संपर्क व असंपर्क बले (Contact and Non contact Forces) : आकृती 3.1 मध्ये मोटार ढकलणाऱ्या माणसाने मागून बल लावल्‍याने मोटार पुढील दिशेने ढकलली जाते. तटून बसलेल्‍या कुत्र्याला मुलगा ओढत आहे व फुटबॉल खेळणारा मुलगा पायाने चेंडूला टोलवत आहे. यावरून काय आढळते ? दोन वस्‍तूंमधील आंतरक्रियेमधून त्‍या वस्‍तूंवर बल प्रयुक्‍त होते.

आकृती 3.2 मध्ये चुंबकाच्‍या ध्रुवाकडे लोखंडी टाचण्या चुंबकीय बलामुळे आकर्षित होतात व चिकटतात, हे दाखवले आहे.

तसेच नारळाच्‍या झाडावरून नारळ खाली पडत आहे. गुरुत्‍वीय बलामुळे वस्‍तू पृथ्‍वीकडे आकर्षित होतात. केसांमध्‍ये घासलेल्‍या कंगव्‍याकडे टेबलावरील कागदाचे कपटे आकर्षित होतात. कंगव्‍यावर स्थितिक विद्युतभार असल्‍याने व कपट्यांवर विरुद्‍ध प्रवर्तित भार असल्‍याने कंगवा व कागदाचे कपटे यांच्‍यात स्थितिक विदयुतबल प्रयुक्‍त होते व कपटे कंगव्‍याला चिकटतात.

आकृती 3.1 मध्‍ये वस्‍तूंच्‍या एकमेकांशी आलेल्‍या थेट संपर्कामुळे किंवा आणखी एका वस्‍तूमार्फत आलेल्‍या संपर्कामुळे बल प्रयुक्‍त झालेले दिसते. अशा बलास ‘संपर्क बल’ असे म्‍हणतात. आकृती 3.2 मध्‍ये दोन वस्‍तूंमध्‍ये संपर्क नसला तरीही त्‍या दोन वस्‍तूंमध्‍ये बल प्रयुक्‍त होताना दिसते, अशा बलास ‘असंपर्क बल’ म्‍हणतात. स्‍नायूबल हे संपर्क बलाचे उदाहरण असून हे आपल्‍या स्‍नायूंच्या मदतीने वस्‍तूंवर प्रयुक्‍त केले जाते. उचलणे, ढकलणे, ओढणे अशा कित्‍येक क्रियांमधून ते प्रयुक्‍त होते. याउलट चुंबकीय बल, गुरुत्‍वीय बल, स्थितिक विद्युत बल यांसारखी बले कोणत्‍याही संपर्काशिवाय प्रयुक्‍त होतात. म्हणून ती असंपर्क बलाची उदाहरणे आहेत.

एखादा चेंडू टेबलावर ठेवून त्‍याला हलकासा धक्‍का मारला तर तो थोडा पुढे जाऊन संथ होत होत थांबतो. सपाट रस्‍त्‍यावर पळणारी मोटारगाडी इंजिन बंद केल्‍यावर थोडे अंतर जाऊन थांबते. टेबलाचा व जमिनीचा पृष्‍ठभाग आणि त्‍यावर गतिमान असणारी वस्‍तूयांच्‍यामधील घर्षण बलामुळे हे घडते. घर्षण बल नसते तर न्‍यूटनच्‍या पहिल्‍या गतिविषयक नियमानुसार वस्‍तूगतिमान राहिली असती. घर्षण बल रोजच्‍या जीवनात अतिशय उपयुक्‍त आहे. जमिनीवर चालताना आपण पावलाने जमीन मागे ढकलत असतो. घर्षण नसेल तर आपण घसरून पडू व चालू शकणार नाही. घर्षण बल हे सर्व गतिमान वस्‍तूंवर प्रयुक असते आणि ते गतीच्‍या दिशेच्‍या विरुद्ध दिशेने प्रयुक्‍त होत असते. रस्‍त्‍यातील केळीच्‍या सालीवरून घसरायला होते हे तुम्‍ही पाहिले असेल. तसेच चिखलामुळेही घसरायला होते, ही दोन्‍ही उदाहरणे घर्षण कमी झाल्‍याने घडतात.

