ch03

जडत्व म्हणजे वस्तूच्या विश्रांतीच्या किंवा गतीच्या स्थितीत बदल करण्यास विरोध करण्याचा नैसर्गिक गुणधर्म. बल प्रयुक्त केल्याशिवाय वस्तू आपली स्थिती बदलत नाही.

• बलाचे परिणाम:
• स्थिर वस्तूला गती देणे.
• गतिमान वस्तूची चाल आणि दिशा बदलणे.
• गतिमान वस्तूला थांबवणे.
• वस्तूचा आकार बदलणे (उदा. कणिक मळणे, रबरबँड ताणणे).

• बलाचे प्रकार (प्रयुक्ततेनुसार):
• एकाच दिशेने अनेक बले: वस्तूवर प्रयुक्त होणारे निव्वळ बल = सर्व बलांची बेरीज.
• विरुद्ध दिशेने बले: वस्तूवर प्रयुक्त होणारे निव्वळ बल = बलांमधील फरक.

• बल ही सदिश राशी आहे. (परिमाण आणि दिशा दोन्ही असतात).

• जडत्वाचे प्रकार:

1. विराम अवस्थेतील जडत्व:

• व्याख्या: वस्तूच्या ज्या नैसर्गिक गुणधर्मामुळे ती आपल्या विराम अवस्थेत बदल करू शकत नाही.
• उदाहरण: बस अचानक सुरू झाल्यावर प्रवासी मागे फेकले जातात. (Activity 3.2 मध्ये नाणे पेलात पडते, कारण नाणे विराम अवस्थेत राहण्याचा प्रयत्न करते).

1. गतीचे जडत्व:

• व्याख्या: वस्तूच्या ज्या नैसर्गिक गुणधर्मामुळे गतिमान अवस्थेत बदल होऊ शकत नाही.
• उदाहरण: फिरणारा पंखा बंद केल्यावरही काही वेळ फिरत राहतो; बस अचानक थांबल्यावर प्रवासी पुढे फेकले जातात.

1. दिशेचे जडत्व:

• व्याख्या: वस्तूच्या ज्या नैसर्गिक गुणधर्मामुळे ती आपल्या गतीची दिशा बदलू शकत नाही.
• उदाहरण: वाहन सरळ रेषेत गतिमान असताना अचानक वळण घेतल्यास प्रवासी विरुद्ध दिशेला फेकले जातात.

• Activity 3.3: दोरा 2 झटका देऊन ओढल्यास तो तुटतो, कारण जड वस्तू जागेवरून हलत नाही. हळू ओढल्यास दोरा 1 तुटतो, कारण वस्तूच्या वजनामुळे दोरा 1 वर ताण येतो.

• दाब (Pressure):
• व्याख्या: एकक क्षेत्रफळावर लंब दिशेत प्रयुक्त असणाऱ्या बलास दाब असे म्हणतात.
• सूत्र: दाब \(P = \frac{\text{बल (F)}}{\text{क्षेत्रफळ (A)}}\) (\(P = \frac{F}{A}\))

• दाबाचे एकक:
• SI पद्धतीत बलाचे एकक = न्यूटन (N).
• SI पद्धतीत क्षेत्रफळाचे एकक = चौरस मीटर (\(m^2\)).
• म्हणून दाबाचे SI एकक = \(N/m^2\) किंवा पास्कल (Pa).
• 1 पास्कल (Pa) = 1 N/m²
• हवामानशास्त्रात दाबाचे एकक = बार (bar).
• 1 बार = \(10^5\) Pa

• दाब ही अदिश राशी आहे. (फक्त परिमाण असते, दिशा नसते).

• दाबावर परिणाम करणारे घटक:
• क्षेत्रफळ वाढल्यास: त्याच बलाला दाब कमी होतो.
• क्षेत्रफळ कमी झाल्यास: त्याच बलाला दाब वाढतो.

