संरचनात्मक सामग्रियाँ और उनके उपयोग
जो चीज़ें हम बनाते हैं, वे कुछ ही तरह की सामग्रियों से बनती हैं।
- धातुएँ (इस्पात, ऐल्युमिनियम, ताँबा): मज़बूत, मोड़ी और काटी जा सकती हैं, गर्मी और बिजली ले जाती हैं।
- लकड़ी: हल्की, आसानी से कटती है, जल सकती है और सड़ सकती है।
- प्लास्टिक: हल्का, जंग नहीं लगता, पिघल या टूट सकता है।
- चीनी-मिट्टी और काँच: कठोर और गर्मी सहने वाले, पर भंगुर (टूट जाते हैं)।
- मिश्रित सामग्री (जैसे फ़ाइबरग्लास): दो सामग्रियाँ मिलकर काम करती हैं।
हर सामग्री के कुछ गुण होते हैं: कितनी मज़बूत, कितनी भारी, आकार देना कितना आसान, गर्मी-बिजली कितनी ले जाती है, और कितनी महँगी। काम तय करता है कि कौन-सा गुण सबसे ज़रूरी है।
मिश्रधातु क्यों बनाते हैं? धातुओं और मिश्रधातुओं पर काम
शुद्ध धातु, जैसे ताँबा या लोहा, एक जैसे परमाणुओं की परतों से बनी होती है। परतें एक-दूसरे पर फिसलती हैं, इसलिए शुद्ध धातुएँ अक्सर नरम होती हैं और आसानी से मुड़ जाती हैं।
मिश्रधातु किसी धातु और दूसरे तत्व को साथ पिघलाकर बनाया मिश्रण है। अलग आकार के परमाणु परतों को अटका देते हैं। फिसलना मुश्किल हो जाता है, इसलिए मिश्रधातु आम तौर पर शुद्ध धातु से कठोर और मज़बूत होती है। मिलाने से रंग, गलनांक और जंग सहने की क्षमता भी बदल सकती है।
आम मिश्रधातुएँ (सामान्य नुस्खे):
- इस्पात (स्टील): लोहा और लगभग 0.2 से 2 प्रतिशत कार्बन। पुल, औज़ार, बोल्ट।
- पीतल: ताँबा और लगभग 35 प्रतिशत जस्ता। नल, चाबियाँ, वाद्य यंत्र।
- काँसा: ताँबा और लगभग 10 प्रतिशत टिन। घंटियाँ, मूर्तियाँ, बेयरिंग।
- ड्यूरालुमिन: ऐल्युमिनियम में थोड़ा ताँबा और मैग्नीशियम। हवाई जहाज़ के पुर्ज़े और साइकिल के फ़्रेम।
उत्पादन में यंत्र-रचनाएँ और मशीनें
मशीन ऊर्जा से काम करती है। यंत्र-रचना (mechanism) उसके अंदर का वह हिस्सा है जो गति या बल को बदलता है।
- उत्तोलक (लीवर): धुरी पर घूमने वाली छड़। धुरी से दूर छोटा धक्का देने पर पास का भारी भार उठ जाता है।
- गियर और पट्टे: घूमने की गति आगे पहुँचाते हैं और चाल या बल बदलते हैं।
- क्रैंक और कैम: घूमने की गति को आगे-पीछे की गति में बदलते हैं।
- पेंच: घुमाने का धक्का मज़बूत सीधे धक्के में बदलता है (वाइस, जैक)।
कार्यशाला में ड्रिल, खराद, प्रेस और आरी जैसी मशीनें धातु को तेज़ी और सटीकता से आकार देती हैं। मोटर ऊर्जा देती है और यंत्र-रचनाएँ उसे औज़ार तक पहुँचाती हैं। मशीनें सटीकता और रफ़्तार देती हैं; मुफ़्त ऊर्जा नहीं देतीं।
सामग्री चुनना और लागत निकालना
चरण 1: काम की ज़रूरतें लिखो। मज़बूत? हल्का? बिजली ले जाए? सस्ता?