एका मोठ्या प्लॅस्टिक ट्रेमध्‍ये पाणी भरून त्‍यात ह्या बाटल्‍या चुंबक वरच्या बाजूस येतील अशा रितीने तरंगत सोडा. एक बाटली दुसरीच्‍या जवळ न्‍या. चुंबकाच्‍या विरुद्ध ध्रुवामध्‍ये आकर्षण असल्‍याने एका बाटलीवरील चुंबकपट्टीचा उत्‍तर ध्रुव दुसऱ्या चुंबकपट्टीच्‍या दक्षिण ध्रुवानजीक असेल तर दोन्‍ही बाटल्‍या एकमेकांकडे सरकू लागतील. बाटल्‍यांच्‍या दिशा बदलून काय होते त्‍याचे निरीक्षण करा. प्रत्‍यक्ष संपर्क न येता बाटल्‍यांच्‍या गतीत होणारे बदल आपल्‍याला दिसतात. याचा अर्थ दोन्‍ही चुंबकांमध्‍ये असंपर्क बल कार्यरत आहे.

संतुलित आणि असंतुलित बले (Balanced and Unbalanced Forces)

पुठ्ठ्याचे एक खोके घेऊन त्‍याच्‍या दोन बाजूंना सुतळी किंवा जाड दोरा बांधून आकृती 3.4 मध्ये दाखविल्‍याप्रमाणे खोके सपाट पृष्ठभागाच्या टेबलावर ठेवा. दोरा टेबलाच्‍या दोन्‍ही बाजूंकडे खाली घ्‍या. त्‍यांच्‍या टोकांना समान वस्तूमानाची पारडी बांधा. दोन्‍ही पारड्यात एकाच वस्‍तुमानाच्‍या वस्‍तू (किंवा वजने) ठेवा. खोके टेबलावर स्थिर रहात असल्याचे दिसेल. एखाद्या पारडयात दुसऱ्या पारड्यापेक्षा अधिक वस्‍तुमानाच्‍या वस्‍तू ठेवल्‍यास खोके त्‍या पारड्याच्‍या दिशेने सरकू लागेल. पारड्यात एकसारखे वस्‍तुमान असताना दोन्‍ही पारड्यांवर समान गुरुत्‍वीय बल कार्यरत होते. म्‍हणजेच खोक्‍यावर संतुलित बले लावली जातात, ती विरुद्ध दिशेने असल्‍याने त्यांचे परिणामी बल शून्‍य होते, आणि खोके हालत नाही. याउलट जर एखाद्या पारड्यात अधिक वस्‍तुमान ठेवल्‍यास खोके अधिक वस्‍तुमानाच्‍या पारड्याच्‍या दिशेने सरकू लागते. खोक्‍याला दोन्‍ही बाजूंना असमान बले लावल्‍याने असंतुलित बल कार्यरत होते व त्‍याची परिणती खोक्‍याला गती मिळण्‍यास होते.

 रस्‍सीखेच खेळणारी मुले आपआपल्‍या दिशेने दोर ओढतात. दोन्‍ही बाजूंनी सारखीच ओढ म्‍हणजे बल असेल तर दोर हलत नाही. एका बाजूचे बल अधिक झाले तर दोर त्‍या बाजूला सरकतो. म्‍हणजेच आधी दोन्‍ही बले संतुलित असतात; ती असंतुलित झाल्‍यावर अधिक बलाच्‍या दिशेने दोर सरकतो. आणखी एक उदाहरण पाहू. धान्‍याने भरलेला मोठा डबा जमिनीवरून सरकवताना तो एका व्‍यक्‍तीने सरकविण्‍यापेक्षा दोघांनी एकाच दिशेने बल लावल्‍यास सरकवणे सोपे जाते. याचा अनुभव तुम्‍हीही घेतला असेल. या उदाहरणावरून आपल्‍याला काय समजते ?

अ. एखाद्या वस्‍तूवर एकाच दिशेने अनेक बले लावल्‍यास त्‍यांच्‍या बेरजेएवढे बल वस्‍तूंवर प्रयुक्‍त होते.

आ. जर दोन बले एकाच वस्‍तूवर परस्‍पर विरुद्ध बाजूने लावली तर, त्‍यांचा फरकाइतके बल वस्‍तूवर प्रयुक्‍त होते.

इ. बल हे परिमाण व दिशा यांमध्‍येव्‍यक्‍त केले जाते. बल ही सदिश राशी आहे

बलामुळे स्थिर वस्‍तूला गती मिळते, गतिमान वस्‍तूची चाल व दिशा बदलते. त्याचप्रमाणे गतिमान वस्तूथांबविण्यासाठीसुद्‍धा बल आवश्यक असते. बलामुळे वस्‍तूचा आकारही बदलू शकतो. कणीक मळताना कणकेच्‍या गोळ्याला बल लावले तर त्‍याचा आकार बदलतो. कुंभार मडक्‍याला आकार देताना विशिष्ट दिशेने बल लावतो. रबर बँड ताणले की ते प्रसरण पावते. अशी कितीतरी उदाहरणे देता येतात.

