How Forces Affect Motion (Class 9): Notes और MCQ Practice
Class 9 Science • Class 9
आसान भाषा में
Force एक push या pull है जो किसी object की speed, direction या shape बदल सकता है। अगर किसी object पर लगने वाले सारे forces balanced हैं (Net force = 0), तो रुका हुआ object रुका ही रहेगा और चलता हुआ object constant velocity से चलता रहेगा। Real life में objects को रोकने का काम अक्सर Force of Friction करता है!
Important Points & Definitions
- Force: Physical quantity जिसमें magnitude और direction दोनों होते हैं। इसकी SI unit newton है और symbol N है। इसे spring balance से measure किया जा सकता है।
- Balanced Forces: जब दो forces equal magnitude और opposite direction में लगें, तो Net force = 0 होता है (object में acceleration नहीं होता)।
- Unbalanced Forces: जब forces का Net force non-zero हो। यह object की velocity या direction बदलता है।
- Force of Friction: Surfaces के contact से पैदा होने वाला force जो motion की opposite direction में लगता है। Smooth surfaces पर friction कम और rough surfaces पर ज्यादा होता है।
- Inertia: Objects की वह tendency जिससे वे अपनी state of rest या uniform motion में बदलाव का विरोध (resist) करते हैं।
- Newton’s First Law of Motion: कोई object rest पर ही रहेगा, और moving object constant velocity से चलता रहेगा, जब तक कि उस पर कोई Net force न लगे।
Memory Tricks
- BALANCED = ZERO: Balanced forces का मतलब 'Net Force = 0' (जैसे Tug of War में दोनों तरफ equal pull हो तो रस्सी नहीं हिलती)।
- FIRST LAW = FREEZE या CRUISE: Net force zero है? तो Rest वाला object 'Freeze' रहेगा और Moving वाला 'Cruise' (constant velocity) करता रहेगा।
Common Board-Exam Mistakes
- Unit Notation Error: Unit का पूरा नाम लिखते समय capital 'Newton' लिखना गलत है; सही तरीका newton (small 'n') है, जबकि symbol capital N होता है।
- Constant Velocity Fallacy: यह सोचना कि constant speed बनाए रखने के लिए हमेशा force की ज़रूरत होती है। Newton के First Law के अनुसार, force सिर्फ friction को counter करने या velocity बदलने के लिए चाहिए!
How Forces Affect Motion
1. Chapter in Short
This chapter explains what causes objects to change their state of rest or motion. A force is a push or pull that has both magnitude (strength) and direction. When multiple forces act on an object, its motion is decided by the net force:
- If opposing forces are equal, they are balanced forces, and the net force is zero (the object's motion does not change).
- If the forces do not cancel out, they are unbalanced forces, resulting in a non-zero net force that changes the object's speed or direction.
The chapter highlights friction, a force that opposes motion between surfaces in contact. Through thought experiments, Galileo Galilei and Isaac Newton showed that moving objects do not need a continuous force to keep moving—friction is what slows them down in daily life. This leads to Newton’s First Law of Motion, which states that an object stays at rest or moves with a constant velocity unless acted upon by a non-zero net force.
2. Key Concepts Explained Simply
What is a Force?
A force can:
- Make a stationary object move (e.g., kicking a football at rest).
- Change the speed or direction of a moving object (e.g., striking a cricket ball with a bat).
- Change the shape of an object (e.g., squeezing a lemon with your fingers).
Force has both magnitude (how strong it is) and direction (which way it pushes or pulls). If either magnitude or direction changes, the effect of the force changes.
Balanced and Unbalanced Forces
- Balanced Forces: When two forces acting on an object are equal in magnitude and opposite in direction, they balance each other out. The net force is zero.
- Example: In a tug of war, if both teams pull with equal strength, the rope does not move.
- Example: A ball floating steadily on water has downward gravitational pull balanced by the upward buoyant force.
