न्यूटन का श्यानता नियम

श्यानता द्रवों का एक गुण है जो उनके प्रवाह के प्रति प्रतिरोध को दर्शाता है। यह द्रव में उपस्थित अणुओं के परस्पर क्रिया-कलाप से उत्पन्न होता है, जो एक-दूसरे से टकराते हैं और घर्षण पैदा करते हैं। जितना अधिक श्यान कोई द्रव होगा, उतनी धीमी गति से वह बहेगा।

न्यूटन का श्यानता नियम कहता है कि द्रव में अपरुपण प्रतिबल (shear stress) वेग ग्रेडिएंट के समानुपाती होता है। दूसरे शब्दों में, जितनी तेजी से द्रव बह रहा होगा, प्रवाह के प्रति प्रतिरोध उतना ही अधिक होगा।

न्यूटन के श्यानता नियम का गणितीय व्यंजक इस प्रकार है:

$$\tau = \mu \frac{du}{dy}$$

जहाँ:

• $\tau$ द्रव में अपरुपण प्रतिबल है (पास्कल, Pa में)
• $\mu$ द्रव की गतिशील श्यानता है (पास्कल-सेकंड, Pa·s में)
• $\frac{du}{dy}$ वेग ग्रेडिएंट है (प्रति सेकंड, s^-1 में)

गतिशील और गतिक श्यानता

श्यानता के दो प्रकार होते हैं: गतिशील श्यानता और गतिक श्यानता।

• गतिशील श्यानता द्रव के आंतरिक घर्षण के कारण प्रवाह के प्रति उसके प्रतिरोध की माप है। इसे पास्कल-सेकंड (Pa·s) इकाइयों में व्यक्त किया जाता है।
• गतिक श्यानता द्रव के घनत्व के कारण प्रवाह के प्रति उसके प्रतिरोध की माप है। इसे वर्ग मीटर प्रति सेकंड (m²/s) इकाइयों में व्यक्त किया जाता है।

गतिशील श्यानता और गतिक श्यानता के बीच संबंध इस प्रकार है:

$$\nu = \frac{\mu}{\rho}$$

जहाँ:

• $\nu$ गतिशील श्यानता है (वर्ग मीटर प्रति सेकंड में, m²/s)
• $\mu$ गतिशील श्यानता है (पास्कल-सेकंड में, Pa·s)
• $\rho$ द्रव का घनत्व है (किलोग्राम प्रति घन मीटर में, kg/m³)

न्यूटन का श्यानता नियम द्रव यांत्रिकी का एक मूलभूत सिद्धांत है। यह विभिन्न अनुप्रयोगों में द्रवों के व्यवहार को समझने और भविष्यवाणी करने के लिए एक गणितीय ढांचा प्रदान करता है।

न्यूटन का श्यानता नियम सूत्र

श्यानता द्रव के प्रवाह के प्रतिरोध की माप है। इसे अपरूपण तनाव और अपरूपण दर के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। सरल शब्दों में, श्यानता यह बताती है कि द्रव कितना गाढ़ा या पतला है।

सूत्र

न्यूटन के श्यानता नियम का सूत्र है:

$$\mu = \frac{F}{A}\frac{l}{v}$$

जहाँ:

• $\mu$ श्यानता गुणांक है (Pa·s)
• $F$ द्रव पर लगाया गया बल है (N)
• $A$ वह क्षेत्रफल है जिस पर बल लगाया गया है (m²)
• $l$ वह दूरी है जिस पर बल लगाया गया है (m)
• $v$ द्रव का वेग है (m/s)

उदाहरण

किसी द्रव का श्यानता गुणांक गणना करने के लिए, आप निम्न चरणों का पालन कर सकते हैं:

1. द्रव पर एक बल लगाएँ।
2. उस क्षेत्रफल को मापें जिस पर बल लगाया गया है।
3. उस दूरी को मापें जिस पर बल लगाया गया है।
4. द्रव का वेग मापें।
5. मानों को न्यूटन के श्यानता नियम के सूत्र में रखें।

उदाहरण के लिए, यदि आप 0.01 m² क्षेत्रफल पर 10 N का बल किसी द्रव पर लगाते हैं, और वह द्रव 1 s में 0.1 m की दूरी तय करता है, तो द्रव की श्यानता गुणांक होगा:

$$\mu = \frac{10 N}{0.01 m^2}\frac{0.1 m}{1 s} = 100 Pa\cdot s$$

अनुप्रयोग

न्यूटन का श्यानता नियम इंजीनियरिंग और विज्ञान में कई अनुप्रयोगों का है। कुछ उदाहरण इस प्रकार हैं:

• पाइपलाइनों और पंपों का डिज़ाइन
• मानव शरीर में रक्त के प्रवाह की भविष्यवाणी
• तेलों और अन्य द्रवों की श्यानता को मापना
• सूक्ष्मद्रव विज्ञान में द्रवों के व्यवहार का अध्ययन

न्यूटन का श्यानता नियम द्रव यांत्रिकी का एक मौलिक सिद्धांत है। इसका उपयोग द्रवों के प्रवाह को समझने और भविष्यवाणी करने के लिए विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है।

द्रवों के प्रकार

द्रव वे पदार्थ होते हैं जो बहते हैं और अपने कंटेनर का आकार ले लेते हैं। इन्हें दो मुख्य प्रकारों में वर्गीकृत किया गया है:

1. न्यूटनी द्रव

न्यूटनी द्रव वे द्रव होते हैं जिनमें अपरूपण तनाव और अपरूपण दर के बीच रैखिक संबंध होता है। इसका अर्थ है कि न्यूटनी द्रव की श्यानता स्थिर रहती है। न्यूटनी द्रवों के कुछ उदाहरणों में पानी, तेल और शहद शामिल हैं।

2. गैर-न्यूटनी द्रव

गैर-न्यूटनी द्रव वे द्रव होते हैं जिनमें अपरूपण तनाव और अपरूपण दर के बीच रैखिक संबंध नहीं होता है। इसका अर्थ है कि गैर-न्यूटनी द्रव की श्यानता अपरूपण दर के साथ बदलती है। गैर-न्यूटनी द्रवों के कुछ उदाहरणों में केचप, टूथपेस्ट और पेंट शामिल हैं।

गैर-न्यूटनी द्रवों के प्रकार

गैर-न्यूटोनियन द्रवों के कई अलग-अलग प्रकार होते हैं, प्रत्येक की अपनी विशिष्ट गुणधर्म होते हैं। गैर-न्यूटोनियन द्रवों के कुछ सबसे सामान्य प्रकारों में शामिल हैं:

• बिंघम प्लास्टिक: बिंघम प्लास्टिक एक ऐसा द्रव है जो प्रवाह प्रतिरोध दिखाता है। इसका अर्थ है कि द्रव तब तक प्रवाहित नहीं होगा जब तक कि अपरूपण तनाव प्रवाह प्रतिरोध से अधिक न हो जाए। बिंघम प्लास्टिक के कुछ उदाहरणों में टूथपेस्ट और मेयोनेज़ शामिल हैं।
• छद्म-प्लास्टिक: छद्म-प्लास्टिक द्रव एक ऐसा द्रव है जो अपरूपण-पतली व्यवहार दिखाता है। इसका अर्थ है कि द्रव की श्यानता अपरूपण दर बढ़ने के साथ घटती है। छद्म-प्लास्टिक द्रवों के कुछ उदाहरणों में केचप और पेंट शामिल हैं।
• विस्फारी: विस्फारी द्रव एक ऐसा द्रव है जो अपरूपण-गाढ़ा व्यवहार दिखाता है। इसका अर्थ है कि द्रव की श्यानता अपरूपण दर बढ़ने के साथ बढ़ती है। विस्फारी द्रवों के कुछ उदाहरणों में कॉर्नस्टार्च और रेत शामिल हैं।

द्रवों के अनुप्रयोग

द्रवों की रोज़मर्रा की ज़िंदगी में विस्तृत अनुप्रयोग होते हैं। द्रवों के कुछ सबसे सामान्य अनुप्रयोगों में शामिल हैं:

• परिवहन: द्रवों का उपयोग विभिन्न परिवहन अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे कारों, विमानों और नौकाओं में।
• बिजली उत्पादन: द्रवों का उपयोग विभिन्न बिजली उत्पादन अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे जलविद्युत संयंत्रों और परमाणु संयंत्रों में।
• औद्योगिक प्रक्रियाएँ: द्रवों का उपयोग विभिन्न औद्योगिक प्रक्रियाओं में किया जाता है, जैसे विनिर्माण, खाद्य प्रसंस्करण और रासायनिक प्रसंस्करण में।
• चिकित्सा अनुप्रयोग: द्रवों का उपयोग विभिन्न चिकित्सा अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे रक्त आधान और अंतःशिरा चिकित्सा में।