जडत्‍व (Inertia) : बलामुळे वस्‍तूची स्थिती बदलते हे आपण पाहिले. बलाशिवाय, वस्तूगतीच्याज्या स्थितीत आहेत. त्‍याच स्थितीत राहण्‍याची प्रवृत्‍ती दाखवितात. खालील उदाहरणे पाहू.

दाब (Pressure) : दुचाकी आणि चारचाकी गाड्यांच्‍या टायरमध्‍ये हवा भरताना तुम्‍ही पाहिले असेल. हवा भरण्‍याच्‍या यंत्रावर ‘दाब’ दर्शविणारी तबकडी असते किंवा डिजिटल मीटर वर ‘दाबाचे’ आकडे दिसतात. यंत्राने एका विशिष्‍ट मूल्‍यापर्यंत टायरमधील दाब वाढविला जातो. सायकलच्‍या टायरमध्‍ये हातपंपाने हवा भरताना बल लावावे लागते ते तुम्‍हांला माहीत आहे. बल लावून हवेचा दाब वाढवून ती टायरमध्‍ये भरली जाते. बल आणि दाब यांचा काही संबंध आहे का ?

दाबाचे एकक (Unit of Pressure) : बलाचे SI पद्‍धतीत एकक Newton (N) आहे. क्षेत्रफळाचे एकक m2 किंवा चौरस मीटर आहे. म्हणून दाबाचे एकक N/m2 असे होईल. यालाच पास्‍कल (Pa)असे म्‍हणतात. हवामानशास्‍त्रात दाबाचे एकक bar हे आहे. 1 bar = 105 Pa, दाब ही अदिश राशी आहे. क्षेत्रफळ वाढले की त्‍याच बलाला दाब कमी होतो आणि क्षेत्रफळ कमी झाले की त्‍याच बलाला दाब वाढतो. उदाहरणार्थ, उंटाच्‍या पायांचे तळवे पसरट असतात. त्‍यामुळे उंटाचे वजन अधिक पृष्‍ठभागावर पडते आणि वाळूवर पडणारा दाब कमी होतो. म्हणूनच उंटाचे पाय वाळूत घुसत नाहीत आणि त्याला चालणे सोपे जाते.

स्थायूवरील दाब ः हवेत ठेवलेल्या सर्व स्थायू पदार्थांवर हवेचा दाब असतोच. स्थायूवर एखादे वजन ठेवले तर त्या वजनामुळे स्थायूवर दाब पडतो. तो त्या वजनावर व वजनाच्या स्थायूवरील संपर्काच्या क्षेत्रफळावर अवलंबून असतो.

द्रवाचा दाब (Pressure of liquid)ः प्लॅस्टिकची एक बाटली घ्‍या. रबरी फुगा ज्‍यावर बसेल अशा काचेच्‍या नळीचा साधारण 10 cm लांबीचा तुकडा घ्‍या. नळीचे एक टोक जरा तापवून हलकेच बाटलीच्‍या तळापासून 5 cm वर बाटलीत एका बाजूने दाबून आत जाईल असे बसवा (आकृती 3.6). पाणी गळू नये म्‍हणून नळीच्‍या बाजूने मेण तापवून लावा. आता बाटलीत थ‍ोडे थोडे पाणी भरून फुगा फुगत जातो ते पहा. यावरून काय दिसते ? पाण्‍याचा दाब बाटलीच्‍या बाजूवरही पडतो.

वायूचा दाब (Gas Pressure) ः एखादा फुगा तोंडाने हवा भरून फुगवताना तो सर्व बाजूंनी फुगत जातो. फुग्‍याला बारीक छिद्र पाडले तर त्‍यातून हवा बाहेर जात राहते आणि फुगा पूर्ण फुगत नाही. ही निरीक्षणे वरील द्रवावरील प्रयोगांच्‍या निष्‍कर्षाप्रमाणे आहेत. असे दिसून येते की, वायूसुद्धा द्रवाप्रमाणेच ज्‍या पात्रात तो बंदिस्‍त आहे त्‍या पात्राच्‍या भिंतीवर दाब देत असतो. सर्व द्रव आणि वायू यांना द्रायू (fluid) अशी संज्ञा आहे. पात्रातील द्रायू पात्राच्‍या सर्वच पृष्ठभागावर भिंतीवर आणि तळावर आतून दाब प्रयुक्‍त करतात. बंदिस्‍त अशा दिलेल्‍या वस्‍तुमानाच्‍या द्रायूमध्‍ये असलेला दाब सर्व दिशांना समरूपाने प्रयुक्‍त होतो.