• दैनंदिन जीवनातील उदाहरणे (दाबाचे उपयोजन):
• खिळ्याच्या टोकदार भागाकडून खिळा लाकडात सहज घुसतो, कारण क्षेत्रफळ कमी असल्याने दाब वाढतो. (Activity 3.4)
• धारदार सुरीने भाजी/फळे कापणे सोपे जाते, कारण धार कमी क्षेत्रफळावर बल प्रयुक्त करते.
• उंटाच्या पायांचे तळवे पसरट असतात, त्यामुळे वाळूवर पडणारा दाब कमी होतो आणि उंटाचे पाय वाळूत घुसत नाहीत.
• भाजीवाली डोक्यावर कापडाची चुंबळ ठेवते, कारण त्यामुळे संपर्क क्षेत्रफळ वाढून डोक्यावरचा दाब कमी होतो.
• बर्फावरून घसरण्यासाठी पसरट फळ्या वापरतात, कारण त्यामुळे दाब कमी होऊन बर्फात पाय रुतत नाहीत.

• स्थायूंवरील दाब:
• हवेतील सर्व स्थायूंवर हवेचा दाब असतो.
• स्थायूवर वजन ठेवल्यास दाब पडतो, जो वजनावर आणि संपर्क क्षेत्रफळावर अवलंबून असतो.

• द्रवाच्या दाबाची वैशिष्ट्ये:
• द्रव ज्या पात्रात असतो, त्या पात्राच्या भिंतींवर आणि तळावर दाब प्रयुक्त करतो.
• सर्व दिशांना दाब: द्रव सर्व दिशांना दाब प्रयुक्त करतो. (Activity 3.5: बाटलीत पाणी भरल्यावर फुगा फुगतो, कारण पाणी बाटलीच्या बाजूवरही दाब प्रयुक्त करते).
• खोलीनुसार दाबात वाढ: द्रवाची खोली वाढल्यास दाब वाढतो. (Activity 3.6: बाटलीतील खालच्या छिद्रातून पाण्याची धार जास्त दूर पडते, कारण खोली जास्त असल्याने दाब जास्त असतो).
• एकाच पातळीत दाब समान: एकाच पातळीतील दोन छिद्रांमधून पाण्याच्या धारा समान अंतरावर पडतात, कारण एकाच पातळीत द्रवाचा दाब समान असतो.

• वायूचा दाब (Gas Pressure):
• वायू सुद्धा द्रवाप्रमाणेच ज्या पात्रात बंदिस्त आहे, त्या पात्राच्या भिंतींवर दाब देतो.
• फुगा तोंडातून हवा भरून फुगवताना तो सर्व बाजूंनी फुगतो, कारण वायू सर्व दिशांना दाब प्रयुक्त करतो.
• द्रायू (Fluid): सर्व द्रव आणि वायू यांना द्रायू असे म्हणतात. द्रायू पात्राच्या सर्वच पृष्ठभागावर, भिंतीवर आणि तळावर आतून दाब प्रयुक्त करतात.
• बंदिस्त द्रायूमधील दाब सर्व दिशांना समानरूपाने प्रयुक्त होतो.

• वातावरण: पृथ्वीवर सर्व बाजूंनी हवेचे आवरण आहे, या आवरणाला वातावरण म्हणतात.
• पृथ्वीच्या पृष्ठभागापासून सुमारे 16 km उंचीपर्यंत हे वातावरण आहे, त्यानंतर सुमारे 400 km पर्यंत ते अतिशय विरल स्वरूपात असते.

• वातावरणीय दाब:
• व्याख्या: हवेमुळे निर्माण झालेल्या दाबाला वातावरणीय दाब असे संबोधले जाते.
• संकल्पना: एकक क्षेत्रफळाच्या पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर उभ्या असलेल्या हवेच्या लांबच लांब पोकळ दंडगोलाचे वजन म्हणजे वातावरणीय दाब.
• समुद्रसपाटीवरील दाब: समुद्रसपाटीला असणाऱ्या हवेच्या दाबाला 1 ॲटमॉस्फियर (Atmosphere) म्हणतात.
• 1 ॲटमॉस्फियर = \(101 \times 10^3\) Pa = 1 बार = \(10^3\) mbar
• 1 mbar \(\approx 10^2\) Pa (हेक्टोपास्कल).
• वातावरणीय दाब mbar किंवा हेक्टोपास्कल (hPa) या एककामध्ये सांगितला जातो.

• उंचीनुसार वातावरणीय दाबात बदल:
• जसजसे समुद्रसपाटीपासून वर जाऊ, तसतसा हवेचा दाब कमी कमी होतो.
• कारण, वरच्या उंचीवर हवेचा स्तंभ कमी असतो आणि हवेची घनताही कमी होते.

