Vertical Motion Under Gravity
1.गुरुत्वाकर्षण के अधीन उर्ध्वाधर गति (Vertical Motion Under Gravity),वेग के वर्ग-समानुपाती प्रतिरोध के अधीन एक कण की उर्ध्वाधर गति (Vertical Motion of a Particle Under Resistance Varies as Square of Velocity):
गुरुत्वाकर्षण के अधीन उर्ध्वाधर गति (Vertical Motion Under Gravity) कर रहे कण पर आधारित सवालों को हल करके गुरुत्वाकर्षण के अधीन कण एक ऐसे माध्यम में होकर गिरता है जिसका प्रतिरोध उसके वेग के वर्ग के समानुपाती है,समझने का प्रयास करेंगे।
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2.गुरुत्वाकर्षण के अधीन उर्ध्वाधर गति पर आधारित उदाहरण (Illustration Based on Vertical Motion Under Gravity):
Illustration:1.एक कण को गुरुत्वाकर्षण के तहत प्रक्षेपित किया जाता है,हवा का प्रतिरोध वेग के विपरीत एक त्वरण उत्पन्न करता है और संख्यात्मक रूप से kv2 के बराबर होता है,जहाँ v वेग है और k एक स्थिरांक है।यदि प्रारम्भिक वेग V है और gkV2 का वर्ग उपेक्षित हो सकता है,तो दिखाएं कि कण अपनी उच्चतम ऊँचाई तक समय gV−3g2kV2 में पहुँचता है तथा उच्चतम लम्ब 2gV2−4g2kV4 है
यदि प्रारम्भिक वेग,उर्ध्वाधर घटक V के अलावा,एक छोटा क्षैतिज घटक U है और प्रतिरोध उसी नियम का पालन करता है,तो दिखाएं कि जब कण मूल स्तर पर लौटता है तो इसका क्षैतिज वेग लगभग होता है:
ve−gkv2
(A particle is projected vertically upwards under gravity.The resistance of the air produces an acceleration opposite of the velocity and numerically equal to kv2 ,where v is the velocity and k a constant.If the initial velocity is V and the square of gkV2 can be neglected,show that the particle reaches its highest point in time gV−3g2kV2 and that the greatest altitude reached is
2gV2−4g2kV4
If the initial velocity,in addition to the vertical component V,has a small horizontal component V,and the resistance follows the same law,show that when the particle returns to the original level,its horizontal velocity is approximately ve−gkv2 .)
Solution:प्रतिरोध=kv2
ऊपर की ओर गति का समीकरण
vdxdv=−g−kv2=−k(kg+v2)⋯(1)⇒kg+v22vdv=−2kdx
समाकलन करने पर:
log(kg+v2)=−2kx+C
प्रारम्भ में v=V,x=0 ∴C=log(kg+V2)∴log(kg+v2)=−2kx+log(kg+V2)⇒2kx=log(kg+v2kg+V2)⋯(2)
उच्चतम बिन्दु पर v=0,माना x=h तब समीकरण (2) से
2kh=log(KgKg+V2)=log(1+gkV2)=gkV2−21g2k2V4
[ log(1+gkV2) का विस्तार करने पर:]
⇒h=2gv2−4g2kV4
कण द्वारा समीकरण उच्चतम लम्ब (ऊँचाई) तक पहुँचने का समीकरण देती है।
समीकरण (1) को लिखा जा सकता है:
dtdv=−k(kg+v2)⇒kg+v2dv=−kdt
समाकलन करने पर:
kg1tan−1(vgk)=−kt+D⋯(3)
