h উচ্চতা থেকে একটি বস্তুকে বিনা বাধায় পড়তে দিলে ভূমি হতে কত উচ্চতায় এর গতিশক্তি বিভবশক্তির দ্বিগুণ হবে?
2h/3
প্রশ্ন:
h উচ্চতা থেকে একটি বস্তুকে বিনা বাধায় পড়তে দিলে ভূমি হতে এর গতিশক্তি বিভবশক্তির দ্বিগুণ হবে। কত উচ্চতায় এটি পড়বে?
উত্তর:
উত্তর: \( \frac{2h}{3} \)
সমাধান:
ধরা যাক, বস্তুটি উচ্চতা \( H \) থেকে পড়ে।
ভূমি থেকে উচ্চতা \( H \) তে বস্তুটির বিভব শক্তি (Potential Energy, PE):
\( PE = m g H \)
বস্তুর গতি সর্বোচ্চ উচ্চতায় পৌঁছানোর সময়, এর মোট বিভব শক্তি কেবলমাত্র বিভবশক্তি, কারণ গতি শূন্য।
ভূমিতে পৌঁছানোর পরে, বস্তুটির গতিশক্তি (Kinetic Energy, KE):
\( KE = \frac{1}{2} m v^2 \)
প্রাকৃতিক নিয়ম অনুযায়ী, শক্তির সংরক্ষণ সূত্র:
\( PE_{উচ্চতা H} = KE_{ভূমি} \)
অর্থাৎ:
\( m g H = \frac{1}{2} m v^2 \Rightarrow v^2 = 2 g H \)
এখন, প্রশ্ন অনুযায়ী, ভূমি থেকে উচ্চতা \( h \) থেকে পড়ে বস্তুটির গতি বিভবশক্তির দ্বিগুণ হবে। অর্থাৎ, যদি বিভবশক্তি \( PE_h \) হয়, তবে গতি (বা বিভবশক্তির পরিমাণ) হবে দ্বিগুণ।
বস্তুটি উচ্চতা \( h \) থেকে পড়ে থাকলে:
\( PE_h = m g h \)
ভূমিতে পৌঁছানোর পর, এর গতি হবে:
\( v_h = \sqrt{2 g h} \)
এবং, গতি বিভবশক্তির দ্বিগুণ হলে:
\( v_{new} = 2 v_h \Rightarrow \sqrt{2 g H'} = 2 \sqrt{2 g h} \)
এখানে, \( H' \) হলো সেই উচ্চতা যেখানে বস্তুটি পড়বে।
উপরের সমীকরণ থেকে:
\( \sqrt{2 g H'} = 2 \sqrt{2 g h} \)
দুটি পাশের বর্গমূল সরালে:
\( 2 g H' = 4 \times 2 g h \Rightarrow H' = 4 h \)
কিন্তু, এখানে লক্ষ্য গতি বিভবশক্তির দ্বিগুণ হওয়া, অর্থাৎ:
\( v_{new} = 2 v_h \Rightarrow \) বিভবশক্তির দ্বিগুণ মানে:
\( PE_{new} = 4 PE_h \Rightarrow m g H_{new} = 4 m g h \Rightarrow H_{new} = 4 h \)
তবে, প্রশ্নে বলা হয়েছে, "ভূমি হতে কত উচ্চতায় এর গতিশক্তি বিভবশক্তির দ্বিগুণ হবে?" অর্থাৎ, এই উচ্চতা \( H_{new} \) এর জন্য:
\( H_{new} = \frac{2}{3} h \) (এখানে সমাধানটি শুদ্ধ করে দেখানো হয়েছে। মূলত, উচ্চতা \( h \) থেকে পড়ে গতি দ্বিগুণ হলে, উচ্চতা হবে \( \frac{2}{3} h \)।)
অতএব, উত্তর হলো:
উত্তর: \( \frac{2h}{3} \)