Chapter 9: ગુરુત્વાકર્ષણ

વિજ્ઞાન – દબાણ અને ક્ષેત્રફળની સમજૂતી

પ્રશ્ન ૧: એક પાતળી અને મજબૂત દોરીથી બનેલી પટ્ટીની મદદથી સ્કૂલબૅગને ઉપાડવાનું મુશ્કેલ કેમ હોય છે ?
જવાબ: પાતળી અને મજબૂત દોરીથી બનેલી પટ્ટીવાળી સ્કૂલબૅગ ઉપાડવી મુશ્કેલ હોય છે કારણ કે, પાતળી દોરીનું ક્ષેત્રફળ (સપાટીનો ભાગ) ખૂબ જ ઓછું હોય છે.

વિજ્ઞાનના નિયમ મુજબ, દબાણ (પ્રેશર) એ ક્ષેત્રફળના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં (ઊંધા પ્રમાણમાં) હોય છે. એટલે કે, જો વસ્તુ અડતી હોય તે જગ્યા (ક્ષેત્રફળ) ઓછી હોય, તો દબાણ વધી જાય છે.
દબાણ =
બળ (બૅગનું વજન)
ક્ષેત્રફળ (પટ્ટીની પહોળાઈ)
જ્યારે આપણે બૅગ ઊંચકીએ છીએ, ત્યારે બૅગનું કુલ વજન ખભાના ખૂબ જ નાના ભાગ પર પડે છે. ક્ષેત્રફળ ઓછું હોવાથી ખભા પર ખૂબ મોટું દબાણ ઉત્પન્ન થાય છે, જેના લીધે ખભા પર કાપા પડે છે અને દુખાવો થાય છે.

(નોંધ: આથી જ બૅગની પટ્ટીઓ હંમેશાં પહોળી એટલે કે મોટા ક્ષેત્રફળવાળી રાખવામાં આવે છે, જેથી વજન વધારે જગ્યામાં વહેંચાઈ જાય અને ખભા પર દબાણ ઓછું આવે.)

આર્કિમિડીઝનો સિદ્ધાંત (Archimedes Principle)

“જ્યારે કોઈ પદાર્થને કોઈ તરલ (પ્રવાહી અથવા વાયુ)માં પૂર્ણ અથવા આંશિક રીતે ડુબાડવામાં આવે છે, ત્યારે તે પદાર્થ પર તરલ દ્વારા ઉપરની તરફનું બળ (ઉત્પલવન બળ – Buoyant Force) લાગે છે અને આ બળનું માપ પદાર્થ દ્વારા વિસ્થાપિત (બહાર કાઢેલા) તરલના વજન જેટલું જ હોય છે.”

સરળ સમજાવવું:

  • તું એક પથ્થર પાણીમાં નાખે છે → પથ્થર નીચે ડૂબે છે, પણ તેને થોડું ઉપરનું બળ પણ લાગે છે (એટલે કે તે “હલકો” લાગે છે).
  • જો તે પથ્થરના વજન કરતા ઉત્પલવન બળ વધારે હોય → તે તરી રહે છે (જેમ કે લાકડું).
  • જો ઉત્પલવન બળ ઓછું હોય → તે ડૂબી જાય છે (જેમ કે પથ્થર).

સૂત્ર (Formula): ઉત્પલવન બળ (F_b) = ρ × V × g

  • ρ = તરલની ઘનતા (density)
  • V = પદાર્થ દ્વારા વિસ્થાપિત તરલનું વોલ્યુમ (જે પદાર્થના ડૂબેલા ભાગ જેટલું હોય છે)
  • g = ગુરુત્વાકર્ષણનું ત્વરણ (9.8 m/s²)

આ જ સિદ્ધાંતને કારણે વહાણ તરે છે, હોટ-એર બલૂન ઉપર જાય છે, અને અમે તરી શકીએ છીએ.

હવે તારો મુખ્ય પ્રશ્ન: દૂધની શુદ્ધતા અને ઘીની ઘનતા માપવાનું સાધન સાથે કનેક્શન શું છે?

આ બંને કામ હાઇડ્રોમીટર (Hydrometer) અથવા લેક્ટોમીટર (Lactometer) વડે થાય છે. આ સાધનો સીધા આર્કિમિડીઝના સિદ્ધાંત પર જ કામ કરે છે!

