बल क्या हैं? (भौतिक विज्ञान)

जबकि आप "बल" शब्द से परिचित हैं और आपने इसे रोजमर्रा की बातचीत में इस्तेमाल किया है ("मेरे पास कोई विकल्प नहीं था - उसने मुझे ऐसा करने के लिए मजबूर किया!"), क्या आप बल की भौतिकी परिभाषा जानते हैं?

इस लेख में आप न केवल यह जानेंगे कि वास्तव में बल क्या है, बल्कि यह विचार कहां से आया और भौतिकी में इसका उपयोग कैसे किया जाता है।

बलों को समझने के लिए सही भौतिकी मानसिकता में आने के लिए, याद रखें कि आप किस बारे में जानते हैं प्रस्ताव. आप किसी वस्तु की स्थिति (अंतरिक्ष में स्थान) का वर्णन कर सकते हैं, और आप यह वर्णन कर सकते हैं कि समय के साथ वह स्थिति कैसे बदलती है; प्रति इकाई समय में स्थिति परिवर्तन की दर है isवेग. आप यह भी बता सकते हैं कि वह वेग कैसे बदलता है - प्रति इकाई समय में वेग के परिवर्तन की दर को कहा जाता हैत्वरण​.

ये भौतिक राशियाँ - स्थिति, वेग और त्वरण - सभी हैं वेक्टर मात्रा, जिसका अर्थ है कि उनके साथ परिमाण और दिशा जुड़ी हुई है।

यदि कोई वस्तु विराम अवस्था में है, जैसे कि फुटपाथ पर बैठी चट्टान, तो आप निश्चित रूप से काफी आश्वस्त हैं कि जब तक कोई चीज हिलती नहीं है, तब तक वह वहीं रहेगी। या तो फुटपाथ पर चलने वाला कोई व्यक्ति इसे लात मारता है, या शायद चट्टान इतनी हल्की है कि तेज हवा से धक्का दिया जा सकता है। जब ऐसा होता है, तो इसकी गति बदल जाती है। भौतिक राशि जो इस परिवर्तन का कारण बनती है, जैसा कि हम सीखेंगे, एक बल है।

आपको शायद यह भी कुछ समझ है कि कुछ वस्तुओं को दूसरों की तुलना में स्थानांतरित करना अधिक कठिन होता है। एक भारी पत्थर की तुलना में एक छोटे कंकड़ की कल्पना करें। बोल्डर को हिलाने के लिए आपको बहुत अधिक जोर से किक मारने की आवश्यकता होगी। इसी तरह, यदि दो वस्तुएं - एक हल्की और एक भारी - पहले से ही चल रही थीं, तो भारी को रोकना अधिक कठिन है।

गति में किसी भी परिवर्तन के लिए किसी वस्तु के इस प्रतिरोध को उसका कहा जाता है जड़ता. एक निश्चित परिवर्तन को लागू करने के लिए कितने बल की आवश्यकता होती है, यह द्रव्यमान से संबंधित होगा, जो जड़ता का एक उपाय है।

बल का विचार लंबे समय से आसपास रहा है, लेकिन घर्षण की गलत व्याख्या के कारण इसे एक बड़े हिस्से में अच्छी तरह से समझा नहीं गया था।

अरस्तू ने प्रस्तावित किया कि सभी वस्तुओं की एक प्राकृतिक अवस्था होती है जिसमें वे आराम करना चाहते हैं और जब तक कोई बल कार्य नहीं करता है तब तक वे ऐसा करेंगे। उन्होंने इस धारणा का उपयोग यह समझाने के लिए किया कि वस्तुएँ पृथ्वी पर क्यों गिरती हैं, या धकेलने के बाद धीमी गति से रुकती हैं।

हालाँकि, गैलीलियो ने इस विचार का खंडन किया और घर्षण नामक एक रोक बल के अस्तित्व की व्याख्या की। उन्होंने निर्धारित किया कि यदि वस्तुओं को धीमा करने के लिए कोई घर्षण नहीं है तो वे सीधी-रेखा वाले रास्तों में चलते रहेंगे।

