Chapter 7:

कार्य, ऊर्जा तथा शक्ति
Work, Energy and Power

इस अध्याय में बल, गति और ऊर्जा के बीच संबंध को समझने का अवसर मिलेगा। आप बल द्वारा किए गए कार्य, गतिज एवं स्थितिज ऊर्जा, कार्य-ऊर्जा प्रमेय, यांत्रिक ऊर्जा के संरक्षण तथा शक्ति का अध्ययन करेंगे। ये अवधारणाएँ ऊर्जा के स्थानांतरण और रूपांतरण को समझने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण हैं।

You will learn about work done by a force, kinetic and potential energy, the work-energy theorem, conservation of mechanical energy, and power. These concepts are essential for understanding how energy is transferred and transformed.

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Work, Energy and Power: Part 1

कार्य की भौतिक परिभाषा का परिचय, बल और विस्थापन सदिशों का अदिश गुणन (scalar product), और नियत बल द्वारा किए गए कार्य की गणना।

Introduces the physical definition of work, the scalar product of force and displacement vectors, and calculating work done by a constant force.

Work, Energy and Power: Part 2

परिवर्ती बल (variable force) के लिए कार्य-ऊर्जा प्रमेय को कवर करना, जिसमें कार्य की गणना के लिए समाकलन (integral) विधि और इसे गतिज ऊर्जा से जोड़ना शामिल है।

Covers the Work-Energy Theorem for variable forces, including the integral method for calculating work and relating it to kinetic energy.

Work, Energy and Power: Part 3

स्थितिज ऊर्जा (potential energy) की व्याख्या, जिसमें स्प्रिंग की स्थितिज ऊर्जा और वस्तु की गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा शामिल है।

Explains potential energy, including the potential energy of a spring and the gravitational potential energy of an object.

Work, Energy and Power: Part 4

यांत्रिक ऊर्जा संरक्षण के नियम की चर्चा, जिसमें संरक्षी (conservative) और असंरक्षी (non-conservative) बलों के बीच अंतर स्पष्ट किया गया है।

Discusses the Law of Conservation of Mechanical Energy, distinguishing between conservative and non-conservative forces.

Work, Energy and Power: Part 5

एक विमीय टक्करों (collisions) के प्रकारों (प्रत्यास्थ और अप्रत्यास्थ) को कवर करना, जिसमें संवेग और ऊर्जा संरक्षण पर ध्यान केंद्रित किया गया है।

Covers the types of collisions (elastic and inelastic) in one dimension, focusing on the conservation of momentum and energy.

Work, Energy and Power: Part 6

शक्ति (Power) को कार्य करने की दर के रूप में परिभाषित करना और कार्य, ऊर्जा और शक्ति पर आधारित आंकिक प्रश्नों (numerical problems) को हल करने के लिए एक व्यापक सत्र।

Defines power as the rate of doing work and provides a comprehensive session for solving numerical problems on work, energy, and power.

NOTES

Work, Energy and Power

Introduction

Work, Energy and Power are fundamental concepts in physics used to describe the motion and interaction of objects. Work is done when a force causes displacement, energy is the capacity to do work, and power measures the rate at which work is done. These concepts are closely related and are used in mechanics, machines, engineering, and everyday life.


Work

Definition

Work is said to be done when a force acting on an object produces displacement in the direction of the force.

Formula:

W = F s cos θ

where:

  • F = Force
  • s = Displacement
  • θ = Angle between force and displacement

SI Unit: Joule (J)

Work is a scalar quantity.


Positive, Negative and Zero Work

Types of Work

  • Positive Work: When force and displacement are in the same direction.
  • Negative Work: When force and displacement are in opposite directions.
  • Zero Work: When there is no displacement or the force is perpendicular to displacement.

Example: The centripetal force acting on a body in uniform circular motion does zero work.


Work Done by a Variable Force

Variable Force

When the force changes with position, the work done is calculated using the area under the Force-Displacement (F-x) graph.

For a small displacement:

dW = F dx

Total work is obtained by integrating the force over displacement.


Energy

Definition

Energy is the capacity of a body or system to do work.

SI Unit: Joule (J)

Energy can exist in different forms, such as:

  • Kinetic Energy
  • Potential Energy
  • Thermal Energy
  • Chemical Energy
  • Electrical Energy

Kinetic Energy

Energy of Motion

Kinetic Energy is the energy possessed by a body due to its motion.

Formula:

K.E. = ½mv²

where:

  • m = Mass
  • v = Velocity

The kinetic energy increases with the square of velocity.


Work-Energy Theorem

Statement

The Work-Energy Theorem states that the net work done on a body is equal to the change in its kinetic energy.

Wnet = ΔK

or

Wnet = Kf − Ki

This theorem connects work done by a force with the motion of an object.


