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9-1.Fluid Mechanics
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मान लीजिये कि एक फुटबाल पर लगने वाला कर्षण बल मात्र हवा के घनत्व, फुटबाल के वेग तथा फुटबाल की अनुप्रष्ठ काट के क्षेत्रफल पर निर्भर करता है। भिन्न आकार किन्तु समान घनत्व की दो फुटबाल को हवा में गिराया जाता है। यदि फुटबाल के द्रव्यमान क्रमश: $250 \,g$ तथा $125 \,g$ हैं, तो उनके सीमांत वेगों (terminal velocities) का अनुपात होगा:

A

$2^{1 / 6}$

B

$2^{1 / 3}$

C

$2^{1 / 2}$

D

$2^{2 / 3}$

(KVPY-2018)

Solution

$(a)$ Given, drag force $F_{d}$ depends on air density $\sigma$, velocity of ball $v$ and area of cross-section of ball $A$.

$\therefore \quad F_{d} \propto \sigma^{\alpha}\propto v^{b} A^{c}$

Substituting dimensions of different physical quantities, we have

$\left[ MLT ^{-2}\right]=\left[ ML ^{-3}\right]^{\alpha}\left[ LT ^{-1}\right]^{b}\left[ L ^{2}\right]^{c}$

Equating dimensions of fundamental quantities, we have

$a=1 \quad \dots(i)$

$-3 a+b+2 c=1\quad \dots(ii)$

$-b=-2 \Rightarrow b=2\quad \dots(iii)$

Putting the values of $a$ and $b$ in Eq $(ii)$, we get

$\Rightarrow \quad-3 \times 1+2+2 c=1 \Rightarrow c=1$

$\because a=1, b=2, c=1$

So, drag force on football is

$F_{d}=k \cdot \sigma \cdot v^{2} \cdot A$

When football reaches terminal speed, its weight is balanced by drag force.

$\Rightarrow m g=F_{d}$

$\Rightarrow m g=k \sigma v_{T}^{2} A$

where, $u_{T}=$ terminal speed of football.

$\Rightarrow \quad m g=k \sigma v_{T}^{2} \pi R^{2}$

$\Rightarrow \quad m g=k \sigma u_{T}^{2} \pi\left(\frac{m}{\frac{4}{3} \pi \rho}\right)^{\frac{2}{3}}$

[from $m=\frac{4}{3} \pi R^{3} \rho$,

where $\rho=$ density of football]

$\Rightarrow \quad u_{T} \propto m^{1 / 6}$

$\Rightarrow \quad \frac{v_{1}}{v_{2}}=\left(\frac{m_{1}}{m_{2}}\right)^{\frac{1}{6}}=\left(\frac{250}{125}\right)^{\frac{1}{6}}=2^{1 / 6}$

Standard 11
Physics

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