ঢালু পথে রিকশাভ্যান ও ঘর্ষণ
মান বদলাও, চালাও, আর দেখো কী ঘটে।
একটি ফ্লাইওভারের সংযোগ ঢালে ১০০ kg ভরের একটি মালবোঝাই রিকশাভ্যান দাঁড়িয়ে আছে। ভ্যানের চাকা ও পিচ ঢালা রাস্তার মধ্যবর্তী ঘর্ষণ গুণাঙ্ক μ = ০.৫৭৭ (যেখানে tan(৩০°) ≈ ০.৫৭৭)। বর্তমানে ঢালটির কোণ ১৫° হওয়ায় ভ্যানটি নিরাপদে স্থির হয়ে থাকে। ঢালের খাড়া ভাব বা কোণ বাড়াতে থাকলে ঠিক কত ডিগ্রি কোণে পৌঁছালে ভ্যানটি আর স্থির থাকতে পারবে না এবং নিচে পিছলে পড়তে শুরু করবে?
কত ডিগ্রি কোণে রিকশাভ্যানটি পিছলে নিচে নামতে শুরু করবে?
- ২০° — ভ্যানটি অনেক ভারী (১০০ kg), তাই কম ঢালেই ওজন এটিকে নিচে টেনে নামাবে
- ৩০° — কারণ tan(৩০°) ≈ ০.৫৭৭, এই কোণে ঢাল বরাবর বল সীমাস্ত ঘর্ষণকে ছাড়িয়ে যায়
- ৪৫° — ঢালের কোণ ৪৫° না হলে নিচের দিকের বল ঘর্ষণ বলকে হারাতে পারে না
যা বদলাতে পারবে
- রিকশাভ্যানের ভর: ২০ থেকে ২০০ kg
- ঢালের কোণ: ০ থেকে ৬০ °
যা মেপে দেখাবে
- ঢাল বরাবর ওজনের উপাংশ (mg sinθ) (N)
- সর্বোচ্চ সীমাস্ত ঘর্ষণ বল (μ mg cosθ) (N)
- ঢাল বরাবর লব্ধি বল (N)
- ত্বরণ (m/s²)
চালানোর সময় খেয়াল করো
- ঢালের কোণ ধীরে ধীরে ৩০° পর্যন্ত বাড়িয়ে দেখো। কখন ঢাল বরাবর বল সর্বোচ্চ ঘর্ষণ বলকে ছাড়িয়ে যায়? ভর পরিবর্তন করলে কি পিছলে পড়ার কোণ বদলায়?
নিজে করে দেখো
- ভ্যানটি এখনো দাঁড়িয়ে থাকে এমন সবচেয়ে খাড়া ঢাল (পূর্ণ ডিগ্রিতে) খুঁজে বের করো।
ইঙ্গিত
ঢাল বরাবর ওজনের অংশ যতক্ষণ সীমাস্থ ঘর্ষণের চেয়ে কম, ততক্ষণ ভ্যান নড়ে না।
- ব্রেক পরীক্ষার জন্য এমন একটি ঢাল বানাও যেখানে ব্রেক ছাড়া ভ্যানটি প্রতি সেকেন্ডে অন্তত ১ m/s করে বেগ বাড়িয়ে নিচে নামে।
ইঙ্গিত
নিচের দিকে ত্বরণ ঋণাত্মক দেখায়। ঢাল বাড়াও, তবে ভর বদলে কি কিছু হয়?
ধারণাটা কী?আগে নিজে চালিয়ে দেখো, তারপর খোলো।
ঢালু তলে গতির শর্ত ও নিশ্চল কোণ
ঢালু তলে রাখা বস্তুর ওপর দুটি বিপরীতমুখী বল কাজ করে: ঢাল বেয়ে নিচের দিকে টানে ওজনের উপাংশ (mg sinθ), আর পিছলে পড়ায় বাধা দেয় সর্বোচ্চ সীমাস্ত ঘর্ষণ বল (μ mg cosθ)। যখন mg sinθ > μ mg cosθ হয়, কেবল তখনই লব্ধি বলের সৃষ্টি হয় এবং বস্তুটি পিছলে নিচে নামতে শুরু করে। সমীকরণটির উভয় পাশ থেকে ভর (m) ও অভিকর্ষজ ত্বরণ (g) বাদ দিলে পাই tanθ > μ। অর্থাৎ, কোনো বস্তু কত কোণে পিছলে পড়তে শুরু করবে তা ভরের ওপর মোটেও নির্ভর করে না, কেবল তলদ্বয়ের ঘর্ষণ গুণাঙ্ক μ-এর ওপর নির্ভর করে।
অন্য উত্তরগুলো কেন ভুল
অনেকে মনে করেন ভারী ভ্যান বেশি ওজনের কারণে হালকা ভ্যানের চেয়ে আগেই পিছলে পড়বে। কিন্তু ভর বাড়লে যেমন নিচের দিকের টান (mg sinθ) বাড়ে, তেমনি রাস্তার ওপর চাপ বৃদ্ধি পাওয়ায় বাধাদানকারী সর্বোচ্চ ঘর্ষণ বলও (μ mg cosθ) ঠিক একই অনুপাতে বেড়ে যায়! ফলে উভয় বলের মধ্যে ভর কাটাকাটি হয়ে যায়। tan(৩০°) ≈ ০.৫৭৭ হওয়ায় ঠিক ৩০° কোণেই ঢাল বরাবর বল ঘর্ষণকে ছাড়িয়ে যায়।
যেসব ভুল ধারণা হয়
- ভারী বস্তু বেশি ওজনের কারণে হালকা বস্তুর চেয়ে কম ঢালেই পিছলে পড়তে শুরু করে
- ঢালের কোণ ৪৫° না হওয়া পর্যন্ত কোনো বস্তু কখনোই নিজে থেকে পিছলে পড়তে পারে না
বাস্তবে কোথায় দেখা যায়
- ফ্লাইওভার, সেতু ও পাহাড়ি রাস্তার সংযোগ ঢাল এমন কোণে তৈরি করা যেন বৃষ্টিতে রাস্তা পিচ্ছিল হলেও যানবাহন পিছলে না পড়ে
- পণ্যবাহী ট্রাক বা ভ্যান থেকে ভারী মালামাল ও চালের বস্তা নিরাপদে নামানোর জন্য কাঠের পাটাতনের উপযুক্ত ঢাল নির্ধারণে