प्रारम्भ में जब t=0,v=V
∴D=kg1tan−1(Vgk)
अतः समीकरण (3) से:
t=kg1[tan−1(Vgk)−tan−1(vgk)]⋯(4)
यदि उच्चतम लम्ब तक पहुँचने में लगा समय t’ है तब समीकरण (4) में v=0 तथा t=t’ रखने पर:
t′=kg1tan−1(Vgk)=kg1[(gk)V−31(gk)23V3+⋯]=gV−3g2kV3
( gkV2 का वर्ग तथा उच्चतम घातों की उपेक्षा करने पर)
जो कि अभीष्ट समय है।
अब जब क्षैतिज वेग V है,तब समय t में क्षैतिज तय की गई दूरी y है।क्षैतिज दिशा में गति का समीकरण:
dt2d2y=−kv2cosψdt2d2y=−k(dtds)2dsdy[∵V=dtds तथा cosψ=dsdy] =−kdtds⋅dtdy⇒dtdydt2d2y=−kdtds
समाकलन करने पर:
log(dtdy)=−ks+A
समाकलन करने पर:
प्रारम्भ में जब s=0 , dtdy=V∴A=logU∴log(dtdy)=−ks+logU⇒dtdy=Ue−ks⋯(5)
U छोटा है और प्रतिरोधी माध्यम के कारण घटेगा तथा क्षैतिज तय की गई दूरी बहुत कम है तथा उर्ध्वाधर गति की तुलना में उपेक्षा कर सकते हैं।अतः उच्चतम लम्ब का दुगुना लगभग s ले सकते हैं जब कण पुनः तल पर पहुँचता है:
ks=2k (greatest altitude I.e. h)
=2kh=gkV2−21g2k2V4 (h का मान रखने पर)
समीकरण (5) से:
dtdy=ue−gkV2
यह वेग का क्षैतिज घटक है।
Illustration:2.द्रव्यमान m का एक कण पृथ्वी के केन्द्र से a दूरी पर विरामावस्था से गिरता है,गति v वेग के वर्ग के आनुपातिक एक छोटे प्रतिरोध के साथ मिलती है और इकाई वेग के लिए मंदता μ होती है,दिखाएँ कि केन्द्र से x दूरी पर गतिज ऊर्जा है।
mgr2[x1−a1+2μ(1−ax)−2μlog(xa)]μ के वर्ग की उपेक्षा कर दी जाती है तथा r पृथ्वी की त्रिज्या है।
(A particle of mass m falls from rest at a distance a from the centre of the earth,the motion meeting a small resistance proportional to the square of the velocity v and the retardation being μ for unit velocity,show that the kinetic energy at a distance x from the centre is
mgr2[x1−a1+2μ(1−ax)−2μlog(xa)]μ the square of being neglected and r is the radius of the earth.)
Solution:माना पृथ्वी का केन्द्र O,जो निश्चित बिन्दु है।अतः कण O की ओर गिर रहा है।माना किसी क्षण कण की स्थिति P, O से x दूरी पर है।P पर कण पर निम्नलिखित बल कार्यरत हैं:
(1) x2λ आकर्षण पृथ्वी के केन्द्र की ओर अर्थात् x घटने की ओर
(3)माध्यम का प्रतिरोध μv2 , O से दूर अर्थात् x बढ़ने की ओर।
अतः कण की गति का समीकरण:
vdxdv=μv2−x2λ⋯(1)
पृथ्वी के तल पर गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण g होगा:
g=r2λ[∵x=r]⇒λ=gr2⋯(2)
(1) व (2) से:
vdxdv=μv2−x2gr2⇒21dxdv2−μv2=−x2gr2⇒dxdv2−2μv2=−x22gr2⋯(3)
यह v2 में रैखिक अवकल समीकरण है अतः
समाकलन गुणक (I.F.)=e∫−2μdx=e−2μx
(3) के दोनों पक्षों को e−2μx से गुणा करके समाकलन करने पर:
v2e−2μx=−2gr2∫x21e−2μxdx+C⇒v2(1−2μx)=−2gr2∫x21(1−2μx)dx+C