सर आइजैक न्यूटन ने गैलीलियो की टिप्पणियों को उनके प्रसिद्ध के साथ एक बड़ी औपचारिकता दी गति के तीन नियम. वह यह वर्णन करने में सक्षम था कि बल क्या करते हैं, वे कैसे कार्य करते हैं और यहां तक ​​​​कि इकाइयों के साथ संख्याओं को अवधारणा के लिए निर्धारित करते हैं।

न्यूटन की गति का पहला नियम - जिसे कभी-कभी जड़ता का नियम कहा जाता है - कहता है कि जब तक कोई असंतुलित बल उस पर कार्य नहीं करता है, तब तक कोई वस्तु आराम की स्थिति में रहती है। जब आप फुटपाथ पर चट्टान को लात मारने के बारे में सोचते हैं तो यह हिस्सा बहुत सहज होता है। इसके अलावा, यह कानून कहता है कि कोई भी वस्तु निरंतर वेग गति (सीधी रेखा पथ में स्थिर गति से गति) से गुजर रही है, जब तक कि शुद्ध बाहरी बल द्वारा कार्य नहीं किया जाता है।

पहले नियम का वह दूसरा भाग कम सहज ज्ञान युक्त है क्योंकि हमारी रोजमर्रा की बातचीत में, वस्तुएं हमेशा के लिए चलती नहीं रहती हैं। लेकिन ऐसा इसलिए है क्योंकि उन पर घर्षण नामक प्रतिरोधक बल द्वारा कार्य किया जाता है।

न्यूटन के गति के दूसरे नियम में कहा गया है कि किसी वस्तु पर कुल बल (जो सभी कार्य करने वाले बलों का सदिश योग है) वस्तु के गुणनफल के बराबर होता है द्रव्यमान और त्वरण। दूसरे शब्दों में:

न्यूटन का गति का दूसरा नियम यह समझाने में सक्षम था कि ऐसा क्यों है कि आपको अपनी गति को बदलने के लिए हल्की वस्तुओं की तुलना में भारी वस्तुओं पर अधिक जोर लगाना पड़ता है। यह औपचारिक रूप से त्वरण की भौतिक मात्रा से संबंधित बल भी है, जो कि वस्तु की गति में परिवर्तन है।

न्यूटन के गति के तीसरे नियम ने आगे बताया कि कैसे बल जोड़े में आते हैं। इसमें कहा गया है कि यदि वस्तु A, वस्तु B पर बल लगाती है, तो वस्तु B, वस्तु A पर बल लगाती है जो परिमाण में बराबर है और वस्तु B पर बल की विपरीत दिशा में है।

न्यूटन का तीसरा नियम बताता है कि गोली मारने पर बंदूकें क्यों पीछे हटती हैं और क्यों, यदि आप स्केटबोर्ड पर खड़े होकर दीवार के खिलाफ धक्का देते हैं, तो आप पीछे की ओर लुढ़कते हैं।

एक बल को एक धक्का या एक खिंचाव के रूप में माना जा सकता है। यदि किसी वस्तु पर केवल एक ही बल कार्य करता है, तो वह एकल बल वस्तु की गति को उसके द्रव्यमान के विपरीत अनुपात में बदल देगा।

बल एक सदिश राशि है, जिसका अर्थ है कि इसमें परिमाण और दिशा है। एक शुद्ध बल की दिशा हमेशा त्वरण या परिवर्तन की दिशा के समान होती है गति (जो ऐसी स्थितियों में गति की दिशा के विपरीत हो सकती है जहां कोई वस्तु धीमी हो रही है नीचे।)

बल का SI मात्रक न्यूटन है जहाँ 1 N = 1 kgm/s². सीजीएस इकाई डायन है जहां 1 डायन = 1gcm/s².

आप पहले से ही जानते हैं कि आप किसी वस्तु को धक्का देकर या खींचकर स्वयं उस पर बल लगा सकते हैं। इसे संपर्क बल के रूप में जाना जाता है क्योंकि इसे संपर्क की आवश्यकता होती है। लेकिन कई अन्य प्रकार की ताकतें भी हैं।

भौतिकी का अध्ययन करते समय आपके सामने आने वाली कुछ सामान्य शक्तियों की सूची में निम्नलिखित शामिल हैं:

• ​गुरुत्वाकर्षण बल: गुरुत्वाकर्षण का बल किसी वस्तु पर मुक्त-गिरने की गति के दौरान देखा जा सकता है, जिसमें कोई वस्तु जमीन की ओर गति करती है। लेकिन गुरुत्वाकर्षण बल भी है जो ग्रहों को कक्षा में रखता है, और जो आपको अंतरिक्ष में उड़ने से रोकता है।
• ​सामान्य बल:यह एक समर्थन बल है जो सतह पर लंबवत रूप से कार्य करता है और वही है जो वस्तुओं को फर्श या टेबल टॉप से ​​गिरने से रोकता है।
• ​विद्युत चुम्बकीय बल:यह सामूहिक रूप से चुंबकीय बलों और इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों को संदर्भित करता है। इस प्रकार के बल आवेश या गतिमान आवेश का परिणाम होते हैं। यही कारण है कि इलेक्ट्रॉन एक दूसरे को पीछे हटाते हैं और चुम्बक आपस में चिपक जाते हैं।
• ​घर्षण बल: घर्षण बल एक बल है जो किसी वस्तु की गति का विरोध करता है। यही कारण है कि किसी पुस्तक को बर्फ की चादर पर स्लाइड करने की तुलना में किसी पुस्तक को मेज के पार स्लाइड करना अधिक कठिन होता है। घर्षण बल एक दूसरे के संपर्क में आने वाली सतहों के आधार पर भिन्न होता है।
• ​हवा प्रतिरोध:यह बल घर्षण के समान है। यह हवा से ही इसके माध्यम से गिरने वाली वस्तुओं की गति का विरोध करने का परिणाम है। यदि कोई वस्तु काफी देर तक गिरती है, तो वायु प्रतिरोध का बल उसे अपने अंतिम वेग को प्राप्त करने के लिए प्रेरित करेगा।
• ​तनाव बल:यह एक प्रकार का बल है जो एक तार, तार या इसी तरह की किसी भी चीज़ के साथ स्थानांतरित होता है।
• ​अन्य मौलिक ताकतें:प्रकृति की चार मूलभूत शक्तियां हैं। दो गुरुत्वाकर्षण और विद्युत चुंबकत्व हैं, जो पहले से ही सूचीबद्ध थे, और अन्य दो कमजोर परमाणु बल और मजबूत परमाणु बल हैं। ये अंतिम दो आम तौर पर केवल एक उप-परमाणु पैमाने पर चीजों को प्रभावित करते हैं, यही वजह है कि आपने उनके बारे में कभी नहीं सुना होगा।

न्यूटन के दूसरे नियम में a का उल्लेख है कुल बल. किसी वस्तु पर लगने वाला कुल बल किसी वस्तु पर लगने वाले सभी बलों का सदिश योग होता है।

उदाहरण के लिए, आप दो लोगों को समान बलों के साथ विपरीत दिशाओं में एक ब्लॉक पर धकेल सकते हैं। लेकिन नेट बल 0 हो जाता है, जिसका अर्थ है कि ब्लॉक नहीं चलता है क्योंकि वे दो बल एक दूसरे को रद्द कर देते हैं।

मुक्त शरीर आरेख ऐसे रेखाचित्र होते हैं जिन्हें आप किसी वस्तु पर बल की दिशा में इंगित आनुपातिक लंबाई के तीर के साथ प्रत्येक बल वेक्टर के परिमाण और दिशा को इंगित कर सकते हैं। बलों से संबंधित भौतिकी की समस्याओं को हल करते समय, आप संभवतः इनमें से बहुत से आरेखों को स्केच करेंगे क्योंकि यह यह कल्पना करने में मदद करता है कि कौन सी ताकतें काम कर रही हैं और यह और स्पष्ट करती हैं कि नेट प्राप्त करने के लिए बलों को एक साथ कैसे जोड़ा जाए बल।

