प्लवन (Buoyancy)

प्लवन (Buoyancy) – संपूर्ण अध्याय सारांश

परिचय

प्लवन (Buoyancy) भौतिकी का एक महत्वपूर्ण विषय है, जो तरल और गैस में वस्तुओं के आचरण का अध्ययन करता है। यह अध्ययन मुख्य रूप से उत्प्लावक बल (Buoyant Force), आर्किमिडीज का सिद्धांत (Archimedes’ Principle), प्लवन का नियम (Law of Floatation), घनत्व (Density), आपेक्षित घनत्व (Relative Density) और तैरने वाली वस्तु के स्थायी संतुलन (Stable Equilibrium) की शर्तों पर आधारित है।

1. उत्प्लावक बल (Buoyant Force)

जब कोई वस्तु किसी तरल में डूबी होती है, तो उस पर ऊपर की ओर एक बल कार्य करता है, जिसे उत्प्लावक बल कहते हैं। यह बल तरल द्वारा वस्तु के भार को कम करने का प्रयास करता है।

उत्प्लावक बल के कारण

किसी तरल में डूबी वस्तु के ऊपरी एवं निचले हिस्सों पर अलग-अलग दाब कार्य करता है।
निचले हिस्से पर अधिक दाब होता है, जिससे वस्तु पर ऊपर की ओर एक बल लगता है।
यही बल वस्तु को ऊपर उठाने का प्रयास करता है और इसे उत्प्लावक बल कहते हैं।

2. आर्किमिडीज का सिद्धांत (Archimedes’ Principle)

ग्रीक वैज्ञानिक आर्किमिडीज ने यह महत्वपूर्ण सिद्धांत प्रतिपादित किया, जिसके अनुसार:

“जब कोई वस्तु किसी तरल में पूरी या आंशिक रूप से डूबी होती है, तो उस पर ऊपर की ओर एक उत्प्लावक बल कार्य करता है, जो वस्तु द्वारा हटाए गए तरल के भार के बराबर होता है।”

आर्किमिडीज के सिद्धांत का गणितीय रूप

उत्प्लावक बल (F) = हटाए गए तरल का भार F=V_d×ρ_l×g

जहाँ,

V_d= वस्तु द्वारा हटाए गए तरल का आयतन
ρ_l= तरल का घनत्व
g = गुरुत्वजनित त्वरण

महत्व एवं अनुप्रयोग

जहाज, पनडुब्बी और नौकाओं का डिज़ाइन इसी सिद्धांत पर आधारित है।
जल में भार मापन के लिए प्रयोग किया जाता है।
सोने और चाँदी जैसी धातुओं की शुद्धता मापने में उपयोग किया जाता है।

3. प्लवन का नियम (Law of Floatation)

यह नियम किसी वस्तु के तैरने की स्थिति को परिभाषित करता है:

“कोई वस्तु तब तक तैरती है, जब तक कि उसके द्वारा हटाए गए तरल का भार वस्तु के कुल भार के बराबर नहीं हो जाता।”

प्लवन का नियम के अनुसार, तीन स्थितियाँ हो सकती हैं:

यदि वस्तु का घनत्व तरल के घनत्व से अधिक हो:
- वस्तु डूब जाएगी।
यदि वस्तु का घनत्व तरल के घनत्व के बराबर हो:
- वस्तु न तो तैरेगी, न ही डूबेगी, बल्कि तरल में तैरती रहेगी।
यदि वस्तु का घनत्व तरल के घनत्व से कम हो:
- वस्तु पानी की सतह पर तैरेगी।

4. घनत्व (Density)

घनत्व किसी पदार्थ के द्रव्यमान और उसके आयतन का अनुपात होता है। ρ=m/V

जहाँ,

ρ = घनत्व
m = वस्तु का द्रव्यमान
V = वस्तु का आयतन

घनत्व का महत्व

ठोस, द्रव और गैस की भौतिक विशेषताओं का निर्धारण करता है।
पदार्थ की विभिन्न अवस्थाओं को समझने में सहायक होता है।

5. आपेक्षित घनत्व (Relative Density)

आपेक्षित घनत्व को किसी पदार्थ के घनत्व और जल के घनत्व के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है। आपेक्षित घनत्व=पदार्थ का घनत्व / जल का घनत्व

महत्व एवं उपयोग

तरल पदार्थों की तुलना करने में सहायक होता है।
हाइड्रोमीटर का उपयोग आपेक्षित घनत्व को मापने के लिए किया जाता है।

6. तैरने वाली वस्तु के स्थाई संतुलन के लिए शर्तें

जब कोई वस्तु तरल में तैरती है, तो उसे संतुलित रखने के लिए निम्नलिखित शर्तें होनी चाहिए:

