గత కొన్ని అధ్యాయాలలో మనం వస్తువుల చలనాన్ని వివరించే విధాలు, చలనానికి కారణం మరియు గురుత్వాకర్షణ గురించి మాట్లాడాము. అనేక సహజ దృగ్విషయాలను అర్థం చేసుకోవడానికి మరియు వివరించడానికి మనకు సహాయపడే మరొక భావన ‘పని’. పనితో దగ్గరి సంబంధం ఉన్నవి శక్తి మరియు సామర్థ్యం. ఈ అధ్యాయంలో మనం ఈ భావనలను అధ్యయనం చేస్తాము.

అన్ని జీవులకు ఆహారం అవసరం. జీవించడానికి జీవులు అనేక ప్రాథమిక కార్యకలాపాలను చేయాలి. మనం అటువంటి కార్యకలాపాలను ‘జీవ ప్రక్రియలు’ అని పిలుస్తాము. ఈ ప్రక్రియలకు అవసరమైన శక్తి ఆహారం నుండి వస్తుంది. ఆడటం, పాడటం, చదవడం, రాయడం, ఆలోచించడం, దూకడం, సైకిల్ తొక్కడం మరియు పరుగెత్తడం వంటి ఇతర కార్యకలాపాలకు మనకు శక్తి అవసరం. శ్రమతో కూడిన కార్యకలాపాలకు ఎక్కువ శక్తి అవసరం.

జంతువులు కూడా కార్యకలాపాలలో నిమగ్నమవుతాయి. ఉదాహరణకు, అవి దూకవచ్చు మరియు పరిగెత్తవచ్చు. అవి పోరాడాలి, శత్రువుల నుండి దూరంగా వెళ్లాలి, ఆహారం కనుగొనాలి లేదా నివసించడానికి సురక్షితమైన స్థలాన్ని కనుగొనాలి. అలాగే, మనం కొన్ని జంతువులను బరువులు ఎత్తడానికి, సామాను మోయడానికి, బండ్లను లాగడానికి లేదా పొలాలు దున్నడానికి ఉపయోగిస్తాము. అన్ని అటువంటి కార్యకలాపాలకు శక్తి అవసరం.

యంత్రాల గురించి ఆలోచించండి. మీరు ఎదుర్కొన్న యంత్రాల జాబితాను తయారు చేయండి. అవి పని చేయడానికి ఏమి కావాలి? కొన్ని ఇంజన్లకు పెట్రోల్ మరియు డీజిల్ వంటి ఇంధనం ఎందుకు అవసరం? జీవులు మరియు యంత్రాలకు శక్తి ఎందుకు అవసరం?

10.1 పని

పని అంటే ఏమిటి? రోజువారీ జీవితంలో మనం ‘పని’ అనే పదాన్ని ఉపయోగించే విధానం మరియు విజ్ఞానంలో దానిని ఉపయోగించే విధానంలో తేడా ఉంది. ఈ విషయాన్ని స్పష్టం చేయడానికి కొన్ని ఉదాహరణలను పరిశీలిద్దాం.

10.1.1 కష్టపడి పని చేసినా ‘పని’ చాలా లేదు!

కమలి పరీక్షలకు సిద్ధం కావడం. ఆమె చదువులో చాలా సమయం గడుపుతుంది. ఆమె పుస్తకాలు చదువుతుంది, రేఖాచిత్రాలు గీస్తుంది, తన ఆలోచనలను నిర్వహిస్తుంది, ప్రశ్న పత్రాలను సేకరిస్తుంది, తరగతులకు హాజరవుతుంది, స్నేహితులతో సమస్యలను చర్చిస్తుంది మరియు ప్రయోగాలు చేస్తుంది. ఈ కార్యకలాపాలపై ఆమె చాలా శక్తిని వెచ్చిస్తుంది. సామాన్యంగా చెప్పాలంటే, ఆమె ‘కష్టపడి పని చేస్తోంది’. ఈ ‘కష్టపడి పని’ అంతా ‘పని’ చాలా తక్కువగా ఉండవచ్చు, మనం పని యొక్క శాస్త్రీయ నిర్వచనం ప్రకారం చూస్తే.

మీరు ఒక పెద్ద రాతిని నెట్టడానికి కష్టపడుతున్నారు. ఆ రాయి అన్ని ప్రయత్నాలు ఉన్నప్పటికీ కదలదు అని చెప్పండి. మీరు పూర్తిగా అలసిపోతారు. అయితే, రాతి స్థానభ్రంశం లేనందున మీరు రాతిపై ఎటువంటి పని చేయలేదు.