• दाब कसा तयार होतो?
• बंदिस्त पात्रात हवा असल्यास, हवेचे रेणू यादृच्छिक गतीने पात्राच्या बाजूंवर आदळतात.
• या आंतरक्रियेत पात्राच्या बाजूंवर बल प्रयुक्त होते, ज्यामुळे दाब तयार होतो.

• आपल्या शरीरावर वातावरणीय दाबाचा परिणाम:
• आपण वातावरणाचा दाब सतत डोक्यावर बाळगत असतो.
• परंतु, आपल्या शरीरातील पोकळ्यांमध्ये हवा असते आणि रक्तवाहिन्यांमध्ये रक्त असते, त्यातील दाब वातावरणीय दाबाएवढाच असतो.
• त्यामुळे पाणी व वातावरणीय दाबाखाली आपण चिरडले जात नाही; वातावरणाचा दाब संतुलित होतो.

• महत्त्वाचे: 1 \(m^2\) पृष्ठभाग असलेल्या टेबलावर समुद्रसपाटीस \(101 \times 10^3\) Pa इतका दाब प्रयुक्त असतो, तरीही टेबलाचा पृष्ठभाग तुटून कोसळत नाही, कारण टेबलाच्या आतूनही वातावरणीय दाब प्रयुक्त असतो, जो बाहेरील दाबाला संतुलित करतो.

• प्लावक बल (Buoyant Force, \(F_b\)):
• व्याख्या: पाण्यात किंवा अन्य द्रवात किंवा वायूत असलेल्या वस्तूवर वरच्या दिशेने प्रयुक्त होणाऱ्या बलाला प्लावक बल असे म्हणतात.
• परिणाम: द्रवात बुडवलेल्या वस्तूवर प्लावक बल प्रयुक्त होत असल्याने वस्तूचे वजन कमी झाल्याचे जाणवते. (उदा. विहिरीतून बादली ओढताना पाण्यात हलकी वाटते).

• प्लावक बल कशावर अवलंबून असते?

1. वस्तूचे आकारमान (Volume): द्रवात बुडणाऱ्या वस्तूचे आकारमान जास्त असल्यास प्लावक बल जास्त असते.

• उदा. ॲल्युमिनियमचा पातळ पत्रा पाण्यात बुडतो, पण त्याच पत्र्यापासून बनवलेली बोट तरंगते, कारण बोटीचे आकारमान जास्त असते.

1. द्रवाची घनता (Density of Liquid): जितकी जास्त द्रवाची घनता, तितके प्लावक बल जास्त असते.

• उदा. गोड्या पाण्याच्या तलावात पोहण्यापेक्षा समुद्राच्या पाण्यात पोहणे सोपे जाते, कारण समुद्राच्या पाण्याची घनता जास्त असते (क्षारामुळे).
• लिंबू साध्या पाण्यात बुडते, पण मिठाच्या पाण्यात तरंगते, कारण मिठाने पाण्याची घनता वाढते आणि प्लावक बल गुरुत्वीय बलापेक्षा जास्त होते.

• वस्तू तरंगेल की बुडेल हे कसे ठरते?
• प्लावक बल वस्तूच्या वजनापेक्षा जास्त असेल, तर वस्तू तरंगते.
• प्लावक बल वस्तूच्या वजनापेक्षा कमी असेल, तर वस्तू बुडते.
• प्लावक बल वस्तूच्या वजनाएवढे असेल, तर वस्तू द्रवामध्ये तरंगत राहते.

• संतुलित व असंतुलित प्लावक बल:
• जेव्हा वस्तू तरंगते, तेव्हा गुरुत्वीय बल (\(F_g\)) आणि प्लावक बल (\(F_b\)) संतुलित झालेले असतात. (\(F_b = F_g\))
• जेव्हा वस्तू बुडते, तेव्हा गुरुत्वीय बल प्लावक बलापेक्षा जास्त असते. (\(F_g > F_b\))

• आर्किमिडीजचे तत्त्व:
• विधान: एखादी वस्तू द्रायूमध्ये अंशत: अथवा पूर्णतः बुडविल्यास, तिच्यावर वरील दिशेने बल प्रयुक्त होते. हे बल त्या वस्तूने बाजूस सारलेल्या द्रायूच्या वजनाइतके असते.
• गणितीय स्वरूप: प्लावक बल \(F_b = \) वस्तूने विस्थापित केलेल्या द्रायूचे वजन.

