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तनाव और विकृति
तनाव और विकृति की अवधारणाएँ यह समझने के लिए आधारभूत हैं कि सामग्री विभिन्न बलों के तहत कैसे विकृत होती है। वे हमें यह अनुमान लगाने की अनुमति देते हैं कि विभिन्न परिस्थितियों में सामग्री कैसे व्यवहार करेगी। भौतिकी में, विशेष रूप से पदार्थ के गुणों के अध्ययन में, तनाव और विकृति बताते हैं कि वस्तुएँ उन पर लागू बलों पर कैसे प्रतिक्रिया करती हैं।
तनाव क्या है?
तनाव एक परिवर्तनीय शरीर के भीतर कार्य करने वाले आंतरिक बलों का एक माप है। जब किसी वस्तु पर बल लागू किया जाता है, तो वह तनाव का अनुभव करता है, जिसे बल को बल के कार्य करने वाले क्षेत्र से विभाजित करके प्राप्त किया जाता है। गणितीय रूप से, तनाव को इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:
तनाव (σ) = बल (F) / क्षेत्र (A)
जहाँ:
- σ तनाव है (पैस्कल्स या N/m² में मापा गया)।
- F लागू बल है (न्यूटन्स में मापा गया)।
- A क्रॉस सेक्शन का क्षेत्र है (वर्ग मीटर में मापा गया)।
उदाहरण: तनाव की गणना
कल्पना करें कि आपके पास 0.5 वर्ग मीटर के क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र वाला एक लकड़ी का बीम है। यदि बीम के चेहरे पर लंबवत 1000 न्यूटन का बल लागू किया जाता है, तो तनाव होगा:
तनाव (σ) = 1000 N / 0.5 m² = 2000 N/m²
तनाव को लागू बल के प्रकार के आधार पर और वर्गीकृत किया जा सकता है:
- तन्यता तनाव: यह उस बल का परिणाम है जो सामग्री को खींचने का प्रयास करता है।
- संपीड़न तनाव: यह उस बल का परिणाम होता है जो सामग्री को संकुचित या छोटा करने का प्रयास करता है।
- शियर तनाव: यह तब होता है जब लागू बल सामग्री के सतह क्षेत्र के समानांतर होता है, जिससे सामग्री अपने ऊपर फिसलती है।
विकृति क्या है?
विकृति किसी सामग्री का विकृत या विस्थापन बताती है। यह एक बिंदु रहित संख्या है क्योंकि यह लंबाई के ऊपर लंबाई का अनुपात है। जब सामग्री पर तनाव लागू किया जाता है, तो यह या तो खिंचती है या संकुचित होती है, और इस आयाम में यह परिवर्तन विकृति कहलाता है। गणितीय रूप से, तनाव को इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:
विकृति (ε) = लंबाई में परिवर्तन (ΔL) / मूल लंबाई (L₀)
जहाँ:
- ε तनाव है।
- ΔL पदार्थ की लंबाई में परिवर्तन है (मीटर में मापा गया)।
- L₀ पदार्थ की मूल लंबाई है (मीटर में मापा गया)।
उदाहरण: तनाव की गणना
मान लीजिए कि एक धातु की छड़ की मूल लंबाई 2 मीटर है। बल लगाने के बाद उसकी लंबाई 2.02 मीटर हो जाती है। तनाव होगा:
विकृति (ε) = (2.02 m – 2 m) / 2 m = 0.01
इसका मतलब है लंबाई में 1% की वृद्धि।
हुक का नियम
हुक का नियम उन सामग्रियों में तनाव और विकृति के बीच संबंध को बताता है जो विकृत होने के बाद अपनी मूल आकृति में लौट आती हैं। हुक का नियम कहता है कि किसी सामग्री में विकृति उसके लचीले सीमा के भीतर लगाए गए तनाव के अनुपात में होती है। गणितीय रूप में:
तनाव (σ) = यंग का मॉड्यूलस (E) × विकृति (ε)
जहाँ:
- E यंग का मॉड्यूलस है, जो एक सामग्री की कठोरता का माप है (पैस्कल्स में मापा गया)।
उदाहरण: हुक का नियम
यदि एक रबर बैंड (यंग का मॉड्यूलस = 0.01 GPa) ऐसा खींचा जाता है कि उसका तनाव 0.05 हो और यह अपनी मूल आकृति में लौट आता है, तो अनुभव की गई तनाव होगी:
तनाव (σ) = 0.01 GPa × 0.05 = 0.0005 GPa = 500,000 N/m²
लचीलापन और प्लास्टिसिटी
लचीलापन उस सामग्री की क्षमता को बताता है जो विकृत होने के बाद अपनी मूल आकृति में लौट आती है। लचीलापन प्रदर्शित करने वाली सामग्रियों को लचीला सामग्री कहा जाता है। रबर लचीलापन सामग्री का एक सामान्य उदाहरण है।
दूसरी ओर, प्लास्टिसिटी उस सामग्री की क्षमता है जो उस पर तनाव लागू होते ही स्थायी रूप से विकृत हो जाती है। जब किसी सामग्री का लचीला सीमा (या यील्ड पॉइंट) पार हो जाता है, तो यह लचीला व्यवहार से प्लास्टिक व्यवहार में बदल जाता है।
लचीलापन और प्लास्टिसिटी का दृश्यांकन
ऊपर दिए गए ग्राफ में, पहला भाग लचीला क्षेत्र दर्शाता है, जहाँ सामग्री किसी बल के हटने के बाद अपनी मूल आकृति में लौट आती है। दूसरा भाग प्लास्टिक क्षेत्र दिखाता है, जहाँ स्थायी विकृति होती है।
तनाव और दबाव के प्रकार
अनुप्रस्थ तनाव और विकृति
अनुप्रस्थ विकृति तब होती है जब एक वस्तु के लंबाई के साथ बल लागू किया जाता है, जिससे वह संपीड़ित या विस्तारित हो जाती है। अनुप्रस्थ तनाव के परिणामस्वरूप उत्पन्न तनाव को अनुप्रस्थ तनाव कहा जाता है।
शियर तनाव और विकृति
जब पदार्थ की परतें एक-दूसरे के पार फिसलती हैं तो शियर तनाव का अनुभव होता है, और शियर तनाव से जुड़े तनाव को शियर विकृति कहा जाता है।
वॉल्यूमेट्रिक तनाव और विकृति
बड़ी तनाव मात्रा में परिवर्तन का कारण बनता है और संपीड़न बलों से जुड़ा होता है। मात्रा तनाव का परिणाम मात्रा में परिवर्तन को मूल मात्रा से विभाजित करके होता है।
तनाव और विकृति अवधारणाओं के अनुप्रयोग
इंजीनियरिंग और निर्माण में तनाव और विकृति का समझना आवश्यक है, क्योंकि यह इस बात का निर्धारण करने में मदद करता है कि इस्पात, कंक्रीट और लकड़ी जैसी सामग्री कितनी भार पकड़ सकती हैं।
वास्तुकला: इमारतों और पुलों को इस प्रकार डिज़ाइन करना चाहिए कि वे तनाव और दबाव को सहन कर सकें ताकि वे अपने वजन या बाहरी ताकतों जैसे हवा या भूकंप के कारण गिर न जाएं।
वास्तुकला में उदाहरण
जब इंजीनियर एक पुल डिजाइन करते हैं, तो उन्हें केवल पुल के वजन को नहीं बल्कि उन वाहनों का वजन भी ध्यान में रखना चाहिए जो उस पर चलेंगे। वे अपेक्षित अधिकतम तनाव की गणना करते हैं और यह सुनिश्चित करते हैं कि चुनी गई सामग्री के पास पर्याप्त सुरक्षा सीमा हो।
सामग्री गुणों का मूल्यांकन
तनाव और विकृति का अध्ययन हमें निम्नलिखित सामग्री गुणों का मूल्यांकन करने की अनुमति देता है:
- लचीलापन: एक सामग्री को कितना खींचा या संपीड़ित किया जा सकता है जब तक कि वह अपनी मूल अवस्था में लौट आती है।
- मजबूती: ऊर्जा को अवशोषित करने और टूटे बिना विकृत होने की क्षमता।
- नम्यता: कितनी आसानी से एक सामग्री तार में खींची जा सकती है।
- कठोरता: विकृति या खरोंचने के लिए प्रतिरोध।
निष्कर्ष
तनाव और विकृति सामग्रियों के व्यवहार और विभिन्न अनुप्रयोगों में संरचनात्मक अखंडता सुनिश्चित करने में प्रमुख अवधारणाएँ हैं। इन विचारों में महारत हासिल करके, हम सामग्रियों के यांत्रिक गुणों की अंतर्दृष्टि प्राप्त कर सकते हैं जो कि सुरक्षित और अधिक नवीन डिजाइनों को मार्गदर्शन करते हैं।
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