మీరు తలపై భారీ సామానుతో కొన్ని నిమిషాలు నిలబడి ఉంటారు. మీరు అలసిపోతారు. మీరు మీ శక్తిని వినియోగించారు మరియు మీ శక్తిలో కొంత భాగాన్ని ఖర్చు చేశారు. మీరు సామానుపై పని చేస్తున్నారా? మనం విజ్ఞానంలో ‘పని’ అనే పదాన్ని అర్థం చేసుకునే విధంగా, పని జరగదు.

మీరు మెట్ల మెట్లు ఎక్కి ఒక భవనం యొక్క రెండవ అంతస్తుకు చేరుకుంటారు, అక్కడి నుండి ప్రకృతి దృశ్యాన్ని చూడటానికి. మీరు ఒక పొడవైన చెట్టు కూడా ఎక్కవచ్చు. మనం శాస్త్రీయ నిర్వచనాన్ని వర్తింపజేస్తే, ఈ కార్యకలాపాలు చాలా పనిని కలిగి ఉంటాయి.

రోజువారీ జీవితంలో, మనం ఏదైనా ఉపయోగకరమైన శారీరక లేదా మానసిక శ్రమను పనిగా పరిగణిస్తాము. మైదానంలో ఆడటం, స్నేహితులతో మాట్లాడటం, ఒక స్వరాన్ని గుణగుణలాడటం, సినిమా చూడటం, ఒక కార్యక్రమంలో పాల్గొనడం వంటి కార్యకలాపాలు కొన్నిసార్లు పనిగా పరిగణించబడవు. ‘పని’గా ఏది భావించబడుతుందో అది మనం దానిని ఎలా నిర్వచించాము అనే దానిపై ఆధారపడి ఉంటుంది. మనం విజ్ఞానంలో ‘పని’ అనే పదాన్ని భిన్నంగా ఉపయోగిస్తాము మరియు నిర్వచిస్తాము. దీనిని అర్థం చేసుకోవడానికి కింది కార్యకలాపాలు చేద్దాం:

కార్యకలాపం 10.1

• రోజువారీ జీవితంలో మనం సాధారణంగా పనిగా భావించే అనేక కార్యకలాపాలను పై పేరాలలో చర్చించాము. ఈ కార్యకలాపాలలో ప్రతి ఒక్కటికి, కింది ప్రశ్నలను అడగండి మరియు వాటికి సమాధానం ఇవ్వండి:

  (i) ఏ వస్తువుపై పని జరుగుతోంది?

  (ii) వస్తువుకు ఏమి జరుగుతోంది?

  (iii) ఎవరు (ఏది) పని చేస్తున్నారు?

10.1.2 పని యొక్క శాస్త్రీయ భావన

విజ్ఞానం దృష్టికోణం నుండి మనం పనిని ఎలా చూస్తాము మరియు పనిని ఎలా నిర్వచిస్తామో అర్థం చేసుకోవడానికి, కొన్ని పరిస్థితులను పరిశీలిద్దాం:

ఒక ఉపరితలంపై పడి ఉన్న ఒక గులకరాయిని నెట్టండి. ఆ గులకరాయి ఒక దూరం ద్వారా కదులుతుంది. మీరు గులకరాయిపై ఒక బలాన్ని ప్రయోగించారు మరియు గులకరాయి స్థానభ్రంశం చెందింది. ఈ పరిస్థితిలో పని జరిగింది.

ఒక అమ్మాయి ఒక ట్రాలీని లాగుతుంది మరియు ట్రాలీ ఒక దూరం ద్వారా కదులుతుంది. ఆ అమ్మాయి ట్రాలీపై ఒక బలాన్ని ప్రయోగించింది మరియు అది స్థానభ్రంశం చెందింది. కాబట్టి, పని జరిగింది.

ఒక పుస్తకాన్ని ఒక ఎత్తు ద్వారా ఎత్తండి. దీన్ని చేయడానికి మీరు తప్పనిసరిగా ఒక బలాన్ని ప్రయోగించాలి. పుస్తకం పైకి లేస్తుంది. పుస్తకంపై ఒక బలం ప్రయోగించబడింది మరియు పుస్తకం కదిలింది. అందువల్ల, పని జరిగింది.

పై పరిస్థితులను దగ్గరగా పరిశీలిస్తే, పని జరగడానికి రెండు షరతులు తప్పనిసరిగా నెరవేరాలని తెలుస్తుంది: (i) ఒక వస్తువుపై ఒక బలం పని చేయాలి, మరియు (ii) ఆ వస్తువు స్థానభ్రంశం చెందాలి.