वातावरणीय दाब (Atmospheric Pressure) ः पृथ्‍वीवर सर्व बाजूंनी हवेचे आवरण आहे. ह्या आवरणालाच वातावरण असे म्‍हणतात. पृथ्‍वीच्‍या पृष्‍ठभागापासून सुमारे 16 km उंचीपर्यंत हे वातावरण आहे. त्यापुढेही सुमारे 400 km पर्यंत ते अतिशय विरल स्वरूपात असते. हवेमुळे निर्माण झालेल्‍या दाबाला वातावरणीय दाब असे संबोधले जाते. अशी कल्‍पना करा की एकक क्षेत्रफळाच्‍या पृथ्वीच्या पृष्‍ठभागावर लांबच लांब पोकळ दंडगोल उभा आहे, आणि त्‍यात हवा आहे (आकृती 3.8) ह्या हवेचे वजन हे पृथ्‍वीच्‍या दिशेने लावलेले बल आहे. याचाच अर्थ हवेचा दाब म्‍हणजे हे वजन आणि पृष्‍ठभागाचे क्षेत्रफळ याचे गुणोत्‍तर.

समुद्रसपाटीला असणाऱ्या हवेच्‍या दाबाला 1 Atmosphere म्‍हणतात. जसजसे समुद्रसपाटीपासून वर जाऊ तसतसा हवेचा दाब कमी कमी होतो.

1 Atmosphere = 101×103 Pa = 1 bar =103 mbar 1 mbar » 102 Pa (hectopascal ) वातावरणीय दाब mbar किंवा hectopascal (hPa) या एककामध्‍ये सांगितला जातो.वातावरणीय दाब हवेतील एखाद्या बिंदूवर सर्व बाजूंनी असतो. हा दाब कसा तयार होतो? एखाद्या बंदिस्‍त पात्रात हवा असल्‍यास हवेचे रेणू यादृच्छिक गतीने पात्राच्‍या बाजूंवर आदळतात. या आंतरक्रियेत पात्राच्‍या बाजूंवर बल प्रयुक्‍त होते. बलामुळे दाब तयार होतो.

आपणही वातावरणाचा दाब सतत डोक्‍यावर बाळगत असतो. परंतु आपल्‍या शरीरातील पोकळ्यांमध्‍येही हवा असते आणि रक्‍तवाहिन्‍यांमध्‍ये रक्‍तही असते व त्यातील दाब वातावरणीय दाबाइतकाच असतो. त्‍यामुळे पाणी व वातावरणीय दाबाखाली आपण चिरडले जाऊ शकत नाही, वातावरणाचा दाब संतुलित होतो. पृथ्वीच्या वातावरणाचा दाब समुद्रासपाटीपासूनच्या उंचीप्रमाणे बदलतो. कसा बदलतो ते आकृती 3.9 मध्ये दर्शविले आहे.

प्लावक बल (Buoyant Force)

प्लॅस्टिकची एक रिकामी हलकी बाटली घेऊन तिचे झाकण घट्ट बसवा. आता ही बाटली पाण्‍यात टाकून काय होते पहा. ती तरंगत राहील. बाटली पाण्‍यात ढकलून खाली जाते का ते पहा. ढकलली तरी बाटली वर येऊन तरंगत राहते. प्‍लॅस्टिकचा पोकळ चेंडू घेऊनही असाच प्रयोग करता येईल. (आकृती 3.10) आता प्लॅस्टिकची पाण्‍याची बाटली काठोकाठ भरून झाकणाने घट्ट बंद करा आणि पाण्‍यात सोडा. बाटली पाण्‍याच्‍या आत तरंगताना दिसेल, असे का होते?

प्लॅस्टिकची रिकामी बाटली व चेंडू पाण्‍याच्‍या पृष्‍ठभागावर तरंगतात. याउलट पाण्‍याने पूर्ण भरलेली बाटली पाण्‍याच्‍या आत तरंगत राहते, ती पूर्ण बुडत नाही. आतील पाण्‍याच्‍या वजनाच्‍या मानाने रिकाम्‍या बाटलीचे वजन नगण्‍य आहे. अशी बाटली पूर्ण बुडत नाही आणि वरही येत नाही. याचा अर्थ पाणी भरलेल्या बाटलीवर खालच्‍या दिशेने प्रयुक्‍त गुरुत्‍वीय बल (fg ) त्‍या विरुद्ध वरच्या दिशेने प्रयुक्‍त अशा बलाने (fb ) संतुलित झाले असणार. हे बल बाटलीच्‍या सभोवतालच्‍या पाण्‍यातून उद्भवलेले असणार. पाण्यात किंवा अन्य द्रवात किंवा वायूत असलेल्या वस्तूवर वरच्‍या दिशेने प्रयुक्‍त बलाला प्‍लावक बल (fb ) असे म्‍हणतात.