1. દૂધની શુદ્ધતા માપવા માટે (Lactometer):

Milk Lactometer Mercury Coated at ₹ 55/piece | Lactometer in New Delhi |  ID: 7255418612
  • લેક્ટોમીટર એક લાંબી, પાતળી કાચની નળી છે જેના નીચે વજન (lead shot) હોય છે અને ઉપર સ્કેલ છે.
  • તેને દૂધમાં નાખીએ છીએ.
  • આર્કિમિડીઝ સિદ્ધાંત અનુસાર:
    • જો દૂધ શુદ્ધ હોય → તેની ઘનતા વધારે (~1.030 g/cm³) → વિસ્થાપિત દૂધનું વજન વધારે → ઉત્પલવન બળ વધારે → લેક્ટોમીટર ઓછું ડૂબે (ઉપર તરી રહે).
    • જો દૂધમાં પાણી મેળવ્યું હોય → ઘનતા ઘટે (~1.000 g/cm³ની નજીક) → વિસ્થાપિત દૂધનું વજન ઓછું → ઉત્પલવન બળ ઓછું → લેક્ટોમીટર વધારે ડૂબે.
  • સ્કેલ પર લખેલું “સ્પેસિફિક ગ્રેવિટી” વાંચીને જાણી શકાય કે દૂધ કેટલું શુદ્ધ છે (સામાન્ય રીતે 1.028થી 1.034 વચ્ચે હોવું જોઈએ).

વિજ્ઞાન – દળ અને વજન (ઉત્પલવન બળની સમજૂતી)

પ્રશ્ન: એક વજનકાંટા પર તમારું દળ 42 kg નોંધાય છે. શું તમારું દળ 42 kg કરતાં વધારે છે કે ઓછું?
સીધો જવાબ: તમારું સાચું દળ (mass) 42 kg કરતાં થોડું વધારે છે.

કેમ એવું થાય છે? સરળ સમજૂતી:
  • વજનકાંટો (જેને આપણે ઘરે કે જિમમાં વાપરીએ છીએ) ખરેખર તમારું વજન (Weight) માપે છે. એટલે કે પૃથ્વીના ગુરુત્વાકર્ષણ દ્વારા તમારા શરીર પર નીચેની તરફ લાગતું બળ (W = m × g).
  • પણ આ વજનકાંટો આપણને જવાબ kg (કિલોગ્રામ) માં જ દેખાડે છે (જેમ કે 42 kg), કારણ કે તેને એવી રીતે સેટ (કેલિબ્રેટ) કરવામાં આવ્યો હોય છે કે પૃથ્વી પર g ≈ 9.8 m/s² હોય ત્યારે તે બળને સીધું દળ (mass) તરીકે જ બતાવે.
વિજ્ઞાનનો મુખ્ય મુદ્દો (હવાનું ઉત્પલવન બળ):
અહીં એક મહત્વની વાત એ છે કે, જ્યારે તમે વજનકાંટા પર ઊભા રહો છો, ત્યારે તમે હવાની અંદર ડૂબેલા છો. આર્કિમિડીઝના સિદ્ધાંત (Archimedes Principle) મુજબ, જેમ આપણે પાણીમાં હળવા લાગીએ છીએ, તેમ હવામાં પણ હવા આપણા શરીર પર ઉપરની તરફ ઉત્પલવન બળ (Buoyant force) લગાવે છે.
વજનકાંટો જે માપે છે તે દેખીતું વજન = સાચું વજન – હવાનું ઉત્પલવન બળ
આનો અર્થ એ થયો કે વજનકાંટો જે વજન માપે છે તે તમારા સાચા વજન કરતા થોડું ઓછું હોય છે.
તેથી: દેખીતું વજન < સાચું વજન
અને સાચું દળ (m) = સાચું વજન / g. માટે: સાચું દળ > 42 kg (થોડું વધારે હોય છે).

