गती व बलाचे नियम (न्यूटनचे नियम) – सामान्य विज्ञान (Science) Notes

१. मूलभूत संकल्पना (Basic Concepts of Motion)

गती समजून घेण्यासाठी अंतर, विस्थापन, चाल, वेग आणि त्वरण या संकल्पना समजणे आवश्यक आहे:

अ) अंतर (Distance) व विस्थापन (Displacement)

• अंतर (Distance): गतिमान असताना वस्तूने प्रत्यक्षात कापलेला एकूण मार्ग म्हणजे ‘अंतर’ होय. ही अदिश राशी (Scalar Quantity) आहे.
• विस्थापन (Displacement): गतिमान वस्तूच्या सुरुवातीच्या व अंतिम बिंदूमधील सर्वात कमी अंतर (सरळ रेषेतील अंतर) म्हणजे ‘विस्थापन’ होय. ही सदिश राशी (Vector Quantity) आहे.

ब) चाल (Speed) व वेग (Velocity)

• चाल (Speed): एकाक वेळेत कापलेले अंतर.
  चाल = कापलेले एकूण अंतर / लागणारा वेळ (अदिश राशी)
• वेग (Velocity): एकाक वेळेत होणारे विस्थापन.
  वेग = विस्थापन / लागणारा वेळ (सदिश राशी)
• एकक: SI पद्धतीत m/s (मीटर/सेकंद) आणि CGS पद्धतीत cm/s (सेंटीमीटर/सेकंद).

क) त्वरण (Acceleration)

कालावधीच्या संदर्भात वेगात होणाऱ्या बदलाच्या दराला त्वरण म्हणतात. (सदिश राशी)

• सूत्र: त्वरण (a) = (अंतिम वेग 'v' - सुरुवातीचा वेग 'u') / वेळ 't'
• एकक: SI पद्धतीत m/s².
• त्वरणाचे प्रकार:
  • धन त्वरण (Positive Acceleration): वेळेनुसार वेग वाढतो (उदा. स्टेशनवरून सुटणारी ट्रेन).
  • ऋण त्वरण / मंदन (Negative Acceleration / Deceleration): वेळेनुसार वेग कमी होतो (उदा. ब्रेक लावल्यानंतर गाडीचा वेग कमी होणे).
  • शून्य त्वरण (Zero Acceleration): वेग स्थिर असतो.

२. बल (Force) व जडत्व (Inertia)

अ) बल (Force)

एखाद्या वस्तूची विराम अवस्था किंवा गतिमान अवस्था बदलण्यासाठी ज्या बाह्य घटकाची आवश्यकता असते, त्याला बल म्हणतात.

• बल ही सदिश राशी आहे.
• SI एकक: न्यूटन (Newton – N)
• CGS एकक: डाइन (Dyne)

ब) जडत्व (Inertia)

वस्तूवर बाह्य बल प्रयुक्त केले नाही, तर वस्तू आपल्या मूळ स्थितीत (विराम अवस्था किंवा गतीची अवस्था) राहण्याच्या प्रवृत्तीला जडत्व म्हणतात. वस्तूचे जडत्व तिच्या वस्तुमानावर (Mass) अवलंबून असते.

जडत्वाचे ३ प्रकार:

1. विराम अवस्थेचे जडत्व (Inertia of Rest): वस्तूला तिच्या विराम अवस्थेत बदल करता येत नाही.
   उदाहरण: अचानक बस सुरू झाल्यास प्रवासी मागे फेकले जातात; झाड जोरात हलवल्यास फळे खाली पडतात.
2. गतीचे जडत्व (Inertia of Motion): गतिमान वस्तू स्वतःहून तिची गती थांबवू शकत नाही.
   उदाहरण: चालत्या बसने अचानक ब्रेक लावल्यास प्रवासी पुढे फेकले जातात; फॅनचे बटन बंद केल्यावरही पंखा काही वेळ फिरत राहतो.
3. दिशेचे जडत्व (Inertia of Direction): गतिमान वस्तू स्वतःच्या गतीची दिशा स्वतः बदलू शकत नाही.
   उदाहरण: वाहन वळणावर वळताना प्रवासी विरुद्ध बाजूला झुकतात.

