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त्रिज्या $R$ वाले घर्षण-रहित र्थिर अवतल पृष्ठ पर $m$ द्रव्यमान वाला एक ब्लॉक सरक (sliding) रहा है। स्थिर अवस्था में ब्लॉक को बिन्दु $P$ से छोड़ा जाता है जो निम्नतम बिन्दु $Q$ से ऊंचाई $H < R$ पर है ।
$(a)$ बिन्दु $Q$ पर स्थितिज ऊर्जा को मानक (reference level) मानते हुए, $\theta$ के फलन के रूप में स्थितिज ऊर्जा क्या होगी? ($1$ अंक)
$(b)$ $\theta$ के फलन के रूप में गतिज ऊर्जा क्या होगी? ($1$ अंक)
$(c)$ $P$ से निम्नतम बिन्दु $Q$ तक पहुंचने के लिए कण को कितना समय लगेगा ? ($2$ अंक )
$(d)$ अवतल पृष्ट के बिन्दु $Q$ पर ब्लॉक कितना बल लगाता है ? ($1$ अंक)

Solution

$(a)$ Mass $m$ is at height $H$ from point $Q$, where potential energy is taken zero.
From geometry of above figure, if at some angle $\theta$, height of mass $m$ above lowest point $Q$ is $h$, then from $\triangle A B C$,
$\cos \theta=\frac{R-h}{R} \Rightarrow h=R(1-\cos \theta)$
Hence, potential energy of $m$ as a function of $\theta$ is
$PE =U(\theta)=m g h$
$\Rightarrow U(\theta)=m g R(1-\cos \theta)$
$(b)$ Kinetic energy at position $\theta=$ Loss of potential energy that occurred in reaching this position
$\Rightarrow$ Kinetic energy is $K(\theta)=m g H-U(\theta)$
$\Rightarrow K(\theta) =m g H-m g R(1-\cos \theta)$
$=m g(H-R(1-\cos \theta))$
$(c)$ For $H << R$
$T=\frac{1}{2 \pi} \sqrt{\frac{R}{g}}$
Time taken to travel from $P$ to $Q$ is one-fourth of this time period. i.e.
$t=\frac{1}{8 \pi} \sqrt{\frac{R}{g}}$
$(d)$ From energy conservation at lowest point, if $m$ has velocity $v$, then
$\frac{1}{2} m v^2 =m g H$
$\Rightarrow m v^2 =2 m g H \text { or } \frac{m v^2}{R}=\frac{2 m g H}{R}$
But this centripetal force is resultant of force of normal reaction $N$ and weight of body.
$\Rightarrow N-m g=\frac{m v^2}{R}$
$\Rightarrow N=m g+\frac{2 m g H}{R}$
$\Rightarrow N=m g(1+\frac{2 H}{R})$
This is the force by block on the concave surface.