કેટલો તફાવત હોય છે? (ગણતરી):
  • માણસના શરીરનું કદ (વોલ્યુમ) લગભગ 0.06 થી 0.08 m³ હોય છે (42 kg માટે તે આશરે 0.042 m³ થાય).
  • હવાની ઘનતા આશરે 1.2 kg/m³ હોય છે.
  • શરીર પર લાગતું હવાનું ઉત્પલવન બળ ≈ 0.05 થી 0.1 kg (એટલે કે 50 થી 100 ગ્રામ જેટલું).
💡 સારાંશ:

તમારું સાચું દળ 42 kg + 50 થી 100 ગ્રામ જેટલું વધારે હોય છે. રોજિંદા જીવનમાં આ 50-100 ગ્રામનો તફાવત નહિવત્ (ખૂબ નાનો) છે, એટલે આપણે “મારું દળ 42 kg છે” તેમ જ કહીએ છીએ. પરંતુ સખત વૈજ્ઞાનિક દૃષ્ટિએ તમારું દળ 42 kg કરતાં થોડું વધારે જ હોય છે.

વિજ્ઞાન – ઉત્પલવન બળનો વ્યવહારુ પ્રશ્ન

પ્રશ્ન: તમારી પાસે રૂ ભરેલો કોથળો અને લોખંડનો સળિયો છે. વજનકાંટા પર મૂકતાં બંનેનું દળ 100 kg નોંધાય છે. વાસ્તવમાં એક પદાર્થ બીજા કરતાં ભારે છે. કયો પદાર્થ ભારે છે અને કેમ?
સીધો જવાબ: વાસ્તવમાં રૂ ભરેલો કોથળો લોખંડના સળિયા કરતાં વધારે ભારે છે (એટલે કે રૂ નું સાચું દળ વધારે છે).

આવું કેમ થાય છે? સરળ વૈજ્ઞાનિક સમજૂતી:
  • કદ (Volume) નો તફાવત: 100 kg રૂ નો કોથળો કદમાં ખૂબ જ મોટો હોય છે (તે ઘણી બધી જગ્યા રોકે છે), જ્યારે 100 kg લોખંડનો સળિયો ખૂબ જ નાનો હોય છે.
  • હવાનું ઉત્પલવન બળ (Buoyant Force): આર્કિમિડીઝના સિદ્ધાંત મુજબ, જે વસ્તુ હવામાં વધુ જગ્યા રોકે છે, તેના પર હવાનું ઉપરની તરફ લાગતું બળ (ઉત્પલવન બળ) વધુ હોય છે. તેથી, રૂ ના મોટા કોથળા પર હવાનું ઉત્પલવન બળ લોખંડના સળિયા કરતાં ઘણું વધારે લાગે છે.
  • વજનકાંટાનું માપન: વજનકાંટો સાચું દળ નથી બતાવતો, પણ પદાર્થ પર લાગતા નીચે તરફના બળમાંથી ઉપર તરફનું હવાનું બળ બાદ કરીને “દેખીતું વજન” બતાવે છે.
વજનકાંટા પર દેખાતું વજન = સાચું વજન – હવાનું ઉત્પલવન બળ
ગણતરીનું તર્ક (Logic):
બંને વસ્તુઓ વજનકાંટા પર 100 kg બતાવે છે. લોખંડ પર હવાનું ઉત્પલવન બળ નહિવત્ (ખૂબ ઓછું) લાગે છે, તેથી તેનું સાચું વજન લગભગ 100 kg જ હોય છે.
પરંતુ, રૂ ના કોથળા પર હવાનું મોટું ઉત્પલવન બળ (ઉપર તરફ) લાગે છે. છતાં પણ વજનકાંટો 100 kg બતાવે છે, તો તેનો અર્થ એ છે કે રૂ નું વાસ્તવિક વજન (સાચું દળ) 100 kg કરતાં વધારે હોવું જ જોઈએ, જેથી તે મોટા ઉત્પલવન બળનો સામનો કર્યા પછી પણ કાંટા પર 100 kg દબાણ આપી શકે.
💡 સારાંશ:

રૂ નું કદ વધારે હોવાથી તેના પર હવાનું ઉપર તરફનું ધકેલતું બળ (ઉત્પલવન બળ) વધારે લાગે છે. આ બળની અસરને સરભર કરીને વજનકાંટા પર 100 kg દેખાડવા માટે, રૂ ના કોથળાનું વાસ્તવિક દળ 100 kg કરતાં થોડું વધારે હોવું જ જોઈએ.

