भौतिकी में ऊर्जा और कार्य दो आपस में जुड़े हुए सिद्धांत हैं जो प्रकृति में होने वाली हर गतिविधि को परिभाषित करते हैं। इस पोस्ट में, हम जानेंगे कि कार्य करने की क्षमता क्या है और गतिज ऊर्जा तथा स्थितिज ऊर्जा कैसे काम करती है।
1. कार्य (Work) क्या है? परिभाषा, सूत्र और SI मात्रक
विज्ञान की दृष्टि से, कार्य तब होता है जब किसी वस्तु पर बल लगाया जाता है और उस बल के कारण वस्तु बल की दिशा में विस्थापित होती है।
कार्य की मुख्य बातें:
- परिभाषा: किसी वस्तु पर लगाए गए बल और बल की दिशा में हुए विस्थापन के गुणनफल को कार्य कहते हैं।
- कार्य का सूत्र (Formula):
कार्य(W)=बल(F)×विस्थापन(s)
- SI मात्रक:कार्य का SI मात्रक जूल (Joule) है।
- 1 जूल: 1 न्यूटन (N) बल लगाने पर यदि वस्तु 1 मीटर (m) विस्थापित होती है, तो किया गया कार्य 1 जूल कहलाता है।
- प्रकृति: कार्य एक अदिश राशि (Scalar Quantity) है।
कार्य के प्रकार (Types of Work):
- धनात्मक कार्य: जब बल और विस्थापन एक ही दिशा में हों।
- ऋणात्मक कार्य: जब बल विस्थापन की विपरीत दिशा में लगे। (जैसे: घर्षण बल द्वारा किया गया कार्य)।
- शून्य कार्य:
- जब विस्थापन शून्य हो (दीवार पर बल लगाना)।
- जब बल और विस्थापन एक दूसरे के लम्बवत (90∘) हों। (जैसे: एक कुली द्वारा सिर पर बोझ रखकर समतल सड़क पर चलना, जहाँ गुरुत्वाकर्षण बल के विरुद्ध किया गया कार्य शून्य होता है)।
2. ऊर्जा (Energy) क्या है? ऊर्जा संरक्षण का नियम और मात्रक
ऊर्जा किसी वस्तु की कार्य करने की क्षमता होती है। यही वह शक्ति है जो वस्तुओं को चलने, गर्म होने या बदलने में सक्षम बनाती है।
- मात्रक: ऊर्जा का मात्रक भी जूल (Joule) ही होता है, क्योंकि ऊर्जा और कार्य एक दूसरे के समतुल्य होते हैं।
- संरक्षण का नियम (Law of Conservation of Energy): ऊर्जा संरक्षण का नियम बताता है कि ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है, इसे केवल एक रूप से दूसरे रूप में रूपांतरित किया जा सकता है।
3. यांत्रिक ऊर्जा के मुख्य रूप: गतिज ऊर्जा और स्थितिज ऊर्जा
गतिज ऊर्जा (Kinetic Energy) और स्थितिज ऊर्जा (Potential Energy) मिलकर यांत्रिक ऊर्जा (Mechanical Energy) कहलाती है।
A. गतिज ऊर्जा (Kinetic Energy – KE)
गतिज ऊर्जा किसी वस्तु में उसकी गति (Motion) के कारण मौजूद ऊर्जा है।
- उदाहरण: चलती हुई कार, बहता हुआ पानी, गिरता हुआ पत्थर।
- गतिज ऊर्जा का सूत्र:
KE=21mv2
जहाँ, m = वस्तु का द्रव्यमान, v = वस्तु का वेग।
- महत्वपूर्ण तथ्य: गतिज ऊर्जा वस्तु के वेग के वर्ग (v2) पर निर्भर करती है, इसलिए वेग दोगुना होने पर गतिज ऊर्जा चार गुना हो जाती है।
B. स्थितिज ऊर्जा (Potential Energy – PE)
स्थितिज ऊर्जा किसी वस्तु में उसकी स्थिति (Position) या आकार (Configuration) में परिवर्तन के कारण संग्रहित ऊर्जा होती है।
- उदाहरण: छत पर रखा पानी, धनुष की खींची हुई डोरी, स्प्रिंग को दबाने पर संग्रहित ऊर्जा।
- गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा का सूत्र:
PE=mgh
जहाँ, m = वस्तु का द्रव्यमान, g = गुरुत्वीय त्वरण, h = वस्तु की ऊँचाई।
- महत्वपूर्ण तथ्य: स्थितिज ऊर्जा वस्तु की ऊँचाई और द्रव्यमान पर निर्भर करती है।
4. त्वरित प्रश्नोत्तर: कार्य और ऊर्जा पर आधारित 20 महत्वपूर्ण प्रश्न
| क्रम | प्रश्न (Question) | उत्तर (Answer) |
| 1. | कार्य (Work) का SI मात्रक क्या है? | जूल (Joule) |
| 2. | ऊर्जा और कार्य दोनों का एक ही मात्रक क्यों है? | क्योंकि ऊर्जा कार्य करने की क्षमता होती है। |
| 3. | कुली द्वारा गुरुत्वाकर्षण बल के विरुद्ध किया गया कार्य क्या होगा? | शून्य (90∘ कोण के कारण)। |
| 4. | गतिज ऊर्जा (KE) का सूत्र क्या है? | KE=1/2mv2 |
| 5. | स्थितिज ऊर्जा (PE) का सूत्र क्या है? | PE=mgh |
| 6. | यदि किसी वस्तु का वेग दोगुना कर दिया जाए, तो उसकी गतिज ऊर्जा कितनी हो जाएगी? | चार गुनी। |
| 7. | बांध में जमा किए गए पानी में कौन–सी ऊर्जा संग्रहित होती है? | स्थितिज ऊर्जा। |
| 8. | ऊर्जा संरक्षण का नियम क्या कहता है? | ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है। |
| 9. | कार्य कैसी राशि है—सदिश या अदिश? | अदिश राशि। |
| 10. | खींची हुई धनुष की डोरी में कौन–सी ऊर्जा होती है? | स्थितिज ऊर्जा। |
| 11. | यांत्रिक ऊर्जा किन दो ऊर्जाओं का योग होती है? | गतिज ऊर्जा + स्थितिज ऊर्जा। |
| 12. | 1 न्यूटन बल लगाने पर वस्तु 1 m विस्थापित होती है, कार्य कितना होगा? | 1 जूल। |
| 13. | 1 kWh (किलोवाट घंटा) किसका मात्रक है? | ऊर्जा। |
| 14. | पत्थर को ऊपर फेंकने पर उच्चतम बिंदु पर उसकी गतिज ऊर्जा कितनी होगी? | शून्य। |
| 15. | पत्थर को ऊपर फेंकने पर उच्चतम बिंदु पर कौन–सी ऊर्जा अधिकतम होती है? | स्थितिज ऊर्जा। |
| 16. | कौन–सा बल हमेशा गतिज ऊर्जा के विरुद्ध कार्य करता है? | घर्षण बल। |
| 17. | ऊर्जा का सबसे बड़ा व्यावहारिक मात्रक क्या है? | किलोवाट घंटा (kWh)। |
| 18. | एक वस्तु पर कार्य शून्य कब होता है? | जब बल शून्य हो, विस्थापन शून्य हो, या 90∘ का कोण हो। |
| 19. | क्या किसी वस्तु का द्रव्यमान उसकी गतिज ऊर्जा को प्रभावित करता है? | हाँ। |
| 20. | गतिज ऊर्जा किस कारक के कारण किसी वस्तु में मौजूद होती है? | उसकी गति (Motion) के कारण। |