है। अंतिम चाल?

चरण 1: W = 8 × 4 = 32 J। चरण 2: K_i = ½ × 2 × 9 = 9 J। चरण 3: K_f = 9 + 32 = 41 J। चरण 4: ½ × 2 × v² = 41 → v ≈ 6.4 m/s।

7. 1000 kg की कार 20 m/s से चल रही है और 40 m में रुकती है। औसत ब्रेक बल?

चरण 1: ΔK = 0 − ½ × 1000 × 400 = −2 × 10⁵ J। चरण 2: W = −F × 40। चरण 3: F = 2 × 10⁵ / 40 = 5000 N।

8. एक पंप 600 kg पानी 2 मिनट में 20 m ऊपर चढ़ाता है। शक्ति? (g = 10 m/s²)

चरण 1: W = mgh = 600 × 10 × 20 = 1.2 × 10⁵ J। चरण 2: t = 120 s। चरण 3: P = 1000 W = 1 kW (≈ 1.34 hp)।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. गति के लंबवत बल द्वारा किया गया कार्य:
2. परिवर्ती बल द्वारा कार्य बराबर है:
3. चाल दोगुनी हो तो गतिज ऊर्जा:
4. कार्य-ऊर्जा प्रमेय: कुल कार्य = किसमें बदलाव?
5. तात्क्षणिक शक्ति 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

कार्य-ऊर्जा प्रमेय आसान भाषा में क्या है?

किसी वस्तु पर सब बलों का कुल कार्य उसकी गतिज ऊर्जा में हुए बदलाव के बराबर होता है। धनात्मक कुल कार्य चाल बढ़ाता है, ऋणात्मक घटाता है।

परिवर्ती बल का कार्य कैसे निकालते हैं?

समाकलन से: W = ∫F dx, जो बल–विस्थापन ग्राफ़ के नीचे का क्षेत्रफल है।

शक्ति और ऊर्जा में क्या अंतर है?

ऊर्जा (या कार्य) बताती है कितना; शक्ति बताती है कितनी जल्दी। शक्ति = ऊर्जा ÷ समय, मात्रक वॉट।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

कनाडा (ओंटारियो)Grade 11D. Energy and Society
पोलैंडLiceum ogólnokształcące, klasa IMechanics
रोमानियाClasa a IX-aVariation theorems and conservation laws in mechanics
रोमानियाClasa a IX-aVariation theorems and conservation laws in mechanics
रोमानियाClasa a IX-aMechanical energy
सीबीएसई (भारत)कक्षा 11कार्य, ऊर्जा और शक्ति
इंग्लैंडYear 12Optional application 1 Mechanics (part 1)
अमेरिकाGrade 11Work, Energy, and Power
अमेरिकाGrade 12Work, Energy, and Power
दक्षिण कोरिया고등학교 2학년Force and energy
दक्षिण कोरिया고등학교 3학년Mechanical interactions
रूस10 классMechanics: conservation laws
रूस10 классMechanics: conservation laws
चीन高一Compulsory 2 Ch.8 Conservation of mechanical energy

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