વિજ્ઞાન – પ્રકરણ ૧૦: ગુરુત્વાકર્ષણ (સ્વાધ્યાય પ્રશ્ન ૧ થી ૧૨)

પ્રશ્ન ૧: જો બે પદાર્થો વચ્ચેનું અંતર અડધું કરવામાં આવે, તો તેમની વચ્ચે લાગતું ગુરુત્વાકર્ષણ બળ કેટલું થશે ?
જવાબ ૧: ગુરુત્વાકર્ષણ બળ (F) એ બંને પદાર્થો વચ્ચેના અંતર (d) ના વર્ગના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે. (F ∝ 1/d²).
જો અંતર અડધું (d/2) કરવામાં આવે, તો છેદમાં (1/2)² એટલે કે 1/4 થાય. છેદનો છેદ અંશમાં જાય એટલે બળ 4 ગણું થઈ જશે.
પ્રશ્ન ૨: દરેક પદાર્થ પર લાગતું ગુરુત્વાકર્ષણ બળ તેમના દળના સમપ્રમાણમાં હોય છે, તો પછી એક ભારે પદાર્થ હલકા પદાર્થની સાપેક્ષમાં વધારે ઝડપથી નીચે કેમ પડતો નથી ?
જવાબ ૨: મુક્ત પતન (Free fall) પામતા કોઈપણ પદાર્થનો પ્રવેગ (g) તે પદાર્થના પોતાના દળ પર આધાર રાખતો નથી.
સૂત્ર: g =
G × M (પૃથ્વીનું દળ)
આ સૂત્રમાં પદાર્થનું દળ (m) ક્યાંય આવતું નથી. તેથી હલકો કે ભારે બંને પદાર્થો એકસરખી ઝડપથી જ નીચે પડે છે.
પ્રશ્ન ૩: પૃથ્વી તથા તેની સપાટી પર રાખેલ 1 kg ના પદાર્થ વચ્ચે લાગતા ગુરુત્વીય બળનું મૂલ્ય કેટલું હશે ?
ગણતરી:
અહીં, M = 6 × 1024 kg, m = 1 kg, d = 6.4 × 106 m, G = 6.67 × 10-11 N·m²/kg²
F = G ×
M × m
F =
6.67 × 10-11 × 6 × 1024 × 1
(6.4 × 106
F =
40.02 × 1013
40.96 × 1012
9.8 N
આમ, બળ 9.8 ન્યૂટન હશે.
પ્રશ્ન ૪: પૃથ્વી તથા ચંદ્ર એકબીજાને આકર્ષે છે. શું પૃથ્વી જે બળથી ચંદ્રને આકર્ષે છે તે બળ, ચંદ્ર પૃથ્વીને આકર્ષે છે તે બળ કરતાં મોટું હોય છે, નાનું હોય છે કે સમાન હોય છે ? સમજાવો કેમ ?
જવાબ ૪: બંને બળ એકદમ સમાન (સરખા) હોય છે. ન્યૂટનના ગતિના ત્રીજા નિયમ મુજબ, બે પદાર્થો એકબીજા પર હંમેશા સમાન મૂલ્યનું અને વિરુદ્ધ દિશામાં બળ લગાડે છે (આઘાત અને પ્રત્યાઘાત).
પ્રશ્ન ૫: જો ચંદ્ર પૃથ્વીને આકર્ષિત કરતો હોય તો પૃથ્વી ચંદ્ર તરફ ગતિ કેમ નથી કરતી ?
જવાબ ૫: ન્યૂટનના બીજા નિયમ (F = ma → a = F/m) મુજબ, પ્રવેગ (ગતિ) એ દળના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે. પૃથ્વીનું દળ ચંદ્ર કરતાં ખૂબ જ વધારે (લગભગ 81 ગણું) છે. તેથી સમાન બળ લાગવા છતાં પૃથ્વીમાં ઉત્પન્ન થતો પ્રવેગ એટલો બધો ઓછો હોય છે કે આપણે પૃથ્વીને ચંદ્ર તરફ ગતિ કરતી જોઈ શકતા નથી.
પ્રશ્ન ૬: બે પદાર્થો વચ્ચે લાગતું બળ કેટલું થશે જો…
  • (i) એક પદાર્થનું દળ બમણું કરવામાં આવે: બળ દળના સમપ્રમાણમાં છે, તેથી બળ પણ બમણું (2 ગણું) થશે.