[ e−2μx का विस्तार करने एवं μ की उच्चतम घातों को नगण्य मानने पर]
⇒v2(1−2μx)=−2gr2∫[x21−x2μ]dx+C=−2gr2[−x1−2μlogu]+C⋯(4)
प्रारम्भ में जब x=0 तो v=0
∴C=2gr2(−a1−2μloga)∴v2(1−2μx)=2gr2(x1+2μlogx)+2gr2(−a1−2μloga)=2gr2[x1−a1−2μlogxa]⇒v2=2gr2[x1−a1⋅2μlogxa](1−2μx)−1=2gr2[x1−a1−2μlogxa](1+2μx+⋯)=2gr2[x1−a1+(x1−a1)2 mux−2μlogxa]
[ μ का वर्ग और उच्चतम घातों को नगण्य मानने पर]
O (पृथ्वी के केन्द्र) से x दूरी पर कण की गतिज ऊर्जा =21mv2=mgr2[x1−a1+2μx(x1−a1)−2μlogxa]=mgr2[x1−a1+2μ(1−ax)−2μlogxa]
Illustration:3.किसी माध्यम में चलने वाले दो कण वेग के वर्ग के अनुसार गति करते हैं।एक को h ऊँचाई से गिरने दिया जाता है और दूसरे को उसी क्षण ऊपर की ओर प्रक्षेपित किया जाता है जिसका प्रारम्भिक वेग h ऊँचाई तक ले जाने के लिए पर्याप्त होता है।दर्शाइए कि कण cosh⋅cos(α−β)=1 द्वारा दिए गए उच्चतम बिन्दु के नीचे y की गहराई पर मिलते हैं जहाँ gy=V2logcoshβ तथा gh=V2secα ,V टर्मिनल वेग है।
(Two particles move in a medium whose resistance varies as square of the velocity.One is let fall from a height h and the other projected upwards at the same instant with initial velocity sufficient to carry it to a height h.Show that the particles meet at a depth y below the heightest point given by cosh⋅cos(α−β)=1 where gy=V2logcoshβ and gh=V2secα , V being the terminal velocity)
Solution:माना कि O से नीचे y गहराई पर t समय पश्चात P बिन्दु पर मिलते हैं तब
(प्रतिरोध वेग के वर्ग समानुपाती वाले सूत्र से)
∴gy=V2logcoshβ जहाँ β=vgt
पुनः यदि कण u वेग से प्रक्षेपित किया जाता है,तब
V22gx=logV2+v2V2+u2⋯(2)
(प्रतिरोध वेग के वर्ग-समानुपाती सूत्र से)
उच्चतम ऊँचाई h है तब v=0 तथा x=h
∴V22gh=logV2V2+u2=log(1+V2u2)⋯(3)
यदि Vu=tanα तब
V22g⋅h=log(1+tan2α)=logsec2α=2logsecα∴gh=V2logsecα⋯(4)
यदि P पर किसी समय t पर वेग v है जहाँ x=OP=h-y, तब (यह समय t समीकरण (1) से वही है प्रक्षेपित किया जाता है जबकि दूसरा कण उसी समय गिरता है)
t=gV(tan−1Vu−tan−1Vv)
तथा ∴V22g(h−y)=logV2+v2V2+u2 [(2) से]…….(5)
∴V22gh−V22gy=log(1+V2u2)−log(1+V2v2)⇒V22gy=log(1+V2v2) [(3) से]
⇒2logcoshβ=log(1+V2v2) [(1) से]
⇒cosh2β=1+V2v2⇒coshβ−1=V2v2⇒sinhβ=Vv⋯(6)Vgt(tan−1Vu−tan−1Vv) [(5) से]
β=tan−1(tanα)−tan−1(sinhβ) [(1) व (6) से]
⇒tan−1(sinhβ)=α−β⇒sinhβ=tan(α−β)⇒cos(α−β)=(1+tan2(α−β))1=1+sinh2β1=coshβ1∴coshβcos(α−β)=1⋯(7)
(1),(4),(7) से अभीष्ट परिणाम सिद्ध हुआ।