(i) अपसारी संतुलन (Stable Equilibrium):

जब वस्तु को थोड़ा झुकाया जाता है, तो वह पुनः अपनी मूल स्थिति में आ जाती है।
इसका केंद्र गुरुत्व (Center of Gravity) और केंद्र उत्प्लावन (Center of Buoyancy) संतुलन बनाए रखते हैं।

(ii) उदासीन संतुलन (Neutral Equilibrium):

जब वस्तु को झुकाया जाता है, तो वह अपनी नई स्थिति में ही स्थिर हो जाती है।
नाव में बैठे व्यक्ति का झुकना इसी प्रकार का संतुलन है।

(iii) अस्थिर संतुलन (Unstable Equilibrium):

यदि वस्तु को झुकाया जाता है और वह और अधिक झुकती जाती है तथा अंततः पलट जाती है।
खराब डिज़ाइन की नावें इस प्रकार अस्थिर हो सकती हैं।

निष्कर्ष

प्लवन और उत्प्लावक बल का सिद्धांत हमारे दैनिक जीवन में बहुत महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। जहाज, पनडुब्बी, जलयान, हाइड्रोमीटर, और अन्य कई उपकरण इसी विज्ञान पर आधारित होते हैं। आर्किमिडीज का सिद्धांत हमें यह समझने में मदद करता है कि वस्तुएँ पानी में क्यों डूबती या तैरती हैं, जबकि प्लवन का नियम यह स्पष्ट करता है कि किस स्थिति में कोई वस्तु जल में स्थिर संतुलन में रह सकती है।

इस प्रकार, घनत्व और आपेक्षित घनत्व जैसे विषय हमें किसी भी पदार्थ की भौतिक विशेषताओं को समझने में मदद करते हैं। इन सभी सिद्धांतों को समझकर हम विज्ञान के कई क्षेत्रों में उपयोग कर सकते हैं।

प्लवन (Buoyancy) के 25 महत्वपूर्ण वस्तुनिष्ठ प्रश्न (Objective Questions with Answers)

1. उत्प्लावक बल (Buoyant Force) से संबंधित प्रश्न

Q1. उत्प्लावक बल किस दिशा में कार्य करता है?
(A) नीचे की ओर
(B) ऊपर की ओर ✅
(C) क्षैतिज दिशा में
(D) कोई निश्चित दिशा नहीं

Q2. उत्प्लावक बल का मात्रक क्या है?
(A) किलोग्राम
(B) न्यूटन ✅
(C) मीटर/सेकंड
(D) जूल

Q3. उत्प्लावक बल किस पर निर्भर करता है?
(A) वस्तु के द्रव्यमान पर
(B) तरल के घनत्व पर ✅
(C) वस्तु के तापमान पर
(D) गुरुत्वाकर्षण बल पर

Q4. यदि किसी वस्तु का घनत्व जल से अधिक हो, तो वह क्या करेगी?
(A) जल में डूब जाएगी ✅
(B) जल में तैरने लगेगी
(C) जल की सतह पर आ जाएगी
(D) शून्य गुरुत्व बल अनुभव करेगी

Q5. किसी गैस में उत्प्लावक बल किसके कारण उत्पन्न होता है?
(A) गैस के घनत्व में अंतर के कारण ✅
(B) गुरुत्वाकर्षण के कारण
(C) वायुदाब के कारण
(D) तापमान के कारण

2. आर्किमिडीज के सिद्धांत (Archimedes’ Principle) से संबंधित प्रश्न

Q6. आर्किमिडीज का सिद्धांत किस पर लागू होता है?
(A) केवल ठोस पर
(B) केवल तरल पर
(C) केवल गैस पर
(D) ठोस, द्रव एवं गैस सभी पर ✅

Q7. जब कोई वस्तु किसी तरल में डूबी होती है, तो उस पर लगने वाला उत्प्लावक बल किसके बराबर होता है?
(A) वस्तु के भार के बराबर
(B) वस्तु द्वारा हटाए गए तरल के भार के बराबर ✅
(C) तरल के संपूर्ण द्रव्यमान के बराबर
(D) वस्तु के द्रव्यमान के बराबर

Q8. आर्किमिडीज के सिद्धांत का अनुप्रयोग किसमें किया जाता है?
(A) जहाज के डिज़ाइन में ✅
(B) बैरोमीटर में
(C) जलयानों की गति मापने में
(D) ऊष्मा संचरण में

Q9. हाइड्रोमीटर किस सिद्धांत पर कार्य करता है?
(A) न्यूटन का गति नियम
(B) आर्किमिडीज का सिद्धांत ✅
(C) गुरुत्वाकर्षण सिद्धांत
(D) प्लवन का नियम