• आर्किमिडीजच्या तत्त्वाची उपयुक्तता:
• जहाजे, पाणबुड्या यांच्या रचनेत हे तत्त्व वापरले जाते.
• दुग्धतामापी (Lactometer) आणि आर्द्रतामापी (Hydrometer) ही उपकरणे या तत्त्वावर आधारित आहेत.

• आर्किमिडीजचा शोध: बाथटबमध्ये स्नानासाठी उतरल्यावर बाहेर सांडणारे पाणी पाहून त्यांना हे तत्त्व सुचले होते.

• Activity 3.9 (रबरबँड प्रयोग):
• दगड पाण्यात बुडवल्यावर रबरबँडची लांबी कमी होते, कारण दगडावर वरील दिशेने प्लावक बल प्रयुक्त होते.
• यामुळे दगडाचे भासमान वजन कमी होते आणि रबरबँडवरील ताण कमी होतो.

• घनता (Density):
• व्याख्या: एकक आकारमानातील वस्तूचे वस्तुमान म्हणजे घनता.
• सूत्र: घनता \(d = \frac{\text{वस्तुमान (m)}}{\text{आकारमान (V)}}\) (\(d = \frac{m}{V}\))
• SI एकक: \(kg/m^3\)
• महत्त्व: पदार्थाची शुद्धता ठरवताना घनता हा गुणधर्म उपयोगी ठरतो.

• सापेक्ष घनता (Relative Density):
• व्याख्या: पदार्थाची घनता पाण्याच्या घनतेच्या तुलनेत व्यक्त केली जाते.
• सूत्र: सापेक्ष घनता \(= \frac{\text{पदार्थाची घनता}}{\text{पाण्याची घनता}}\) (\(RD = \frac{d_{पदार्थ}}{d_{पाणी}}\) )
• एकक: सापेक्ष घनता हे समान राशींचे गुणोत्तर प्रमाण असल्याने यास एकक नाही.
• दुसरे नाव: सापेक्ष घनतेलाच पदार्थाचे ‘विशिष्ट गुरुत्व’ (Specific Gravity) असे म्हणतात.
• पाण्याची घनता: \(10^3\) \(kg/m^3\) किंवा 1 \(g/cm^3\).

• विद्युत प्रभार (Electric Charge):
• अणूंमध्ये इलेक्ट्रॉन (ऋणप्रभारित कण) आणि प्रोटॉन (धनप्रभारित कण) असतात.
• एकंदरीत वस्तू विद्युतदृष्ट्या उदासीन (neutral) असते, परंतु त्यात ऋणप्रभार व धनप्रभार असतोच.
• वस्तू प्रभारित होणे: काचेची कांडी रेशमी कापडावर घासल्यास प्रभारित होते.
• चल विद्युत: एका वस्तूवरून दुसऱ्या वस्तूवर स्थानांतरित होणारा ऋणप्रभार म्हणजे इलेक्ट्रॉन.

• धाराविद्युत (Current Electricity):
• एखाद्या सुवाहकामधील इलेक्ट्रॉनसना गती देऊन वाहते केले, तर आपल्याला ‘धाराविद्युत’ मिळते.
• उदाहरण: ढगातून जमिनीवर वीज पडणे, घरातील तारांमधून विद्युतप्रवाह वाहणे.
• रेडिओच्या विद्युत घटांमधून आणि मोटारीच्या बॅटरीमधून धनप्रभारित आणि ऋणप्रभारित अशा दोन्ही कणांच्या वहनामुळे विद्युतप्रवाह निर्माण होतो.

• विद्युतस्थितिक विभव (Electrostatic Potential):
• संकल्पना: पाणी उंच पातळीतून खालील पातळीकडे वाहते, उष्णता अधिक तापमानापासून कमी तापमानाकडे वाहते, त्याचप्रमाणे धनप्रभाराची प्रवृत्ती अधिक विद्युत पातळीच्या बिंदूपासून कमी विद्युत पातळीच्या बिंदूपर्यंत वाहण्याची असते.
• विद्युतप्रभाराच्या वहनाची दिशा ठरवणाऱ्या या विद्युत पातळीस विद्युतस्थितिक विभव म्हणतात.

