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कार्य, ऊर्जा और शक्ति | क्लास 11 भौतिकी वन शॉट

परिचय और जोश मीटर

पीके भैया ने चैप्टर को खतरनाक बताते हुए छात्रों की आम समस्याओं (घर्षण, कार्य-ऊर्जा प्रमेय, स्प्रिंग और संघट्ट) को स्वीकार किया। उन्होंने आश्वासन दिया कि वे इस चैप्टर को डिटेल में पढ़ाकर छात्रों को "राजा या रानी" बना देंगे। उन्होंने पिछले चैप्टर (क्लास 9 फिजिक्स: बल और जड़त्व के नियम विस्तार से समझें) को देखने की सलाह दी क्योंकि कई चीजें सेम हैं।

कार्य (Work)

कार्य को एक स्केलर राशि के रूप में परिभाषित किया गया है जो बल और विस्थापन के डॉट गुणनफल के बराबर होता है।

सूत्र और शर्तें

  • सूत्र: W = F · s = F s cos θ
  • यूनिट: जूल
  • W = 0 होने की शर्तें:
    • F = 0
    • s = 0
    • θ = 90° (cos 90° = 0)

कार्य की प्रकृति (चिन्ह)

  • θ = 0°: cos 0 = 1, कार्य धनात्मक होता है। उदाहरण: बल और विस्थापन एक ही दिशा में।
  • θ = 90°: cos 90 = 0, कार्य शून्य होता है। उदाहरण: कुली अपने सिर पर बोझ उठाकर क्षैतिज रूप से चलता है; पृथ्वी के चारों ओर चंद्रमा की गति; दीवार पर बल लगाने पर दीवार का न हिलना।
  • θ = 180°: cos 180 = -1, कार्य ऋणात्मक होता है। उदाहरण: ब्रेक लगाने पर ब्रेक का बल (पीछे की ओर) और कार का विस्थापन (आगे की ओर)।

निर्भरता

कार्य फ्रेम-डिपेंडेंट है। कार्य की प्रकृति देखने के नजरिए पर निर्भर करती है। उदाहरण के लिए, नीचे गिरती हुई गेंद पर गुरुत्वाकर्षण (बल नीचे की ओर) धनात्मक कार्य करता है, जबकि वायु प्रतिरोध (बल ऊपर की ओर) ऋणात्मक कार्य करता है।

स्केलर या डॉट गुणनफल (Dot Product)

स्केलर गुणनफल के नियम बताए गए:

  • यह दो सदिशों से एक स्केलर राशि (जैसे कार्य) देता है।
  • आई-कैप (î) का आई-कैप से, जे-कैप (ĵ) का जे-कैप से, और के-कैप (k̂) का के-कैप से गुणन 1 होता है।
  • î · ĵ = 0, î · k̂ = 0, ĵ · k̂ = 0.
  • उदाहरण: यदि F' = 2î + 3ĵ - 3k̂ और वस्तु 10 m विस्थापित होती है, तो कार्य 20 जूल होगा।

कोण ज्ञात करने का सूत्र

cos θ = (a · b) / (|a| |b|)

प्रक्षेप (Projection)

सदिश A का सदिश B पर प्रक्षेप = (A · B) / |B|

चर बल द्वारा कार्य

जब बल विस्थापन के साथ बदलता रहता है, तब कार्य ज्ञात करने के लिए समाकलन (Integration) का उपयोग किया जाता है। सूत्र: W = ∫ F(x) dx उदाहरण: F = 5x² के लिए x = 1 m से x = 3 m तक कार्य = 130/3 जूल

कार्य-ऊर्जा प्रमेय (Work-Energy Theorem)

यह प्रमेय बताता है कि किसी पिंड पर किया गया कुल कार्य उसकी गतिज ऊर्जा में हुए परिवर्तन के बराबर होता है। W_net = ΔK = K_f - K_i

  • चर बल के लिए व्युत्पत्ति: W = ∫ F ds = ∫ m (dv/dt) ds = ∫ m v dv यह समाकलन 1⁄2 mv² - 1⁄2 mu² देता है, जो गतिज ऊर्जा में परिवर्तन है।

ऊर्जा (Energy)

ऊर्जा किसी पिंड की कार्य करने की क्षमता है।

गतिज ऊर्जा (Kinetic Energy)

गतिमान पिंड में गतिज ऊर्जा होती है।

  • सूत्र: K = 1⁄2 mv²
  • व्युत्पत्ति: गति के तीसरे समीकरण (v² - u² = 2as) और न्यूटन के दूसरे नियम (F = ma) का उपयोग करके की जाती है।
  • महत्वपूर्ण संबंध: K = p² / 2m, जहाँ p संवेग (मोमेंटम) है। इससे स्पष्ट है कि यदि संवेग दोगुना हो जाए, तो गतिज ऊर्जा चार गुनी हो जाती है।
  • उदाहरण: यदि चार कण A (m/2), B (m), C (2m), D (4m) के संवेग समान हैं, तो सबसे कम द्रव्यमान वाले कण A की गतिज ऊर्जा सबसे अधिक होगी।
  • रेश्यो निकालना: 4 ग्राम और 25 ग्राम के दो पिंडों की गतिज ऊर्जा समान है, तो उनके संवेगों का अनुपात 2:5 होगा।

स्प्रिंग बल (Spring Force)

स्प्रिंग का बल एक प्रत्यानयन बल है जो हमेशा विस्थापन के विपरीत दिशा में कार्य करता है। सूत्र: F ∝ -x (हुक के नियम का मूल रूप)

महत्वपूर्ण उदाहरण

  • एनसीईआरटी का ग्राफ वाला प्रश्न: एक महिला 10 मीटर तक 100 N का बल लगाती है, फिर अगले 10 मीटर में बल रैखिक रूप से घटकर 50 N हो जाता है। महिला द्वारा किया गया कार्य 1750 J है, जबकि घर्षण (50 N) द्वारा किया गया कार्य -1000 J है।
  • एनसीईआरटी का प्रक्षेप वाला प्रश्न: F और s के बीच कोण, साथ ही F का s पर प्रक्षेप ज्ञात करना।

अगर आप इस अध्याय को विस्तार से समझना चाहते हैं, तो हमारा विस्तृत लेख 'कार्य, ऊर्जा और शक्ति: पूरा अध्याय आसान भाषा में' जरूर पढ़ें। वहाँ सभी अवधारणाओं को और गहराई से समझाया गया है। साथ ही, यदि आप बिजली के सिद्धांतों को भी समझना चाहते हैं, तो 'विद्युत (Electricity) क्लास 10 वन शॉट: संपूर्ण अध्याय सारांश' भी देख सकते हैं।

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