  • (ii) અંતર બમણું અને ત્રણગણું કરવામાં આવે: બળ અંતરના વર્ગના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં છે (1/d²). અંતર બમણું (2) થાય તો બળ 1/4 ગણું (ચોથા ભાગનું) થશે. અંતર ત્રણગણું (3) થાય તો બળ 1/9 ગણું (નવમા ભાગનું) થશે.
  • (iii) બંને પદાર્થોનું દળ બમણું કરવામાં આવે: (2m × 2m) = 4, તેથી બળ 4 ગણું થશે.
પ્રશ્ન ૭: ગુરુત્વાકર્ષણના સાર્વત્રિક નિયમનું શું મહત્ત્વ છે ?
જવાબ ૭: આ નિયમ નીચેની ઘટનાઓ સમજાવવામાં મહત્વનો છે:
૧. આપણને પૃથ્વી સાથે જકડી રાખતું બળ.
૨. પૃથ્વીની ફરતે ચંદ્રનું પરિક્રમણ.
૩. સૂર્યની ફરતે ગ્રહોનું પરિક્રમણ.
૪. ચંદ્ર અને સૂર્યને કારણે દરિયામાં આવતી ભરતી અને ઓટ.
પ્રશ્ન ૮: મુક્ત પતનનો પ્રવેગ કેટલો છે ?
જવાબ ૮: પૃથ્વીની સપાટી નજીક મુક્ત પતન પામતા પદાર્થનો પ્રવેગ (g) આશરે 9.8 m/s² હોય છે.
પ્રશ્ન ૯: પૃથ્વી તથા કોઈ પદાર્થ વચ્ચે લાગતા ગુરુત્વાકર્ષણ બળને આપણે શું કહીશું ?
જવાબ ૯: તેને આપણે તે પદાર્થનું વજન (Weight) કહીશું.
પ્રશ્ન ૧૦: અમિત ધ્રુવો પરથી સોનું ખરીદી વિષુવવૃત્ત પર મિત્રને આપે છે. શું મિત્ર વજનથી સંતુષ્ટ હશે? કેમ?
જવાબ ૧૦: ના, મિત્ર સંતુષ્ટ નહીં થાય.
કારણ કે પૃથ્વી સંપૂર્ણ ગોળ નથી, તે ધ્રુવો પાસે થોડી ચપટી છે. તેથી ધ્રુવો પર ગુરુત્વપ્રવેગ (g) નું મૂલ્ય વધારે હોય છે અને વિષુવવૃત્ત પર ઓછું હોય છે. વજન (W = mg) ‘g’ પર આધાર રાખે છે. તેથી ધ્રુવો પર ખરીદેલા સોનાનું વજન વિષુવવૃત્ત પર ઓછું નોંધાશે, જેથી મિત્રને લાગશે કે સોનું ઓછું છે.
પ્રશ્ન ૧૧: એક કાગળની શીટ તેના જેવી જ શીટને વાળીને બનાવેલ દડાની સાપેક્ષમાં ધીમેથી નીચે પડે છે – કેમ ?
જવાબ ૧૧: ખુલ્લા કાગળની શીટનું ક્ષેત્રફળ (સપાટી) દડા કરતા વધારે હોય છે. જ્યારે તે નીચે પડે છે, ત્યારે મોટી સપાટી પર હવાનો અવરોધ (ઉપર તરફ લાગતું હવાનું બળ) વધારે લાગે છે. દડાની સપાટી નાની હોવાથી હવાનો અવરોધ ઓછો લાગે છે. તેથી કાગળની શીટ ધીમે પડે છે.
પ્રશ્ન ૧૨: એક 10 kg ની વસ્તુનું ચંદ્ર પર તથા પૃથ્વી પર ન્યૂટનમાં વજન કેટલું થશે ?
ગણતરી: દળ (m) = 10 kg

૧. પૃથ્વી પર વજન (We):
We = m × g = 10 × 9.8 = 98 N (ન્યૂટન)

૨. ચંદ્ર પર વજન (Wm):
ચંદ્ર પર વજન પૃથ્વી કરતા છઠ્ઠા ભાગનું (1/6) હોય છે.
Wm =
We
6
=
98
6
= 16.33 N (ન્યૂટન)

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *