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भौतिकी · शब्दावली

किसी बिंदु के परितः आघूर्ण; किसी अक्ष के परितः क्या है?

परिभाषा 15.1 विश्वविद्यालय भौतिकी — वर्ष 1 · अध्याय 15 — कोणीय संवेग

किसी बिंदु OO के परितः उस बल F→\vect F का आघूर्ण (या बलाघूर्ण), जो MM पर लगाया गया है, वह सदिश है

M→O(F→)=OM→∧F→(N m),\vect{\mathcal M}_O(\vect F) = \vect{OM}\wedge\vect F \qquad (\mathrm{N}\,\mathrm{m}),

जो OM→\vect{OM} और F→\vect F के तल पर लंब है और जिसका परिमाण OM⋅Fsin⁡α=F dOM\cdot F\sin\alpha = F\,d है, जहाँ dd — उत्तोलक भुजा — OO से F→\vect F की क्रिया-रेखा तक की दूरी है। किसी दिष्ट अक्ष Δ\Delta (एकांक सदिश e→Δ\vect e_\Delta) के परितः, जो OO से होकर जाती है, आघूर्ण वह अदिश MΔ=M→O⋅e→Δ\mathcal M_\Delta = \vect{\mathcal M}_O\cdot\vect e_\Delta है, जो OO के चुनाव से स्वतंत्र है, चाहे वह Δ\Delta पर कहीं भी हो; और यदि F→\vect F Δ\Delta के समांतर हो या उससे मिलता हो तो वह लुप्त हो जाता है। भिन्न क्रिया-रेखाओं पर लगते दो विपरीत बल एक बल-युग्म बनाते हैं, जिसका आघूर्ण F→∧AB→\vect F\wedge\vect{AB} हर बिंदु के परितः एक-सा होता है।

F का O के परितः आघूर्ण: सदिश गुणनफल OM F, जिसका परिमाण F\,d है, जहाँ d O से क्रिया-रेखा तक की दूरी है (उत्तोलक भुजा), और जिसकी दिशा चित्र पर लंब है — यहाँ पाठक की ओर।
F→\vect F का OO के परितः आघूर्ण: सदिश गुणनफल OM→∧F→\vect{OM}\wedge\vect F, जिसका परिमाण F dF\,d है, जहाँ dd OO से क्रिया-रेखा तक की दूरी है (उत्तोलक भुजा), और जिसकी दिशा चित्र पर लंब है — यहाँ पाठक की ओर।

उदाहरण

उदाहरण 15.2 (दरवाज़ा)

कब्ज़ों से 0.80 m0.80\,\mathrm{m} दूर दरवाज़े पर लंबवत लगाया गया 20 N20\,\mathrm{N} का धक्का कब्ज़ा-अक्ष के परितः 16 N m16\,\mathrm{N}\,\mathrm{m} का आघूर्ण देता है; वही धक्का 0.10 m0.10\,\mathrm{m} पर 2 N m2\,\mathrm{N}\,\mathrm{m} का; और दरवाज़े के अनुदिश (क्रिया-रेखा कब्ज़ों से होकर) शून्य। कब्ज़े की अपनी प्रतिक्रिया, जो अक्ष से मिलती है, उसके परितः कोई आघूर्ण नहीं देती: यही बात अक्ष को आघूर्ण लेने की स्वाभाविक जगह बनाती है।

उदाहरण 15.6 (आघूर्णों से लोलक)

सरल लोलक, और धुरी से होकर जाती, झूलने के तल पर लंब अक्ष Δ\Delta: LΔ=mℓ2θ˙L_\Delta = m\ell^2\dot\theta; तनाव अक्ष से मिलता है (कोई आघूर्ण नहीं), और भार का आघूर्ण −mgℓsin⁡θ-mg\ell\sin\theta है (उत्तोलक भुजा ℓsin⁡θ\ell\sin\theta, प्रत्यानयक)। प्रमेय से mℓ2θ¨=−mgℓsin⁡θm\ell^2\ddot\theta = -mg\ell\sin\theta मिलता है, यानी उदाहरण 12.12 वाला समीकरण, वह भी तनाव लिखे बिना — आघूर्णों का यही सबसे बड़ा लाभ है: अक्ष से होकर जाते बल ग़ायब हो जाते हैं।

उदाहरण 15.10 (स्केटर)

बाँहें फैलाए किसी स्केटर के धड़ का J≈4 kg m2J \approx 4\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{2} है, और साथ में 0.8 m0.8\,\mathrm{m} पर दो 3 kg3\,\mathrm{kg} की बाँहें: J1=4+2×3×0.64=7.8 kg m2J_1 = 4 + 2 \times 3 \times 0.64 = 7.8\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{2}। बाँहें भीतर (0.2 m0.2\,\mathrm{m}): J2=4.2 kg m2J_2 = 4.2\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{2}। बर्फ़ की प्रतिक्रिया और भार का ऊर्ध्वाधर अक्ष के परितः कोई आघूर्ण नहीं है: अतः JωJ\omega संरक्षित है और घूर्णन-दर J1/J2=1.85J_1/J_2 = 1.85 गुना बढ़ जाती है — प्रति सेकंड 22 से 3.73.7 चक्कर — जबकि गतिज ऊर्जा भी उतनी ही गुनी हो जाती है, जिसका मूल्य बाँहें भीतर खींचती माँसपेशियाँ चुकाती हैं।

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