• विभवांतर (Potential Difference):
• व्याख्या: दोन बिंदूंमधील विभवांमधील फरक म्हणजे विभवांतर.
• महत्त्व: विद्युत परिपथात विद्युतघटामुळे विभवांतर निर्माण झाल्यावर स्थिर विद्युतप्रवाह वाहू लागतो. (Activity 4.1)
• एकक: विभवांतराचे SI पद्धतीत एकक व्होल्ट (Volt) हे आहे.
• विद्युतघटाच्या दोन टोकांमधील विभवांतरामुळे तारेतील इलेक्ट्रॉन प्रवाहित होतात. ते विद्युतघटाच्या ऋण टोकाकडून धन टोकाकडे वाहतात.
• सांकेतिक विद्युतप्रवाह: इलेक्ट्रॉनच्या वहनाच्या विरुद्ध दिशेने (धन टोकाकडून ऋण टोकाकडे) वाहतो.

• विद्युतप्रवाह (Electric Current):
• व्याख्या: एखाद्या तारेतून 1 सेकंद एवढ्या वेळात वाहणाऱ्या विद्युत प्रभाराला एकक विद्युतप्रवाह म्हणतात.
• सूत्र: विद्युतप्रवाह \(I = \frac{\text{विद्युत प्रभार (Q)}}{\text{वेळ (t)}}\) (\(I = \frac{Q}{t}\))
• SI एकक: कूलोम प्रति सेकंद म्हणजेच अँपिअर (Ampere).
• 1 अँपिअर (A) = 1 कूलोम (C) / 1 सेकंद (s)
• विद्युतप्रवाह ही अदिश राशी आहे.

• विद्युतघट (Electric Cell):
• परिपथामध्ये सतत विद्युतप्रभाराचा प्रवाह निर्माण करण्यासाठी आवश्यक स्रोत.
• मुख्य कार्य: त्याच्या दोन टोकांमधील विभवांतर कायम राखणे.
• विद्युतप्रभारावर कार्य करून विद्युतघट हे विभवांतर कायम राखतात.
• उदाहरणे: सौरघट, कोरडा विद्युतघट.

• कोरडा विद्युतघट (Dry Cell):
• उपयोग: रेडिओ संच, भिंतीवरील घड्याळ, विजेरी इत्यादींमध्ये वापरले जातात.
• उपलब्धता: 3-4 आकारांत उपलब्ध.
• रचना (आकृती 4.2):
• ऋण टोक: जस्त (Zn) धातूचे पांढरट आवरण. हेच घटाचे ऋण टोक असते.
• धन टोक: घटाच्या मध्यभागी असलेली ग्राफाइट कांडी. हे घटाचे धन टोक असते.
• विद्युत अपघटनी (Electrolyte): जस्ताच्या आवरणाच्या आत आणि ग्राफाइट कांडीच्या बाहेरच्या भागात भरलेली असते. यात \(ZnCl_2\) (झिंक क्लोराईड) आणि \(NH_4Cl\) (अमोनिअम क्लोराईड) यांच्या ओल्या मिश्रणाचा लगदा असतो.
• विद्युत अपघटनीमध्ये धनप्रभारित व ऋणप्रभारित आयन असतात, ज्यांच्यामार्फत विद्युतवहन होते.
• मँगनीज डायऑक्साइड पेस्ट (\(MnO_2\)): ग्राफाइट कांडीच्या बाहेरील भागात भरलेली असते.
• संरक्षक कवच: सर्वात बाहेरचे आवरण.

• कार्यपद्धती:
• या रासायनिक पदार्थांच्या रासायनिक अभिक्रियेद्वारे दोन्ही टोकांवर (ग्राफाइट रॉड, जस्त) विद्युतप्रभार तयार होतो.
• यामुळे विभवांतर निर्माण होते आणि परिपथातून विद्युतप्रवाह वाहतो.

• वैशिष्ट्ये:
• ओलसर लगदा वापरल्यामुळे रासायनिक अभिक्रिया मंदपणे चालते, म्हणून मोठा विद्युतप्रवाह यातून मिळवता येत नाही.
• द्रवपदार्थांचा वापर करणाऱ्या विद्युतघटांच्या तुलनेत त्यांची साठवण कालमर्यादा (shelf life) अधिक असते.
• वापरायला सोयीचे असतात, कारण ते उभे, आडवे, तिरपे कसेही ठेवता येतात व चल साधनांमध्येही सहजपणे वापरता येतात.