Illustration:4.एक कण को एक माध्यम में प्रक्षेपित किया जाता है जिसका प्रतिरोध gVv है जहाँ वेग v है।यदि V प्रक्षेप वेग u की तुलना में बड़ा है,उर्ध्वाधर ऊँचाई तक पहुँच गया,चढ़ाई का समय और नीचे गिरने का समय उनके मूल्यों के भिन्न 3V2u,21Vu तथा 61Vu लिया जाता है जब कोई प्रतिरोध नहीं होता है तथा कण प्रक्षेप बिन्दु पर वेग u(1−32Vu) से लौटता है।
(A particle is projected in a medium whose resistance is gVv where v is the velocity.If V be large compared to u the velocity of projection, the vertical height reached, the time of ascent and the time of descent are described respectively by fraction 3V2u,21Vu and 61Vu of their values when there is no resistance and that the particle returns to the point of projection with velocity u(1−32Vu)
Solution:प्रतिरोध=gVv
गति का समीकरण
dt2d2x=−g−gVv=−g(1+Vv)⇒vdxdv=−Vg(V+v)⋯(1)∫V+vv+V−Vdv=∫−Vgdx⇒v−Vlog(V+v)=−Vgx+A
जब x=0,v=u (दिया है)
∴u−Vlog(V+u)=A∴v−Vlog(V+v)=−Vgx+u−Vlog(V+u)∴Vgx=u−v+VlogV+uV+v
उच्चतम ऊँचाई पर x=h,v=0
∴Vgh=u+VlogV+uV=1h=gVu+gV2logV+uV⋯(2)
उच्चतम ऊँचाई तक समय ज्ञात करने के लिए गति का समीकरण
dtdv=−Vg(V+v)⇒∫V+vdv=−∫Vgdtlog(V+v)=−Vgt+B
जब t=0,v=u∴B=log(V+u)∴log(V+uV+v)=−Vgt1logV+uV=−Vgt1⇒t1=−gVlogV+uV⋯(3)=gVlog(VV+u)=gVlog(1+Vu)=gV(Vu−2V2u2+⋯)Vu उच्चतम ऊँचाई पर v=0 तथा समय t1 लिया हो तो
की उच्चतम घातों को नगण्य मानने पर:
⇒t1=gu−2Vgu2
जब प्रतिरोध नहीं है तो कण द्वारा लिया गया समय T1=T2=gu
उच्चतम ऊँचाई H=2gu2⋯(4)
अतः t1=T1−T1⋅2Vu
अतः समय में कमी=T1−t1=T1−(T1−T12Vu)=T1⋅2Vu=2Vu of the time when there is no resistance
h=greatest height
=gVu+gV2logV+uV [(2) से]
=gVu−gV2logVV+u=gVu−gV2log(1+Vu)=gVu−gV2(Vu−21V2u2+31V3u3)
(उच्चतम घातों को नगण्य मानने पर)
=gVu−gVu+2gu2−3Vgu3⇒h=H−32VuH [(4) से]
ऊँचाई में कमी=H−h=H−(H−32VuH)=32VuH=32Vu of the height when there is no resistance
गिरते समय कण की गति का समीकरण
dt2d2x=g−gVu⇒∫dtdv=∫Vg(V−v)⇒−log(V−v)=Vgt+D
(टाॅप पर) जब t=0,v=0 तो D=−logV∴logV−log(V−v)=Vgt⇒logV−vV=Vgt
जब कण प्रक्षेप बिन्दु पर समय t2 बाद वेग u(1−32Vu) से पहुँचता है तो
logV−u(1−32Vu)V=Vgt2⇒t2=gVlog(V−u+32VVu2)=−gV(VV−u+32Vu2)=−gVlog(1−(Vu−32V2u2))=−gV[−(Vu−32V2u2)−21(Vu−32V2u2)2−⋯]
उच्चतम घातों को नगण्य मानने पर:
=−gV(V−u+32V2u2−21V2u2)=−gV(−Vu+61V2u2)=gu−61Vgu2=T2−61VuT2
अतः समय में कमी=T2−t2=T2−(T2−61VuT2)=61⋅VuT2=61⋅Vu of the time when there is no resistance
उपर्युक्त उदाहरणों के द्वारा गुरुत्वाकर्षण के अधीन उर्ध्वाधर गति (Vertical Motion Under Gravity),वेग के वर्ग-समानुपाती प्रतिरोध के अधीन एक कण की उर्ध्वाधर गति (Vertical Motion of a Particle Under Resistance Varies as Square of Velocity) को समझ सकते हैं।