चरण 2: सामग्रियों को अंक दो। हर गुण के लिए हर सामग्री को 1 से 5 अंक दो, फिर उसे उस गुण की अहमियत (भार) से गुणा करो और जोड़ लो। सबसे ज़्यादा कुल अंक वाली सामग्री सबसे ठीक है। साइकिल के फ़्रेम को हल्का (x3), मज़बूत (x2), सस्ता (x1) चाहिए: ऐल्युमिनियम जीतता है। पुल के गर्डर को मज़बूत (x3) और सस्ता (x2) चाहिए: इस्पात जीतता है। घर की वायरिंग को बिजली ले जाना चाहिए: ताँबा जीतता है।
चरण 3: लागत निकालो।
आयतन = लंबाई x चौड़ाई x मोटाई (छड़ के लिए)
द्रव्यमान = आयतन x घनत्व
लागत = द्रव्यमान (kg) x प्रति किलो दाम
सामान्य घनत्व: इस्पात 7.85 g/cm³, ऐल्युमिनियम 2.7 g/cm³, पीतल लगभग 8.5 g/cm³। थोड़ी अतिरिक्त धातु ख़रीदना मत भूलो: काटने और रेतने में कुछ धातु बेकार चली जाती है।
उत्पाद बनाना और धातु पर काम करते समय सुरक्षा
विचार से उत्पाद तक: 1. विचार और रेखाचित्र। 2. नाप के साथ तकनीकी चित्र। 3. सामग्री चुनना। 4. द्रव्यमान और लागत निकालना। 5. धातु पर निशान लगाना। 6. काटना, छेद करना, मोड़ना, रेतना और जोड़ना। 7. फ़िनिशिंग (चिकना करना, रंगना या चमकाना)। 8. नाप और गुणवत्ता जाँचना।
सुरक्षा के नियम:
- चश्मा पहनो: कतरनें और चिंगारियाँ उड़ती हैं।
- तेज़ चादर के लिए दस्ताने पहनो, पर घूमती ड्रिल के पास कभी नहीं।
- बाल बाँधो, कसा हुआ ऐप्रन पहनो, ढीली आस्तीन नहीं।
- धातु को क्लैम्प से कसो; ड्रिल या काटते समय छोटे टुकड़े हाथ से कभी न पकड़ो।
- मशीन के गार्ड लगे रखो और कुछ भी ठीक करने से पहले मशीन बंद करो।
- धातु गर्म या बहुत तेज़ हो सकती है। लंबे टुकड़े साथी के साथ उठाओ।
खुद करके देखो
3D में। चरण 2 पर, बटन दबाने से पहले अनुमान लगाओ कि 8 टिन परमाणुओं के साथ ऊपर की परत कितनी खिसकेगी। फिर जाँचो।
घर पर। एक सादा धातु का पेपर-क्लिप एक बार मोड़ो, फिर मोटी इस्पात की कील उसी तरह मोड़ो (प्लास, सुरक्षा चश्मा लो और बड़ों से पूछो)। कौन ज़्यादा विरोध करती है? घर की पाँच धातु की चीज़ें लिखो और हर एक की धातु लिखो: चम्मच, चाबी, तार, नल, सिक्का। तय करो कि कौन-सी मिश्रधातुएँ हैं।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- मिश्रधातु = धातु + दूसरा तत्व → परतें अटकती हैं → कठोर
- इस्पात = लोहा + थोड़ा कार्बन; पीतल = ताँबा + जस्ता; काँसा = ताँबा + टिन
- छड़ का आयतन = लंबाई x चौड़ाई x मोटाई
- द्रव्यमान = आयतन x घनत्व
- लागत = द्रव्यमान (kg) x प्रति किलो दाम
- सामग्री का कुल अंक = (गुण का अंक x अहमियत) का जोड़
हल किए गए उदाहरण
1. इस्पात की एक छड़ 2 सेमी x 2 सेमी x 50 सेमी है। उसका द्रव्यमान निकालो। (इस्पात का घनत्व 7.85 g/cm³)
आयतन = 2 x 2 x 50 = 200 cm³। द्रव्यमान = 200 x 7.85 = 1570 g = 1.57 kg।
2. वही छड़ ऐल्युमिनियम (2.7 g/cm³) की हो तो कितनी हल्की होगी?
द्रव्यमान = 200 x 2.7 = 540 g = 0.54 kg। अंतर = 1.57 - 0.54 = 1.03 kg हल्की।
3. इस्पात 1 इकाई प्रति किलो और ऐल्युमिनियम 3 इकाई प्रति किलो है (समझाने के लिए)। 200 cm³ की हर छड़ की लागत निकालो।
इस्पात: 1.57 kg x 1 = 1.57 इकाई। ऐल्युमिनियम: 0.54 kg x 3 = 1.62 इकाई। लागत लगभग बराबर है, पर ऐल्युमिनियम का पुर्ज़ा बहुत हल्का है।
4. वही छड़ पीतल (8.5 g/cm³, दाम 6 इकाई प्रति किलो) की हो तो द्रव्यमान और लागत निकालो।
द्रव्यमान = 200 x 8.5 = 1700 g = 1.7 kg। लागत = 1.7 x 6 = 10.2 इकाई।
5. 10 प्रतिशत टिन वाले 2 kg काँसे में कितना ताँबा और कितना टिन है?
टिन = 2 kg का 10% = 0.2 kg। ताँबा = 2 - 0.2 = 1.8 kg।
6. एक काम में कटाई के बाद 1.8 kg इस्पात चाहिए। ख़रीदे गए इस्पात का लगभग 10 प्रतिशत बेकार जाता है। कितना ख़रीदना चाहिए और 1 इकाई प्रति किलो पर लागत क्या होगी?
सिर्फ़ 90 प्रतिशत काम आता है, इसलिए 0.9 x B = 1.8, B = 1.8 / 0.9 = 2.0 kg। लागत = 2.0 x 1 = 2.0 इकाई।
7. साइकिल के फ़्रेम के अंक (मज़बूत x2, हल्का x3, सस्ता x1): इस्पात के मज़बूत 5, हल्का 2, सस्ता 4; ऐल्युमिनियम के मज़बूत 3, हल्का 5, सस्ता 3। कौन बेहतर है?
इस्पात: 5x2 + 2x3 + 4x1 = 10 + 6 + 4 = 20। ऐल्युमिनियम: 3x2 + 5x3 + 3x1 = 6 + 15 + 3 = 24। ऐल्युमिनियम के अंक ज़्यादा हैं।
आम गलतियाँ
- मिश्रधातु को यौगिक समझ लेना। वह मिश्रण है; परमाणु मिले हैं, रासायनिक रूप से नया पदार्थ नहीं बना।
- इकाइयाँ मिलाना: g/cm³ का घनत्व ग्राम देता है। प्रति किलो दाम लगाने से पहले 1000 से भाग देकर kg बनाओ।
- वज़न और लागत सोचे बिना सबसे मज़बूत सामग्री चुन लेना।
- घूमती ड्रिल के पास दस्ताने पहनना या छोटे टुकड़े को क्लैम्प करने की जगह हाथ से पकड़ना।