द्रव हमारे दैनिक जीवन का एक अनिवार्य हिस्सा हैं। इनका उपयोग परिवहन से लेकर बिजली उत्पादन और चिकित्सा अनुप्रयोगों तक विस्तृत क्षेत्रों में होता है। विभिन्न प्रकार के द्रवों और उनके गुणों को समझकर हम यह बेहतर समझ सकते हैं कि वे कैसे कार्य करते हैं और उन्हें प्रभावी ढंग से कैसे उपयोग किया जा सकता है।

श्यानता के प्रकार

श्यानता द्रव का वह गुण है जो इसकी संलग्न परतों के बीच सापेक्ष गति का विरोध करता है। यह द्रव के प्रवाह के प्रतिरोध की माप है। श्यानता के मुख्यतः तीन प्रकार होते हैं:

1. गतिशील श्यानता

गतिशील श्यानता, जिसे निरपेक्ष श्यानता भी कहा जाता है, सबसे सामान्य प्रकार की श्यानता है। यह द्रव के कतरनी बलों के प्रतिरोध की माप है। गतिशील श्यानता की SI इकाई पास्कल-सेकंड (Pa·s) है।

गतिशील श्यानता को किसी द्रव की “मोटाई” के रूप में सोचा जा सकता है। गतिशील श्यानता जितनी अधिक होगी, द्रव उतना ही गाढ़ा होगा। उदाहरण के लिए, शहद की गतिशील श्यानता पानी से अधिक होती है।

2. गतिशील श्यानता

गतिशील श्यानता किसी द्रव के गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव में बहने के प्रतिरोध की माप है। इसे गतिशील श्यानता और घनत्व के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। गतिशील श्यानता की SI इकाई वर्ग मीटर प्रति सेकंड (m²/s) है।

गतिशील श्यानता को किसी द्रव की “द्रवता” के रूप में सोचा जा सकता है। गतिशील श्यानता जितनी अधिक होगी, द्रव उतना ही कम द्रवीय होगा। उदाहरण के लिए, शीरा की गतिशील श्यानता पानी से अधिक होती है।

3. प्रतीत श्यानता

प्रतीत श्यानता किसी पाइप या चैनल से बह रहे द्रव की प्रभावी श्यानता की माप है। इसे कतरनी तनाव और कतरनी दर के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। प्रतीत श्यानता की SI इक्या पास्कल-सेकंड (Pa·s) है।

प्रतीत श्यानता गतिशील श्यानता से भिन्न हो सकती है क्योंकि इस पर अशांति और नॉन-न्यूटोनियन व्यवहार के प्रभाव पड़ते हैं। अशांति द्रव की अराजक गति है, और यह प्रतीत श्यानता को गतिशील श्यानता से अधिक कर सकती है। नॉन-न्यूटोनियन द्रव ऐसे द्रव होते हैं जिनकी श्यानता कतरनी दर के साथ बदलती है, और इनकी प्रतीत श्यानता भी गतिशील श्यानता से भिन्न हो सकती है।

श्यानता (Viscosity) द्रवों का एक महत्वपूर्ण गुण है जो उनके प्रवाह व्यवहार को प्रभावित करता है। श्यानता के तीन मुख्य प्रकार हैं—गतिशील श्यानता, गतिक श्यानता और प्रतीयमान श्यानता। प्रत्येक प्रकार की श्यानता की अपनी विशिष्ट परिभाषा और इकाइयाँ होती हैं, और इनका उपयोग विभिन्न द्रवों के प्रवाह व्यवहार की विशेषता बताने के लिए किया जा सकता है।

बिंघम पदार्थों की संकल्पना

बिंघम पदार्थ ऐसी सामग्रियों की श्रेणी हैं जो ठोस और द्रव जैसे दोनों व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। इनका नाम यूजीन बिंघम के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने इन्हें सर्वप्रथम 1916 में वर्णित किया था। बिंघम पदार्थों को एक प्रवाह प्रारंभ तनाव (yield stress) द्वारा विशेषता बताई जाती है, जो न्यूनतम तनाव है जिसे पदार्थ पर लगाया जाना चाहिए ताकि वह प्रवाहित हो सके। प्रवाह प्रारंभ तनाव से नीचे पदार्थ ठोस की तरह व्यवहार करता है, जबकि इस तनाव से ऊपर यह द्रव की तरह व्यवहार करता है।

बिंघम पदार्थों के गुण

बिंघम पदार्थ कई अनोखे गुण प्रदर्शित करते हैं, जिनमें शामिल हैं:

• प्रवाह प्रारंभ तनाव: प्रवाह प्रारंभ तनाव वह न्यूनतम तनाव है जिसे पदार्थ पर लगाया जाना चाहिए ताकि वह प्रवाहित हो सके।
• प्लास्टिक श्यानता: प्लास्टिक श्यानता वह प्रतिरोध है जो पदार्थ प्रवाहित होने के बाद प्रदर्शित करता है।
• बिंघम संख्या: बिंघम संख्या एक विमाहीन संख्या है जो प्रवाह प्रारंभ तनाव और प्लास्टिक श्यानता के सापेक्ष महत्व को दर्शाती है।

बिंघम पदार्थों के अनुप्रयोग

बिंघम पदार्थों का उपयोग विस्तृत श्रेणी के अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिनमें शामिल हैं:

• टूथपेस्ट: टूथपेस्ट एक बिंघम पदार्थ है। टूथपेस्ट का प्रवाह तनाव इसे ट्यूब से बाहर नहीं बहने देता, जबकि इसकी प्लास्टिक श्यानता इसे दाँतों पर समान रूप से फैलाने देती है।
• पेंट: पेंट एक बिंघम पदार्थ है। पेंट का प्रवाह तनाव इसे ब्रश से टपकने नहीं देता, जबकि इसकी प्लास्टिक श्यानता इसे सतह पर समान रूप से फैलाने देती है।
• कंक्रीट: कंक्रीट एक बिंघम पदार्थ है। कंक्रीट का प्रवाह तनाव इसे ढांचे से बाहर नहीं बहने देता, जबकि इसकी प्लास्टिक श्यानता इसे जटिल आकृतियों में डालने देती है।

निष्कर्ष

बिंघम पदार्थ वे वर्ग के पदार्थ हैं जो ठोस और तरल दोनों जैसा व्यवहार दिखाते हैं। इन्हें एक प्रवाह तनाव द्वारा विशेषता दी जाती है, जो न्यूनतम तनाव है जिसे पदार्थ पर लगाया जाना चाहिए ताकि वह बह सके। बिंघम पदार्थों का उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिनमें टूथपेस्ट, पेंट और कंक्रीट शामिल हैं।

न्यूटन के श्यानता नियम के अनुप्रयोग

न्यूटन का श्यानता नियम कहता है कि दो द्रव परतों के बीच अपरूपण तनाव उनके बीच के वेग प्रवणता के समानुपाती होता है। यह नियम विभिन्न प्रकार के द्रवों के व्यवहार का वर्णन करने के लिए उपयोग किया जा सकता है, सरल द्रवों जैसे पानी से लेकर जटिल द्रवों जैसे रक्त और गलित पॉलिमर तक।

न्यूटन के श्यानता नियम के कुछ अनुप्रयोग इस प्रकार हैं:

• स्नेहन: चिपचिपाहट के नियम को समझना स्नेहकों के कार्य करने के तरीके को समझने के लिए आवश्यक है। स्नेहक दो सतहों के बीच घर्षण को कम करते हैं क्योंकि वे उनके बीच द्रव की एक पतली परत बनाते हैं। स्नेहक की चिपचिपाहत यह निर्धारित करती है कि वह घर्षण घटाने में कितना प्रभावी है।

• हाइड्रोलिक्स: चिपचिपाहट का नियम हाइड्रोलिक्स में भी प्रयुक्त होता है, जो गतिशील द्रवों के व्यवहार का अध्ययन है। हाइड्रोलिक प्रणालियाँ पंपों का उपयोग करती हैं ताकि द्रवों को पाइपों और सिलेंडरों के माध्यम से मशीनरी को चलाने के लिए प्रवाहित किया जा सके। द्रव की चिपचिपाहट हाइड्रोलिक प्रणाली की दक्षता को प्रभावित करती है।

• रक्त प्रवाह: चिपचिपाहट का नियम यह समझने के लिए महत्वपूर्ण है कि रक्त शरीर में कैसे प्रवाहित होता है। रक्त एक नॉन-न्यूटोनियन द्रव है, जिसका अर्थ है कि इसकी चिपचिपाहत शियर दर के साथ बदलती है। रक्त की चिपचिपाहट धमनियों और शिराओं से रक्त के प्रवाह को प्रभावित करती है, और इसका उपयोग एनीमिया और हृदय रोग जैसी चिकित्सीय स्थितियों का निदान करने के लिए किया जा सकता है।