यदि किसी वस्तु पर कोई शुद्ध बल नहीं है, तो इसका अर्थ है कि न्यूटन के दूसरे नियम के अनुसार, वस्तु का त्वरण 0 है। दूसरे शब्दों में, वस्तु का एक स्थिर वेग होना चाहिए।

• ध्यान दें कि स्थिर वेग 0 वेग के समान नहीं है। उदाहरण के लिए, एक स्थिर 2 m/s पर गतिमान वस्तु पर आवश्यक रूप से कोई शुद्ध बल कार्य नहीं करता है।

आपने एक बल के बारे में सुना होगा जिसे अभिकेन्द्र बल कहते हैं। यह पिछले खंड में अन्य बलों के साथ सूचीबद्ध नहीं था क्योंकि यह वास्तव में एक प्रकार का शुद्ध बल है। यह वृत्तीय गति से गुजरने वाली किसी भी वस्तु के लिए रेडियल दिशा में शुद्ध बल है।

वृत्तीय गति, स्थिर गति पर भी, स्थिर वेग गति नहीं है क्योंकि यह एक सीधी रेखा पथ को बनाए नहीं रखती है। बलों के कुछ संयोजन को वृत्ताकार गति करने के लिए कार्य करना चाहिए। अभिकेन्द्र बल वह रेडियल नेट बल है जो इस प्रकार की गति का कारण बनता है।

• अभिकेन्द्र बल को अपकेन्द्री बल के साथ भ्रमित न करें। उत्तरार्द्ध को वास्तव में एक छद्म बल माना जाता है। यह वह बल है जो वृत्ताकार गति से गुजर रही किसी वस्तु पर कार्य करता प्रतीत होता है। उदाहरण के लिए, जब आप एक कार में होते हैं जो एक कोने में मुड़ जाती है, तो आपको ऐसा महसूस हो सकता है कि आपको दबाया जा रहा है कार के किनारे के खिलाफ, लेकिन वास्तव में क्या हो रहा है कि एक बल आपको खींच रहा है a घुमावदार रास्ता।

कुछ बल बिना संपर्क के रहस्यमय तरीके से कार्य करते प्रतीत होते हैं। एक उदाहरण जिससे आप परिचित हैं वह है गुरुत्वाकर्षण बल। जब कोई वस्तु गिराई जाती है, तो पृथ्वी उस वस्तु को बिना छुए भी अपनी ओर खींच लेती है।

इस घटना का वर्णन करने के लिए भौतिकविदों द्वारा विकसित एक गणितीय उपकरण एक क्षेत्र की धारणा है। (हां, एक "बल क्षेत्र" लेकिन उस तरह का नहीं जो आपको फोटॉन टॉरपीडो से बचाता है!)

एक गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र अंतरिक्ष में प्रत्येक बिंदु के लिए असाइनमेंट है, एक वेक्टर जो सापेक्ष परिमाण को इंगित करता है और उस स्थान पर गुरुत्वाकर्षण बल की दिशा इस बात से स्वतंत्र है कि कौन सी वस्तु उस पर बल का अनुभव कर सकती है स्थान। किसी दिए गए बिंदु पर गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र का मान केवल गुरुत्वाकर्षण बल होगा जिसे एक द्रव्यमान द्वारा महसूस किया जाएगामउस स्थान पर, लेकिन द्वारा विभाजितम​.

बल क्षेत्र की यह धारणा इन "रहस्यमय" ताकतों की व्याख्या की अनुमति देती है जो कार्य करती प्रतीत होती हैं किसी चीज को छुए बिना, किसी वस्तु के साथ परस्पर क्रिया करने के परिणामस्वरूप होने वाले बल का वर्णन करते हुए मैदान।

गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों की तरह, आपके पास एक विद्युत क्षेत्र या एक चुंबकीय क्षेत्र भी हो सकता है जो का वर्णन करता है सापेक्ष बल प्रति इकाई आवेश या (बल प्रति इकाई चुंबकीय क्षण) जिसे कोई वस्तु किसी विशेष में महसूस करेगी स्थान।