Also Read This Article:- Theorem of Parallel Axes in Dynamics
3.गुरुत्वाकर्षण के अधीन उर्ध्वाधर गति (Frequently Asked Questions Related to Vertical Motion Under Gravity),वेग के वर्ग-समानुपाती प्रतिरोध के अधीन एक कण की उर्ध्वाधर गति (Vertical Motion of a Particle Under Resistance Varies as Square of Velocity) से सम्बन्धित अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न:
प्रश्न:1.प्रतिरोधी माध्यम में सरल रेखीय गति के विभिन्न सूत्र लिखो। (Write All Formulas of Resistance of Rectilinear Motion in Resisting Medium):
उत्तर:(1.) कण को प्रतिरोधी माध्यम जिसका प्रतिरोध वेग के वर्गानुपाती गुरुत्वाकर्षण के अधीन u वेग से ऊपर फेंका जाता है
(i) dt2d2x=−V2g(V2+v2)
(ii) V22gxlog(V2+v2V2+u2)
(iii) t=gV(tan−1Vu−tan−1Vv)
(2.)कण को प्रतिरोधी माध्यम जिसका प्रतिरोध वेग के वर्गानुपाती गुरुत्वाकर्षण के अधीन गिरता है
(i) dt2d2x=g(1−V2v2)
(ii) v2=V2(1−e(−V22g)x)
(iii) v=VtanhVgt
(iv) x=gv2logcoshVgt
प्रश्न:2.प्रतिरोधी माध्यम जिसका प्रतिरोध वेग के वर्गानुपाती हो में कण का उड्डयन काल कैसे ज्ञात करते हैं? (How is the Time of Flight of a particle in a Resisting Medium Whose Resistance is Square to Velocity?):
उत्तर:प्रश्न 1(iii) के उत्तर में v=0,t=T रखने पर:
T=gutanVu
प्रश्न:3.प्रतिरोधी माध्यम जिसका प्रतिरोध वेग के वर्गानुपाती हो में कण द्वारा तय की गई अधिकतम ऊँचाई कैसे ज्ञात करते हैं? (How to Determine the Greatest Height Moved by the Particle in a Resisting Medium by the Particle Whose Resistance is Square to Velocity?):
उत्तर:अधिकतम ऊँचाई पर कण का वेग v=0 तथा x=H प्रश्न के उत्तर 1(ii) में रखने पर:
V22gH=log(V2V2+u2)⇒H=2gV2log(1+V2u2)
1(iii) से V2u2=tan2(Vg)T रखने पर:
H=2gV2log(1+tan2(Vg)T)H=2gV2logsec(VgT)
उपर्युक्त प्रश्नों के उत्तर द्वारा गुरुत्वाकर्षण के अधीन उर्ध्वाधर गति (Vertical Motion Under Gravity),वेग के वर्ग-समानुपाती प्रतिरोध के अधीन एक कण की उर्ध्वाधर गति (Vertical Motion of a Particle Under Resistance Varies as Square of Velocity) के बारे में ओर अधिक जानकारी प्राप्त कर सकते हैं।
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गुरुत्वाकर्षण के अधीन उर्ध्वाधर गति
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गुरुत्वाकर्षण के अधीन उर्ध्वाधर गति (Vertical Motion Under Gravity) कर रहे कण पर
आधारित सवालों को हल करके गुरुत्वाकर्षण के अधीन कण एक ऐसे माध्यम में होकर गिरता है
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Satyam
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