పైన పేర్కొన్న షరతులలో ఏదైనా ఒకటి లేకుంటే, పని జరగదు. ఇది మనం విజ్ఞానంలో పనిని చూసే విధానం.

ఒక ఎద్దు బండిని లాగుతోంది. బండి కదులుతుంది. బండిపై ఒక బలం ఉంది మరియు బండి కదిలింది. ఈ పరిస్థితిలో పని జరిగిందని మీరు భావిస్తున్నారా?

కార్యకలాపం 10.2

• మీ రోజువారీ జీవితం నుండి పనిని కలిగి ఉన్న కొన్ని పరిస్థితుల గురించి ఆలోచించండి.

• వాటిని జాబితా చేయండి.

• ప్రతి పరిస్థితిలో పని జరుగుతోందో లేదో మీ స్నేహితులతో చర్చించండి.

• మీ ప్రతిస్పందనకు కారణం చెప్పడానికి ప్రయత్నించండి.

• పని జరిగితే, వస్తువుపై పనిచేసే బలం ఏది?

• పని జరిగే వస్తువు ఏది?

• పని జరిగే వస్తువుకు ఏమి జరుగుతుంది?

కార్యకలాపం 10.3

• ఒక బలం వస్తువుపై పని చేసినప్పటికీ వస్తువు స్థానభ్రంశం చెందని పరిస్థితుల గురించి ఆలోచించండి.

• అలాగే ఒక బలం వస్తువుపై పని చేయకుండానే వస్తువు స్థానభ్రంశం చెందే పరిస్థితుల గురించి ఆలోచించండి.

• ప్రతి ఒక్కదానికి మీరు ఆలోచించగలిగిన అన్ని పరిస్థితులను జాబితా చేయండి.

• ఈ పరిస్థితులలో పని జరుగుతోందో లేదో మీ స్నేహితులతో చర్చించండి.

10.1.3 స్థిర బలం చేత చేయబడిన పని

విజ్ఞానంలో పని ఎలా నిర్వచించబడింది? దీనిని అర్థం చేసుకోవడానికి, మనం మొదట బలం స్థానభ్రంశం దిశలో పనిచేసే సందర్భాన్ని పరిశీలిద్దాం.

ఒక స్థిర బలం, $F$ ఒక వస్తువుపై పని చేయనివ్వండి. ఆ వస్తువు బలం దిశలో (Fig. 10.1) ఒక దూరం, $s$ ద్వారా స్థానభ్రంశం చెందనివ్వండి. $W$ చేయబడిన పనిగా ఉండనివ్వండి. మనం పనిని బలం మరియు స్థానభ్రంశం యొక్క లబ్దానికి సమానంగా నిర్వచిస్తాము.

చేయబడిన పని $=$ బలం $\times$ స్థానభ్రంశం

Fig. 10.1

అందువలన, ఒక వస్తువుపై పనిచేసే బలం చేత చేయబడిన పని బలం యొక్క పరిమాణానికి మరియు బలం దిశలో కదిలిన దూరానికి గుణించబడినదికి సమానం. పనికి కేవలం పరిమాణం మాత్రమే ఉంటుంది, దిశ ఉండదు.

Eq. (10.1) లో, $F=1 N$ మరియు $s=1 m$ అయితే, బలం చేత చేయబడిన పని $1 N m$ అవుతుంది. ఇక్కడ పని యొక్క ప్రమాణం న్యూటన్ మీటర్ ( $N m$ ) లేదా జౌల్ $(J)$. అందువలన $1 J$ అనేది $1 N$ బలం ఒక వస్తువును దాని బలం యొక్క క్రియా రేఖ వెంట $1 m$ ద్వారా స్థానభ్రంశం చేసినప్పుడు ఆ వస్తువుపై చేయబడిన పని మొత్తం.

Eq. (10.1) ను జాగ్రత్తగా చూడండి. వస్తువుపై బలం సున్నా అయినప్పుడు చేయబడిన పని ఎంత? వస్తువు యొక్క స్థానభ్రంశం సున్నా అయినప్పుడు చేయబడిన పని ఎంత? పని జరిగిందని చెప్పడానికి నెరవేరాల్సిన షరతులను సూచించండి.

ఉదాహరణ 10.1 $5 N$ బలం ఒక వస్తువుపై పని చేస్తోంది. ఆ వస్తువు బలం దిశలో (Fig. 10.2) $2 m$ ద్వారా స్థానభ్రంశం చెందింది. స్థానభ్రంశం అంతటా బలం వస్తువుపై పని చేస్తే, చేయబడిన పని $5 N \times 2 m=10 N m$ లేదా $10 J$.

