Chapter 6

कणों का निकाय तथा घूर्णी गति
System of Particles and Rotational Motion

इस अध्याय में आप कणों के एक निकाय के व्यवहार तथा घूर्णी गति के महत्वपूर्ण सिद्धांतों का अध्ययन करेंगे। इसमें द्रव्यमान केंद्र, बल आघूर्ण, कोणीय संवेग, जड़त्व आघूर्ण तथा घूर्णी साम्य जैसी अवधारणाओं को समझाया गया है।

This chapter covers the centre of mass, torque, angular momentum, moment of inertia, and rotational equilibrium

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System of Particles and Rotational Motion: Part 1

द्रव्यमान केंद्र (centre of mass) की अवधारणा का परिचय, जिसमें कणों के निकाय और सरल दृढ़ पिंडों के लिए इसे ज्ञात करने की विधि समझाई गई है।.

Introduces the concept of the centre of mass, explaining how to locate it for a system of particles and simple rigid bodies.

System of Particles and Rotational Motion: Part 2

कणों के निकाय के द्रव्यमान केंद्र की गति पर चर्चा, और यह स्पष्ट करना कि बाहरी बल इसे कैसे प्रभावित करते हैं।

Discusses the motion of the centre of mass of a system of particles, explaining how external forces affect it.

System of Particles and Rotational Motion: Part 3

सदिश गुणन (cross product) की व्याख्या और घूर्णी गति में बल आघूर्ण (torque) की अवधारणा को समझना।

Explains the vector product (cross product) and the concept of torque (moment of force) in rotational motion.

System of Particles and Rotational Motion: Part 4

किसी कण और कणों के निकाय के लिए कोणीय संवेग (angular momentum) को परिभाषित करना और कोणीय संवेग संरक्षण के सिद्धांत की चर्चा।

Defines angular momentum for a particle and a system of particles, and discusses the conservation of angular momentum.

System of Particles and Rotational Motion: Part 5

एक दृढ़ पिंड के स्थानांतरणीय और घूर्णी संतुलन (equilibrium) के लिए आवश्यक शर्तों को कवर करना।

Covers the conditions for both translational and rotational equilibrium of a rigid body.

System of Particles and Rotational Motion: Part 6

जड़त्व आघूर्ण (Moment of Inertia) की अवधारणा का परिचय और विभिन्न सममित वस्तुओं जैसे वलय, चकती और गोले के लिए MI की चर्चा।

Introduces the concept of Moment of Inertia (MI) and discusses the MI of various symmetric objects like rings, discs, and spheres.

System of Particles and Rotational Motion: Part 7

लंबवत और समांतर अक्ष प्रमेयों (theorems of perpendicular and parallel axes) की व्याख्या, जो जड़त्व आघूर्ण की गणना के लिए आवश्यक उपकरण हैं।

Explains the theorems of perpendicular and parallel axes, which are essential tools for calculating the moment of inertia.

System of Particles and Rotational Motion: Part 8

शुद्ध घूर्णी गति की गतिशीलता पर ध्यान केंद्रित करने वाला समापन सत्र, जिसमें घूर्णी गतिज ऊर्जा और लोटनिक गति (rolling motion) शामिल है।

A concluding session focusing on the dynamics of pure rotation, including rotational kinetic energy and rolling motion.

NOTES

System of Particles and Rotational Motion

Introduction

A system of particles is a collection of two or more particles considered together. The motion of such a system can be studied using the centre of mass. Rotational motion deals with the motion of a rigid body about a fixed axis. Important concepts include centre of mass, torque, angular momentum, moment of inertia, and rotational equilibrium.


Centre of Mass

Definition

The centre of mass of a system is the point where the entire mass of the system may be considered to be concentrated for studying its translational motion.

For two particles:

xcm = (m₁x₁ + m₂x₂) / (m₁ + m₂)

The centre of mass depends on the distribution of mass in the system.


Motion of Centre of Mass

Importance

The centre of mass of a system moves as if the entire mass of the system were concentrated at that point and all external forces acted on it.

The acceleration of the centre of mass is related to the net external force:

Fext = M acm

where M is the total mass and acm is the acceleration of the centre of mass.

Internal forces do not affect the motion of the centre of mass.


Linear Momentum

Definition

The linear momentum of a particle is the product of its mass and velocity.

p = mv

For a system, total momentum is the vector sum of the momenta of all particles.

If the net external force on a system is zero, its total linear momentum remains conserved.


Torque

Turning Effect of Force

Torque is the turning effect produced by a force about an axis or point.

τ = rF sin θ

where:

  • r = Distance from the axis
  • F = Applied force
  • θ = Angle between r and F

Torque is maximum when the force acts perpendicular to the position vector.


Angular Momentum

Definition

Angular momentum is the rotational analogue of linear momentum.

For a particle:

L = r × p

For a rigid body rotating about a fixed axis:

L = Iω

where:

  • I = Moment of inertia
  • ω = Angular velocity

If the external torque is zero, angular momentum remains conserved.


Moment of Inertia

Rotational Inertia

The moment of inertia (I) of a body measures its resistance to change in rotational motion.

For a system of particles:

I = Σmᵢrᵢ²

The moment of inertia depends on:

  • Mass of the body
  • Distribution of mass
  • Position of the axis of rotation

Greater mass farther from the axis means greater moment of inertia.


Radius of Gyration

Definition

The radius of gyration (K) is the distance from the axis at which the entire mass of a body can be assumed to be concentrated without changing its moment of inertia.

I = MK²

where M is the total mass.


Rotational Motion

Angular Variables

Rotational motion is described using:

  • Angular Displacement (θ)
  • Angular Velocity (ω)
  • Angular Acceleration (α)

The relationship between linear and angular quantities is:

v = rω

and

aₜ = rα

where r is the distance from the axis.


Rotational Equilibrium

Condition

A rigid body is in rotational equilibrium when the net torque acting on it is zero.

Στ = 0

For complete equilibrium, both conditions must be satisfied:

  • Net force = 0
  • Net torque = 0

This principle is used in balancing structures and machines.


Moment of Inertia of Common Bodies

Important Results

Some common moments of inertia are:

  • Ring about its central axis: I = MR²
  • Disc about its central axis: I = ½MR²
  • Solid sphere about its diameter: I = ⅖MR²
  • Rod about its centre: I = ¹⁄₁₂ML²
  • Rod about one end: I = ⅓ML²

These values depend on the shape and axis of rotation.


Parallel and Perpendicular Axis Theorems

Parallel Axis Theorem

The moment of inertia about any axis parallel to an axis through the centre of mass is:

I = Icm + Md²

Perpendicular Axis Theorem

For a plane lamina:

Iz = Ix + Iy

These theorems help calculate the moment of inertia about different axes.


Rolling Motion

Definition

When a body rotates while moving forward without slipping, it undergoes rolling motion.

For pure rolling:

v = Rω

The total kinetic energy of a rolling body is the sum of:

  • Translational kinetic energy
  • Rotational kinetic energy

Applications

Importance

The concepts of rotational motion are used in:

  • Wheels and gears
  • Engines
  • Flywheels
  • Rotating machines
  • Balance and stability
  • Satellites and planets
  • Engineering structures

Key Points

  • The centre of mass represents the average position of mass in a system.
  • The motion of the centre of mass depends only on external forces.
  • Linear momentum is conserved when net external force is zero.
  • Torque produces rotational motion.
  • Moment of inertia measures resistance to rotational motion.
  • Angular momentum is conserved when external torque is zero.
  • A body is in rotational equilibrium when net torque is zero.
  • Pure rolling satisfies v = Rω.

Chapter Summary

This chapter explains the motion of a system of particles and the rotational motion of rigid bodies. It introduces the centre of mass, linear momentum, torque, angular momentum, moment of inertia, radius of gyration, rotational equilibrium, and rolling motion. The conservation laws of linear momentum and angular momentum are important principles used to understand the motion of particles and rotating bodies.

कणों का निकाय तथा घूर्णी गति

परिचय

कणों का निकाय दो या दो से अधिक कणों का ऐसा समूह है जिसे एक साथ अध्ययन किया जाता है। ऐसे निकाय की गति को समझने के लिए द्रव्यमान केंद्र (Centre of Mass) की अवधारणा महत्वपूर्ण है। घूर्णी गति किसी दृढ़ पिंड की किसी निश्चित अक्ष के चारों ओर होने वाली गति है। इस अध्याय में द्रव्यमान केंद्र, बल आघूर्ण, कोणीय संवेग, जड़त्व आघूर्ण तथा घूर्णी साम्यावस्था का अध्ययन किया जाता है।


द्रव्यमान केंद्र

परिभाषा

द्रव्यमान केंद्र वह बिंदु है जहाँ किसी निकाय के संपूर्ण द्रव्यमान को केंद्रित मानकर उसके स्थानांतरीय गति का अध्ययन किया जा सकता है।

दो कणों के लिए—

xcm = (m₁x₁ + m₂x₂) / (m₁ + m₂)

द्रव्यमान केंद्र निकाय में द्रव्यमान के वितरण पर निर्भर करता है।


द्रव्यमान केंद्र की गति

महत्व

किसी निकाय का द्रव्यमान केंद्र इस प्रकार गति करता है जैसे निकाय का पूरा द्रव्यमान उसी बिंदु पर केंद्रित हो और सभी बाहरी बल उसी पर कार्य कर रहे हों।

द्रव्यमान केंद्र की गति के लिए—

Fext = M acm

जहाँ M कुल द्रव्यमान तथा acm द्रव्यमान केंद्र का त्वरण है।

आंतरिक बल द्रव्यमान केंद्र की गति को प्रभावित नहीं करते।


रैखिक संवेग (Linear Momentum)

परिभाषा

किसी कण का रैखिक संवेग उसके द्रव्यमान और वेग के गुणनफल के बराबर होता है।

p = mv

किसी निकाय का कुल संवेग उसके सभी कणों के संवेगों का सदिश योग होता है।

यदि किसी निकाय पर परिणामी बाहरी बल शून्य हो, तो उसका कुल रैखिक संवेग संरक्षित रहता है।


बल आघूर्ण (Torque)

बल का घूर्णन प्रभाव

बल आघूर्ण किसी बिंदु या अक्ष के सापेक्ष बल द्वारा उत्पन्न घूर्णन प्रभाव है।

τ = rF sin θ

जहाँ—

  • r = अक्ष से दूरी
  • F = लगाया गया बल
  • θ = r और F के बीच का कोण

जब बल स्थिति सदिश के लंबवत होता है, तब बल आघूर्ण अधिकतम होता है।


कोणीय संवेग (Angular Momentum)

परिभाषा

कोणीय संवेग रैखिक संवेग का घूर्णी समकक्ष है।

किसी कण के लिए—

L = r × p

स्थिर अक्ष के चारों ओर घूमते दृढ़ पिंड के लिए—

L = Iω

जहाँ—

  • I = जड़त्व आघूर्ण
  • ω = कोणीय वेग

यदि बाहरी बल आघूर्ण शून्य हो, तो कोणीय संवेग संरक्षित रहता है।


जड़त्व आघूर्ण (Moment of Inertia)

घूर्णी जड़त्व

जड़त्व आघूर्ण (I) किसी पिंड के घूर्णन की अवस्था में परिवर्तन का विरोध करने की क्षमता को दर्शाता है।

कणों के निकाय के लिए—

I = Σmᵢrᵢ²

जड़त्व आघूर्ण निम्न पर निर्भर करता है—

  • पिंड का द्रव्यमान
  • द्रव्यमान का वितरण
  • घूर्णन अक्ष की स्थिति

अक्ष से अधिक दूरी पर स्थित द्रव्यमान जड़त्व आघूर्ण को बढ़ाता है।


जड़त्व त्रिज्या (Radius of Gyration)

परिभाषा

जड़त्व त्रिज्या (K) वह दूरी है जिस पर पिंड के पूरे द्रव्यमान को केंद्रित मानने पर उसका जड़त्व आघूर्ण अपरिवर्तित रहता है।

I = MK²

जहाँ M पिंड का कुल द्रव्यमान है।


घूर्णी गति (Rotational Motion)

कोणीय राशियाँ

घूर्णी गति को निम्न राशियों द्वारा व्यक्त किया जाता है—

  • कोणीय विस्थापन (θ)
  • कोणीय वेग (ω)
  • कोणीय त्वरण (α)