• पॉलिमर प्रसंस्करण: चिपचिपाहट का नियम पॉलिमरों के प्रसंस्करण में प्रयुक्त होता है, जो लंबे, श्रृंखला-जैसे अणु होते हैं। पॉलिमर मेल्ट की चिपचिपाहट यह नियंत्रित करती है कि वह प्रसंस्करण उपकरणों से कैसे प्रवाहित होता है, और इसका उपयोग अंतिम उत्पाद के गुणों को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है।

• खाद्य प्रसंस्करण: चिपचिपाहट का नियम खाद्य प्रसंस्करण उद्योग में भी प्रयुक्त होता है। खाद्य उत्पादों की चिपचिपाहट उनकी बनावट, दिखावट और स्वाद को प्रभावित करती है। खाद्य उत्पादों की चिपचिपाहट को गाढ़ा करने वाले या पतला करने वाले पदार्थों को मिलाकर नियंत्रित किया जा सकता है।

निष्कर्ष

न्यूटन का श्यानता नियम द्रव यांत्रिकी का एक मूलभूत सिद्धांत है जिसका अभियांत्रिकी, विज्ञान और दैनंदिन जीवन में व्यापक उपयोग होता है। द्रवों के व्यवहार को समझकर हम ऐसी प्रणालियाँ डिज़ाइन और निर्मित कर सकते हैं जो द्रवों का कुशल और प्रभावी ढंग से उपयोग करें।

न्यूटन का श्यानता नियम FAQs

1. न्यूटन का श्यानता नियम क्या है?

न्यूटन का श्यानता नियम कहता है कि दो द्रव परतों के बीच अपरूपण प्रतिबल (shear stress) उनके बीच के वेग प्रवणता (velocity gradient) के समानुपाती होता है। सरल शब्दों में, जितना अधिक श्यान (viscous) कोई द्रव होगा, उतना ही अधिक प्रवाह के प्रति प्रतिरोध होगा।

2. न्यूटन के श्यानता नियम का समीकरण क्या है?

न्यूटन के श्यानता नियम का समीकरण है:

$$ τ = η * (du/dy) $$

जहाँ:

• τ अपरूपण प्रतिबल है (प्रति इकाई क्षेत्र बल)
• η गतिशील श्यानता है (Pa·s)
• du/dy वेग प्रवणता है (m/s)

3. श्यानता की इकाइयाँ क्या हैं?

श्यानता की SI इकाई पास्कल-सेकंड (Pa·s) है। अन्य सामान्य इकाइयों में पॉइज़ (P) और सेंटिपॉइज़ (cP) शामिल हैं।

4. कुछ श्यान द्रवों के उदाहरण क्या हैं?

कुछ श्यान द्रवों के उदाहरण हैं:

• शहद
• शीरा
• तेल
• ग्रीस
• शैम्पू
• रक्त

5. कुछ अश्यान द्रवों के उदाहरण क्या हैं?

कुछ अश्यान द्रवों के उदाहरण हैं:

• पानी
• अल्कोहल
• गैसोलीन
• वायु
• हीलियम

6. श्यानता को कौन-से कारक प्रभावित करते हैं?

किसी द्रव की श्यानता कई कारकों से प्रभावित होती है, जिनमें शामिल हैं:

• तापमान: तापमान बढ़ने के साथ श्यानता घटती है।
• दबाव: दबाव बढ़ने के साथ श्यानता बढ़ती है।
• आण्विक भार: आण्विक भार बढ़ने के साथ श्यानता बढ़ती है।
• आण्विक संरचना: आण्विक संरचना जटिल होने के साथ श्यानता बढ़ती है।

7. न्यूटन के श्यानता नियम के कुछ अनुप्रयोग क्या हैं?

न्यूटन के श्यानता नियम के अभियांत्रिकी और विज्ञान में कई अनुप्रयोग हैं, जिनमें शामिल हैं:

• द्रव प्रणालियों का डिज़ाइन
• स्नेहन
• प्रवाह मापन
• रियोलॉजी
• बहुलक विज्ञान

8. आइज़ेक न्यूटन कौन थे?

आइज़ेक न्यूटन एक अंग्रेज़ गणितज्ञ और भौतिकविद् थे, जिन्हें सभी समय के सबसे प्रभावशाली वैज्ञानिकों में माना जाता है। उन्होंने गति और सार्वत्रिक गुरुत्वाकर्षण के नियम विकसित किए, और प्रकाशिकी, गणित और अन्य क्षेत्रों में महत्वपूर्ण योगदान दिए।