Fig. 10.2

బలం మరియు స్థానభ్రంశం ఒకే దిశలో ఉన్న మరొక పరిస్థితిని పరిగణించండి: ఒక శిశువు ఒక బొమ్మ కారును నేలకు సమాంతరంగా లాగడం, Fig. 10.4లో చూపినట్లుగా. శిశువు కారు యొక్క స్థానభ్రంశం దిశలో ఒక బలాన్ని ప్రయోగించింది. ఈ పరిస్థితిలో, చేయబడిన పని బలం మరియు స్థానభ్రంశం యొక్క లబ్దానికి సమానంగా ఉంటుంది. అటువంటి పరిస్థితులలో, బలం చేత చేయబడిన పని ధనాత్మకంగా తీసుకోబడుతుంది.

Fig. 10.4

ఒక వస్తువు ఒక నిర్దిష్ట దిశలో ఏకరీతి వేగంతో కదులుతున్న పరిస్థితిని పరిగణించండి. ఇప్పుడు ఒక నిరోధక బలం, $F$, వ్యతిరేక దిశలో ప్రయోగించబడుతుంది. అంటే, రెండు దిశల మధ్య కోణం $180^{\circ}$. ఆ వస్తువు $s$ స్థానభ్రంశం తర్వాత ఆగిపోయింది అనుకుందాం. అటువంటి పరిస్థితిలో, బలం చేత చేయబడిన పని, $F$ ఋణాత్మకంగా తీసుకోబడుతుంది మరియు మైనస్ గుర్తుతో సూచించబడుతుంది. బలం చేత చేయబడిన పని $F \times(-S)$ లేదా $(-F \times s)$.

పై చర్చ నుండి బలం చేత చేయబడిన పని ధనాత్మకంగా లేదా ఋణాత్మకంగా ఉండవచ్చని స్పష్టమవుతుంది. దీనిని అర్థం చేసుకోవడానికి, కింది కార్యకలాపం చేద్దాం:

కార్యకలాపం 10.4

• ఒక వస్తువును పైకి ఎత్తండి. మీరు వస్తువుపై ప్రయోగించిన బలం చేత పని జరుగుతుంది. వస్తువు పైకి కదులుతుంది. మీరు ప్రయోగించిన బలం స్థానభ్రంశం దిశలో ఉంటుంది. అయితే, వస్తువుపై గురుత్వాకర్షణ బలం పని చేస్తుంది.

• ఈ బలాలలో ఏది ధనాత్మక పని చేస్తోంది?

• ఏది ఋణాత్మక పని చేస్తోంది?

• కారణాలు ఇవ్వండి.

బలం స్థానభ్రంశం దిశకు వ్యతిరేక దిశలో పని చేసినప్పుడు చేయబడిన పని ఋణాత్మకంగా ఉంటుంది. బలం స్థానభ్రంశం దిశలో ఉన్నప్పుడు చేయబడిన పని ధనాత్మకంగా ఉంటుంది.

ఉదాహరణ 10.2 ఒక బోయి $15 kg$ బరువున్న సామానును నేల నుండి ఎత్తి తన తలపై $1.5 m$ ఎత్తులో ఉంచుతాడు. అతను సామానుపై చేసిన పనిని లెక్కించండి.

సాధన:

సామాను యొక్క ద్రవ్యరాశి, $m=15 kg$ మరియు స్థానభ్రంశం, $s=1.5 m$.

చేయబడిన పని, $$W=F \times s=m g \times s$$

$$ \hspace{45px}=15 kg \times 10 m s^{-2} \times 1.5 m$$

$$=225 kg m s^{-2} m$$

$$=225 N m=225 J$$

చేయబడిన పని $225 J$.

10.2 శక్తి

శక్తి లేకుండా జీవితం అసాధ్యం. శక్తి డిమాండ్ ఎప్పుడూ పెరుగుతూనే ఉంటుంది. మనకు శక్తి ఎక్కడ నుండి లభిస్తుంది? సూర్యుడు మనకు అతిపెద్ద సహజ శక్తి వనరు. మన శక్తి వనరులలో చాలా వరకు సూర్యుడి నుండి వచ్చాయి. మనం అణువుల కేంద్రకాల నుండి, భూమి లోపలి భాగం నుండి మరియు అలల నుండి కూడా శక్తిని పొందవచ్చు. మీరు ఇతర శక్తి వనరుల గురించి ఆలోచించగలరా?

కార్యకలాపం 10.5

• కొన్ని శక్తి వనరులు పైన జాబితా చేయబడ్డాయి. ఇంకా అనేక ఇతర శక్తి వనరులు ఉన్నాయి. వాటిని జాబితా చేయండి.