३. न्यूटनचे गतीविषयक नियम (Newton’s Laws of Motion)

१. न्यूटनचा गतीविषयक पहिला नियम (First Law of Motion)

विधान: “जर एखाद्या वस्तूवर कोणतेही बाह्य असंतुलित बल कार्यरत नसेल, तर तिची विराम अवस्था किंवा सरळ रेषेतील एकसमान गतीची अवस्था कायम राहते.”

• या नियमाला ‘जडत्वाचा नियम’ (Law of Inertia) असेही म्हणतात.
• हा नियम बलाची गुणात्मक व्याख्या (Qualitative definition of force) देतो.
• व्यवहारातील उदाहरणे: टेबलवर ठेवलेले पुस्तक स्वतःहून हलत नाही; फिरणारा पंखा वीज बंद केल्यावरही गतीमुळे काही वेळ फिरतो.

२. न्यूटनचा गतीविषयक दुसरा नियम (Second Law of Motion)

विधान: “संवेग परिवर्तनाचा दर हा प्रयुक्त बलाशी समानुपाती असतो आणि संवेगाचे परिवर्तन बलाच्या दिशेने होते.”

संवेग संकल्पना (Momentum – P):

• संवेग म्हणजे वस्तूचा वस्तुमान (Mass) आणि वेग (Velocity) यांचा गुणाकार होय.
• संवेग (P) = m × v
• संवेग ही सदिश राशी असून तिचे SI एकक kg·m/s आहे.

• व्यवहारातील उदाहरणे:
  • क्रिकेट खेळाडू झेल (Catch) घेताना हात मागे खेचतो. (वेळ वाढवून संवेगातील बदलाचा दर व परिणामी हातावर लागणारे बल कमी करण्यासाठी).
  • उंच उडी मारणाऱ्या खेळाडूसाठी खाली वाळू किंवा गादीची सोय केली जाते.

३. न्यूटनचा गतीविषयक तिसरा नियम (Third Law of Motion)

विधान: “प्रत्येक क्रिया बलास (Action Force) समान परिमाणाचे व विरुद्ध दिशेने असणारे प्रतिक्रिया बल (Reaction Force) एकाच वेळी अस्तित्वात असते.”

• क्रिया बल आणि प्रतिक्रिया बल या एकाच वेळी घडणाऱ्या घटना आहेत.
• ही बले वेगवेगळ्या वस्तूंवर प्रयुक्त होतात, त्यामुळे ती एकमेकांचा प्रभाव नष्ट करू शकत नाहीत.
• गणितीय स्वरूप: F₁₂ = – F₂₁
• व्यवहारातील उदाहरणे:
  • रॉकेटचे उड्डाण (Rocket Propulsion): इंधनाच्या ज्वलनाने वायू खाली वेगाने सोडला जातो (क्रिया बल) आणि रॉकेट वर ढकलले जाते (प्रतिक्रिया बल).
  • बंदुकीतून गोळी सुटणे: गोळी पुढे जाते (क्रिया बल) व बंदूक मागे धक्का देते (प्रतिक्रिया बल / Recoil).
  • पाण्यात पोहणे: व्यक्ती पाण्याला मागे ढकलते (क्रिया), ज्यामुळे व्यक्ती पुढे ढकलली जाते (प्रतिक्रिया).
  • नाविक नव्हेतून किनाऱ्यावर उडी मारताना नाव मागे ढकलली जाते.

४. संवेग अक्षय्यतेचा सिद्धांत (Law of Conservation of Momentum)

सिद्धांत: “जेव्हा दोन वस्तूंची परस्परांशी आघात (Collision) होतो, तेव्हा त्यांच्यावर कोणतेही बाह्य बल कार्यरत नसेल, तर त्यांचा एकूण अंतिम संवेग हा त्यांच्या सुरुवातीच्या एकूण संवेगाइतकाच असतो.” (एकूण संवेग नेहमी स्थिर / अक्षय्य राहतो).

सूत्र: m₁u₁ + m₂u₂ = m₁v₁ + m₂v₂

• m₁, m₂ = वस्तूंचे वस्तुमान
• u₁, u₂ = सुरुवातीचा वेग
• v₁, v₂ = आघातानंतरचा अंतिम वेग
• उदाहरण: रॉकेटचे प्रक्षेपण व बंदुकीचा प्रतिक्षेप (Recoil of Gun) हे सिद्धांत या नियमावर आधारित आहेत.

५. महत्त्वाच्या भौतिक राशी व त्यांची एकके (Summary Table)