लोखंडाचा खिळा पाण्‍यात बुडतो पण स्‍टीलचे मोठे जहाज तरंगते असे का होते? द्रवात बुडविलेल्‍या वस्‍तूवर प्‍लावक बल प्रयुक्‍त होत असल्‍याने वस्‍तूचे वजन कमी झाल्‍याचे जाणवते. गोड्या पाण्‍याच्‍या पोहण्‍याच्‍या तलावात पोहण्‍यापेक्षा समुद्राच्‍या पाण्‍यात पोहणे सोपे जाते. याचे मुख्‍य कारण म्‍हणजे समुद्राच्‍या पाण्‍याची घनता साध्‍या पाण्‍याच्‍या घनतेपेक्षा जास्‍त असते, कारण त्‍यात क्षार विरघळलेले असतात. ह्या पुस्‍तकात तुम्‍ही पेल्‍यामध्‍ये पाणी भरून त्‍यात लिंबू सोडल्‍यास ते बुडते, पण पाण्‍यात २ चमचे मीठ टाकून ढवळल्‍यास त्‍यात मात्र लिंबू तरंगते हे अभ्यासले आहे. पाण्‍याची घनता मिठाने वाढते. येथे प्‍लावक बल गुरुत्वीय बलापेक्षा जास्‍त होते. या उदाहरणांवरून काय दिसून येते ? प्लावक बल दोन गोष्टींवर अवलंबून असते :

 १. वस्‍तूचे आकारमान – द्रवात बुडणाऱ्या वस्‍तूचे आकारमान जास्‍त असल्‍यास प्‍लावक बल जास्‍त असते.

२.द्रवाची घनता – जितकी जास्‍त घनता तितके प्‍लावक बल जास्‍त असते.

आर्किमिडीजचे तत्त्‍व ः

आकृती 3.11 मध्ये दाखविल्याप्रमाणे एक मोठा रबरबॅंड घेऊन तो एका बिंदूपाशी कापा. त्‍याच्‍या एका टोकाला एक स्‍वच्‍छ धुतलेला लहानसा दगड किंवा 50 gm चे वजन बांधा. आता रबरबॅंडचे दुसरे टोक बोटांनी पकडून तेथे पेनने खूण करा. दगड हवेत लटकता ठेवून वरील खुणेपासून लटकत्‍या दगडापर्यंत रबरबॅंडची लांबी मोजा. आता एका पात्रात पाणी भरून दगड त्‍यात बुडेल अशा उंचीवर तो धरा. आता पुन्‍हा रबराची लांबी मोजा. काय दिसून आले? ही लांबी आधीपेक्षा कमी भरलेली आढळेल. पाण्‍यात दगड बुडविताना ताणलेल्‍या रबराची लांबी हळूहळू कमी होते व तो पाण्‍यात पूर्ण बुडाला की लांबी सर्वांत कमी होते. लांबी पाण्यात कमी होण्‍याचे काय कारण असावे ?

पाण्‍यात दगड बुडाल्‍याने त्यावर वरील दिशेने प्‍लावक बल प्रयुक्‍त होते. दगडाचे वजन खालील दिशेने प्रयुक्‍त असते. त्‍यामुळे खालील दिशेने प्रयुक्‍त असलेले एकूण बल कमी होते. ह्या प्‍लावक बलाचे परिमाण किती असते? ते कोणत्‍याही द्रवाला सारखेच असते का ? सर्व वस्‍तूंवर प्‍लावक बल सारख्‍याच परिमाणाचे असते का ? ह्या प्रश्‍नांची उत्‍तरे आर्किमिडीजच्‍या तत्त्‍वामध्‍ये अंतर्भूत आहेत. हे तत्त्‍व असे : एखादी वस्‍तूद्रायूमध्‍ये अंशत: अथवा पूर्णतः बुडविल्यास त्‍यावर वरील दिशेने बल प्रयुक्‍त होते. हे बल त्‍या वस्‍तूने बाजूस सारलेल्‍या द्रायूच्‍या वजनाइतके असत