• కొన్ని శక్తి వనరులు సూర్యుడి వల్ల ఏర్పడతాయనే విషయాన్ని చిన్న సమూహాలలో చర్చించండి.

• సూర్యుడి వల్ల కాకుండా ఉండే శక్తి వనరులు ఉన్నాయా?

శక్తి అనే పదం రోజువారీ జీవితంలో చాలా తరచుగా ఉపయోగించబడుతుంది, కానీ విజ్ఞానంలో మనం దీనికి ఖచ్చితమైన మరియు స్పష్టమైన అర్థాన్ని ఇస్తాము. కింది ఉదాహరణలను పరిగణించండి: వేగంగా కదులుతున్న క్రికెట్ బంతి స్థిరంగా ఉన్న వికెట్ను తాకినప్పుడు, వికెట్ దూరంగా విసిరివేయబడుతుంది. అదేవిధంగా, ఒక వస్తువు ఒక నిర్దిష్ట ఎత్తుకు ఎత్తబడినప్పుడు పని చేసే సామర్థ్యాన్ని పొందుతుంది. ఒక ఎత్తబడిన సుత్తి కలప ముక్కపై ఉంచబడిన మేకుపై పడినప్పుడు, అది మేకును కలపలోకి నెట్టివేస్తుందని మీరు చూసి ఉండాలి. ఒక బొమ్మ (బొమ్మ కారు వంటిది) చిలుకుతున్న పిల్లలను కూడా మనం గమనించాము మరియు బొమ్మ నేలపై ఉంచబడినప్పుడు, అది కదలడం ప్రారంభిస్తుంది. ఒక బెలూన్ను గాలితో నింపినప్పుడు మరియు మనం దానిని నొక్కినప్పుడు దాని ఆకారంలో మార్పును గమనించాము. మనం దానిని మెల్లగా నొక్కినంత కాలం, బలం తీసివేయబడినప్పుడు అది దాని అసలు ఆకారానికి తిరిగి రాగలదు. అయితే, మనం బెలూన్ను గట్టిగా నొక్కినట్లయితే, అది పేలుడు శబ్దాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తూ పేలవచ్చు. ఈ ఉదాహరణలన్నింటిలో, వస్తువులు వివిధ మార్గాల ద్వారా పని చేసే సామర్థ్యాన్ని పొందుతాయి. పని చేసే సామర్థ్యం ఉన్న వస్తువు శక్తిని కలిగి ఉందని చెప్పబడుతుంది. పని చేసే వస్తువు శక్తిని కోల్పోతుంది మరియు పని జరిగే వస్తువు శక్తిని పొందుతుంది.

శక్తి ఉన్న వస్తువు ఎలా పని చేస్తుంది? శక్తిని కలిగి ఉన్న వస్తువు మరొక వస్తువుపై బలాన్ని ప్రయోగించగలదు. ఇది జరిగినప్పుడు, శక్తి మొదటి నుండి రెండవ వస్తువుకు బదిలీ చేయబడుతుంది. రెండవ వస్తువు శక్తిని స్వీకరించినందున కదులుతుంది మరియు అందువల్ల కొంత పని చేస్తుంది. అందువలన, మొదటి వస్తువుకు పని చేసే సామర్థ్యం ఉంది. ఇది శక్తిని కలిగి ఉన్న ఏదైనా వస్తువు పని చేయగలదని సూచిస్తుంది.

ఒక వస్తువు కలిగి ఉన్న శక్తి దాని పని చేసే సామర్థ్యం పరంగా కొలవబడుతుంది. అందువలన, శక్తి యొక్క ప్రమాణం పని యొక్క ప్రమాణానికి సమానం, అంటే, జౌల్ ( $J) .1 J$ అనేది 1 జౌల్ పని చేయడానికి అవసరమైన శక్తి. కొన్నిసార్లు కిలో జౌల్ (kJ) అనే పెద్ద శక్తి ప్రమాణం ఉపయోగించబడుతుంది. $1 kJ$ సమానం $1000 J$.

10.2.1 శక్తి రూపాలు

అదృష్టవశాత్తూ మనం జీవించే ప్రపంచం అనేక విభిన్న రూపాలలో శక్తిని అందిస్తుంది. వివిధ రూపాలలో యాంత్రిక శక్తి (స్థితిజ శక్తి + గతిజ శక్తి), ఉష్ణ శక్తి, రసాయన శక్తి, విద్యుత్ శక్తి మరియు కాంతి శక్తి ఉంటాయి.

దానిపై ఆలోచించండి !

ఏదైనా ఏ