Potential Energy

Definition

Potential Energy is the energy possessed by an object due to its position or configuration.

Gravitational Potential Energy

For an object at height h:

U = mgh

where:

  • m = Mass
  • g = Acceleration due to gravity
  • h = Height

Elastic Potential Energy

Spring Energy

A stretched or compressed spring stores elastic potential energy.

Formula:

U = ½kx²

where:

  • k = Spring constant
  • x = Extension or compression

Law of Conservation of Energy

Statement

The Law of Conservation of Energy states that energy can neither be created nor destroyed. It can only be transformed from one form to another.

For an isolated system:

Total Energy = Constant


Power

Definition

Power is the rate at which work is done or energy is transferred.

Formula:

P = W/t

SI Unit: Watt (W)

One watt is the power when one joule of work is done in one second.

For a body moving with velocity v:

P = Fv

when force and velocity are in the same direction.


Collision

Definition

A collision is an interaction between two bodies in which they exert large forces on each other for a short period.

Types:

  • Elastic Collision – Both momentum and kinetic energy are conserved.
  • Inelastic Collision – Momentum is conserved, but kinetic energy is not conserved.
  • Perfectly Inelastic Collision – The bodies stick together after collision.

Applications

Importance

The concepts of work, energy, and power are used in:

  • Machines and Engines
  • Vehicles
  • Power Plants
  • Construction
  • Sports
  • Industrial Processes
  • Mechanical Systems

Key Points

  • Work is done when force produces displacement.
  • Work is a scalar quantity.
  • Energy is the capacity to do work.
  • Kinetic energy is ½mv².
  • Potential energy depends on position or configuration.
  • Net work equals change in kinetic energy.
  • Energy is conserved but can change its form.
  • Power is the rate of doing work.
  • SI unit of work and energy is Joule.
  • SI unit of power is Watt.

Chapter Summary

This chapter explains the fundamental concepts of work, energy, and power. It covers work done by constant and variable forces, kinetic and potential energy, the work-energy theorem, conservation of energy, power, and collisions. These principles help us understand how forces transfer energy and how energy changes from one form to another in physical systems.

कार्य, ऊर्जा एवं शक्ति

परिचय

कार्य, ऊर्जा एवं शक्ति भौतिकी की मूलभूत अवधारणाएँ हैं, जिनका उपयोग वस्तुओं की गति और उनके बीच होने वाली क्रियाओं को समझने के लिए किया जाता है। जब कोई बल किसी वस्तु में विस्थापन उत्पन्न करता है, तो कार्य होता है। ऊर्जा कार्य करने की क्षमता है, जबकि शक्ति कार्य करने की दर को दर्शाती है।


कार्य (Work)

परिभाषा

जब किसी वस्तु पर लगाया गया बल उस वस्तु में बल की दिशा में विस्थापन उत्पन्न करता है, तो कहा जाता है कि कार्य किया गया है

सूत्र—

W = F s cos θ

जहाँ—

  • F = बल
  • s = विस्थापन
  • θ = बल और विस्थापन के बीच कोण

SI मात्रक: जूल (J)

कार्य एक अदिश राशि है।


धनात्मक, ऋणात्मक एवं शून्य कार्य

कार्य के प्रकार

  • धनात्मक कार्य: बल और विस्थापन एक ही दिशा में हों।
  • ऋणात्मक कार्य: बल और विस्थापन विपरीत दिशाओं में हों।
  • शून्य कार्य: विस्थापन शून्य हो या बल विस्थापन के लंबवत हो।

उदाहरण: एकसमान वृत्तीय गति में अभिकेंद्रीय बल द्वारा किया गया कार्य शून्य होता है।


परिवर्ती बल द्वारा कार्य

परिवर्ती बल

जब बल स्थिति के साथ बदलता है, तो किया गया कार्य बल-विस्थापन (F-x) ग्राफ के नीचे के क्षेत्रफल द्वारा ज्ञात किया जा सकता है।

अल्प विस्थापन के लिए—

dW = F dx

कुल कार्य ज्ञात करने के लिए बल को विस्थापन के साथ समाकलित किया जाता है।


ऊर्जा (Energy)

परिभाषा

ऊर्जा किसी वस्तु या निकाय की कार्य करने की क्षमता है।

SI मात्रक: जूल (J)

ऊर्जा के विभिन्न रूप हैं—

  • गतिज ऊर्जा
  • स्थितिज ऊर्जा
  • ऊष्मीय ऊर्जा
  • रासायनिक ऊर्जा
  • विद्युत ऊर्जा

गतिज ऊर्जा (Kinetic Energy)

गति के कारण ऊर्जा

गतिज ऊर्जा वह ऊर्जा है जो किसी वस्तु में उसकी गति के कारण होती है।

सूत्र—

K.E. = ½mv²

जहाँ—

  • m = द्रव्यमान
  • v = वेग

गतिज ऊर्जा वेग के वर्ग के समानुपाती होती है।


कार्य-ऊर्जा प्रमेय

कथन

कार्य-ऊर्जा प्रमेय के अनुसार किसी वस्तु पर किया गया कुल कार्य उसकी गतिज ऊर्जा में परिवर्तन के बराबर होता है

Wnet = ΔK

या

Wnet = Kf − Ki

यह प्रमेय कार्य और वस्तु की गति के बीच संबंध बताता है।


स्थितिज ऊर्जा (Potential Energy)

परिभाषा

स्थितिज ऊर्जा किसी वस्तु की स्थिति या विन्यास के कारण उसमें संचित ऊर्जा है।

गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा

ऊँचाई h पर स्थित वस्तु की स्थितिज ऊर्जा—

U = mgh

जहाँ—

  • m = द्रव्यमान
  • g = गुरुत्वीय त्वरण
  • h = ऊँचाई

प्रत्यास्थ स्थितिज ऊर्जा

स्प्रिंग की ऊर्जा

खींचे या दबाए गए स्प्रिंग में प्रत्यास्थ स्थितिज ऊर्जा संचित होती है।

सूत्र—

U = ½kx²

जहाँ—

  • k = स्प्रिंग नियतांक
  • x = खिंचाव या संपीड़न

ऊर्जा संरक्षण का नियम

कथन

ऊर्जा संरक्षण का नियम कहता है कि ऊर्जा को न तो उत्पन्न किया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है। यह केवल एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित हो सकती है।

एक पृथक निकाय के लिए—

कुल ऊर्जा = नियत


शक्ति (Power)

परिभाषा

शक्ति कार्य करने या ऊर्जा स्थानांतरित करने की दर है।

सूत्र—

P = W/t

SI मात्रक: वाट (W)

एक वाट वह शक्ति है जिसमें एक सेकंड में एक जूल कार्य किया जाता है।

यदि वस्तु का वेग v है, तो—

P = Fv

जब बल और वेग एक ही दिशा में हों।


टक्कर (Collision)

परिभाषा

टक्कर दो वस्तुओं के बीच होने वाली ऐसी क्रिया है जिसमें वे बहुत कम समय के लिए एक-दूसरे पर बड़े बल लगाती हैं।

प्रकार—

  • प्रत्यास्थ टक्कर: संवेग और गतिज ऊर्जा दोनों संरक्षित रहते हैं।
  • अप्रत्यास्थ टक्कर: संवेग संरक्षित रहता है, लेकिन गतिज ऊर्जा संरक्षित नहीं रहती।
  • पूर्णतः अप्रत्यास्थ टक्कर: टक्कर के बाद दोनों वस्तुएँ एक साथ चिपक जाती हैं।

अनुप्रयोग

महत्व

कार्य, ऊर्जा और शक्ति की अवधारणाओं का उपयोग—

  • मशीनों और इंजनों
  • वाहनों
  • विद्युत संयंत्रों
  • निर्माण कार्य
  • खेल
  • औद्योगिक प्रक्रियाओं
  • यांत्रिक प्रणालियों

में किया जाता है।


मुख्य बिंदु

  • बल द्वारा विस्थापन उत्पन्न होने पर कार्य होता है।
  • कार्य एक अदिश राशि है।
  • ऊर्जा कार्य करने की क्षमता है।
  • गतिज ऊर्जा का सूत्र ½mv² है।
  • स्थितिज ऊर्जा वस्तु की स्थिति या विन्यास पर निर्भर करती है।
  • कुल कार्य गतिज ऊर्जा में परिवर्तन के बराबर होता है।
  • ऊर्जा नष्ट या उत्पन्न नहीं होती, केवल रूप बदलती है।
  • शक्ति कार्य करने की दर है।
  • कार्य और ऊर्जा का SI मात्रक जूल है।
  • शक्ति का SI मात्रक वाट है।

अध्याय सारांश

इस अध्याय में कार्य, ऊर्जा एवं शक्ति की मूलभूत अवधारणाओं का अध्ययन किया गया है। इसमें स्थिर और परिवर्ती बल द्वारा कार्य, गतिज एवं स्थितिज ऊर्जा, कार्य-ऊर्जा प्रमेय, ऊर्जा संरक्षण का नियम, शक्ति तथा टक्कर का अध्ययन शामिल है। ये सिद्धांत यह समझने में सहायता करते हैं कि बल किस प्रकार ऊर्जा का स्थानांतरण करता है और ऊर्जा एक रूप से दूसरे रूप में कैसे परिवर्तित होती है।