रैखिक एवं कोणीय राशियों के बीच संबंध—

v = rω

तथा

aₜ = rα

जहाँ r घूर्णन अक्ष से दूरी है।


घूर्णी साम्यावस्था

शर्त

जब किसी दृढ़ पिंड पर लगने वाला कुल बल आघूर्ण शून्य हो, तो पिंड घूर्णी साम्यावस्था में होता है।

Στ = 0

पूर्ण साम्यावस्था के लिए दोनों शर्तें आवश्यक हैं—

  • परिणामी बल = 0
  • परिणामी बल आघूर्ण = 0

इस सिद्धांत का उपयोग संरचनाओं तथा मशीनों को संतुलित करने में किया जाता है।


विभिन्न पिंडों के जड़त्व आघूर्ण

महत्वपूर्ण परिणाम

कुछ सामान्य पिंडों के जड़त्व आघूर्ण—

  • वलय की केंद्रीय अक्ष के चारों ओर: I = MR²
  • डिस्क की केंद्रीय अक्ष के चारों ओर: I = ½MR²
  • ठोस गोले के व्यास के चारों ओर: I = ⅖MR²
  • छड़ के केंद्र से गुजरने वाली अक्ष के चारों ओर: I = ¹⁄₁₂ML²
  • छड़ के एक सिरे से गुजरने वाली अक्ष के चारों ओर: I = ⅓ML²

जड़त्व आघूर्ण पिंड के आकार और घूर्णन अक्ष पर निर्भर करता है।


समांतर एवं लंबवत अक्ष प्रमेय

समांतर अक्ष प्रमेय

द्रव्यमान केंद्र से गुजरने वाली अक्ष के समानांतर किसी अन्य अक्ष के सापेक्ष जड़त्व आघूर्ण—

I = Icm + Md²

लंबवत अक्ष प्रमेय

समतल पटल के लिए—

Iz = Ix + Iy

इन प्रमेयों की सहायता से विभिन्न अक्षों के सापेक्ष जड़त्व आघूर्ण ज्ञात किया जाता है।


लोटनिक गति (Rolling Motion)

परिभाषा

जब कोई पिंड बिना फिसले आगे बढ़ते हुए घूमता है, तो उसकी गति को लोटनिक गति कहते हैं।

शुद्ध लोटनिक गति के लिए—

v = Rω

लुढ़कते हुए पिंड की कुल गतिज ऊर्जा दो भागों का योग होती है—

  • स्थानांतरीय गतिज ऊर्जा
  • घूर्णी गतिज ऊर्जा

अनुप्रयोग

महत्व

घूर्णी गति की अवधारणाओं का उपयोग—

  • पहियों और गियर
  • इंजन
  • फ्लाईव्हील
  • घूर्णन मशीनों
  • संतुलन एवं स्थिरता
  • उपग्रहों और ग्रहों
  • इंजीनियरिंग संरचनाओं

में किया जाता है।


मुख्य बिंदु

  • द्रव्यमान केंद्र निकाय में द्रव्यमान की औसत स्थिति को दर्शाता है।
  • द्रव्यमान केंद्र की गति केवल बाहरी बलों पर निर्भर करती है।
  • परिणामी बाहरी बल शून्य होने पर रैखिक संवेग संरक्षित रहता है।
  • बल आघूर्ण घूर्णन गति उत्पन्न करता है।
  • जड़त्व आघूर्ण घूर्णी गति में परिवर्तन का विरोध करता है।
  • बाहरी बल आघूर्ण शून्य होने पर कोणीय संवेग संरक्षित रहता है।
  • परिणामी बल आघूर्ण शून्य होने पर पिंड घूर्णी साम्यावस्था में होता है।
  • शुद्ध लोटनिक गति के लिए v = Rω होता है।

अध्याय सारांश

इस अध्याय में कणों के निकाय तथा दृढ़ पिंडों की घूर्णी गति का अध्ययन किया गया है। इसमें द्रव्यमान केंद्र, रैखिक संवेग, बल आघूर्ण, कोणीय संवेग, जड़त्व आघूर्ण, जड़त्व त्रिज्या, घूर्णी साम्यावस्था तथा लोटनिक गति जैसी महत्वपूर्ण अवधारणाएँ शामिल हैं। रैखिक संवेग और कोणीय संवेग के संरक्षण के सिद्धांत कणों तथा घूर्णन करते पिंडों की गति को समझने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।