Q10. यदि कोई वस्तु जल में डूबी हुई है, तो उसके भार का प्रभाव क्या होगा?
(A) कम हो जाएगा ✅
(B) बढ़ जाएगा
(C) अपरिवर्तित रहेगा
(D) शून्य हो जाएगा

3. प्लवन का नियम (Law of Floatation) से संबंधित प्रश्न

Q11. प्लवन का नियम क्या कहता है?
(A) वस्तु हमेशा डूबेगी
(B) वस्तु के द्वारा हटाए गए तरल का भार उसके स्वयं के भार के बराबर होगा ✅
(C) वस्तु का भार जल के घनत्व पर निर्भर करता है
(D) कोई नियम नहीं है

Q12. कोई वस्तु तब तक तैरेगी जब…?
(A) उसका घनत्व जल से अधिक होगा
(B) उसका घनत्व जल के बराबर होगा
(C) उसका घनत्व जल से कम होगा ✅
(D) उसका भार अधिक होगा

Q13. एक जहाज पानी में क्यों तैरता है जबकि एक लोहे की ठोस गेंद डूब जाती है?
(A) जहाज का भार कम होता है
(B) जहाज की आकृति ऐसी होती है कि वह अधिक जल को हटाता है ✅
(C) जहाज में अधिक वायु भरी होती है
(D) जल का घनत्व अधिक होता है

Q14. प्लवन का नियम मुख्य रूप से किस पर लागू होता है?
(A) ठोस पर
(B) तरल पर
(C) तैरती वस्तुओं पर ✅
(D) गैस पर

Q15. यदि किसी वस्तु का भार जल में कम प्रतीत होता है, तो इसका कारण क्या है?
(A) जल का दबाव
(B) उत्प्लावक बल ✅
(C) गुरुत्वाकर्षण बल
(D) जड़त्व बल

4. घनत्व (Density) से संबंधित प्रश्न

Q16. घनत्व का सूत्र क्या है?
(A) घनत्व=द्रव्यमान / आयतन✅
(B) घनत्व=आयतन / द्रव्यमान
(C) घनत्व=गति × दबाव
(D) इनमें से कोई नहीं

Q17. जल का घनत्व कितना होता है?
(A) 1 kg/m³
(B) 1000 kg/m³✅
(C) 10 kg/m³
(D) 100 kg/m³

Q18. घनत्व का SI मात्रक क्या है?
(A) kg/m³ ✅
(B) g/cm³
(C) m/s²
(D) kg/m²

Q19. घनत्व का निर्धारण किससे किया जाता है?
(A) पदार्थ के द्रव्यमान और आयतन से ✅
(B) पदार्थ के आकार से
(C) पदार्थ के तापमान से
(D) पदार्थ के भार से

Q20. ठोस पदार्थ का घनत्व कैसे मापा जाता है?
(A) स्प्रिंग बैलेंस से
(B) वर्नियर कैलिपर से
(C) अर्किमिडीज के सिद्धांत से ✅
(D) न्यूटन के गति नियम से

5. आपेक्षित घनत्व (Relative Density) से संबंधित प्रश्न

Q21. आपेक्षित घनत्व का मात्रक क्या है?
(A) kg/m³
(B) कोई मात्रक नहीं होता ✅
(C) g/cm³
(D) m/s²

Q22. आपेक्षित घनत्व किसका अनुपात होता है?
(A) किसी पदार्थ के भार और उसके घनत्व का
(B) किसी पदार्थ के घनत्व और जल के घनत्व का ✅
(C) किसी पदार्थ के द्रव्यमान और आयतन का
(D) किसी पदार्थ के भार और द्रव्यमान का

Q23. हाइड्रोमीटर किसका मापन करने के लिए उपयोग किया जाता है?
(A) द्रव का घनत्व ✅
(B) ठोस का घनत्व
(C) गैस का घनत्व
(D) दाब

Q24. किसी पदार्थ का आपेक्षित घनत्व 0.8 है, तो वह जल में क्या करेगा?
(A) डूब जाएगा
(B) तैरेगा ✅
(C) स्थिर रहेगा
(D) कोई निश्चित व्यवहार नहीं होगा

Q25. आपेक्षित घनत्व की गणना के लिए कौन सा उपकरण उपयोग किया जाता है?
(A) स्प्रिंग बैलेंस
(B) हाइड्रोमीटर ✅
(C) बैरोमीटर
(D) थर्मामीटर

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भौतिकी (Physics) – अध्याय 6:- प्लवन (Buoyancy)