- Unbalanced Forces: When forces acting in opposite directions are unequal, or when forces act in the same direction, a non-zero net force acts on the object.
- If two people push a stalled car in the same direction, the net force is the sum of their individual forces.
- If two people push a box in opposite directions with unequal force, the box accelerates in the direction of the larger force.
The Force of Friction
Friction acts between the surfaces of two objects in contact in a direction opposite to the direction of motion.
- When you stop pedalling a bicycle or stop pushing a box, it slows down and stops because friction acts against its motion.
- Smoother surfaces (such as polished tile or laminated tabletops) exert less friction than rougher surfaces (such as wood or cement). On smoother surfaces, objects travel a greater distance before stopping.
Galileo’s Thought Experiment and Inertia
- In ancient times, people thought a continuous force was needed to keep something moving.
- In the 17th century, Galileo Galilei argued that if all resistance and friction were completely removed on a horizontal surface, an object set in motion would continue moving indefinitely.
- Inertia is the natural tendency of an object to resist any change in its state of rest or uniform motion.
Newton’s First Law of Motion
Newton formulated this law in 1687:
- If an object is at rest, it remains at rest.
- If an object is moving, it keeps moving with a constant velocity (same speed, straight line).
- It only changes its motion if an external net force acts upon it.
- If Net Force = 0, then Acceleration = 0.
3. Important Definitions, Formulas, Facts, and Dates
- Newton’s First Law of Motion: An object at rest remains at rest, and an object in motion continues to move with a constant velocity, unless a net force acts upon the object.
- Inertia: The tendency of objects to resist a change in their state of rest or uniform motion.
- Net Force Formulas:
- Forces in the same direction: Net force = Force 1 + Force 2 (directed along both forces)
- Forces in opposite directions: Net force = Larger force − Smaller force (directed along the larger force)
- Equal forces in opposite directions: Net force = Force 1 − Force 2 = 0 N (Balanced forces)
- SI Unit of Force:
- Full name: newton (starts with a lowercase 'n' when written as a unit name).
- Symbol: N (capitalized).
- Measuring Force: A spring balance is used to measure force and weight.
- Key Facts & Dates:
- 1687: Isaac Newton presented his three laws of motion.
- The smallest force humans can feel directly is roughly 1 millinewton (10⁻³ N).
- The smallest force measured by scientists in specialised experiments is down to yoctonewtons (10⁻²⁴ N).
4. Solved Examples & Exam-Style Questions
Question 1
Two forces of 10 N and 6 N act on a block lying on a table. Find the magnitude and direction of the net force when:
(a) Both forces act towards the right.
(b) The 10 N force acts towards the right and the 6 N force acts towards the left.
Answer:
- (a) Since both forces act in the same direction:
Net force = 10 N + 6 N = 16 N towards the right.
- (b) Since the forces act in opposite directions:
Net force = 10 N − 6 N = 4 N towards the right (in the direction of the larger force).
Question 2
A person applies a forward force on a moving box that is exactly equal in magnitude to the force of friction between the box and the floor. Will the box speed up, slow down, or continue moving at constant velocity?
Answer:
The applied force acts forward and the force of friction acts backward. Because both forces have equal magnitudes, they cancel each other out, making the net force equal to 0 N. According to Newton's First Law of Motion, when the net force on an object is zero, it continues to move with a constant velocity.
Question 3
A weightlifter lifts a barbell and holds it completely steady above their head. List the two main forces acting on the barbell. Are these forces balanced?
Answer:
- The downward gravitational force (weight) exerted by the Earth.
- The upward lifting force exerted by the weightlifter's hands.
Because the barbell is held completely steady (at rest), its acceleration is zero. Therefore, these two forces are balanced (net force is zero).
Question 4
What are the shapes of the (i) position-time graph and (ii) velocity-time graph for an object moving with a constant velocity when no net force acts on it?
Answer:
- (i) Position-time graph: A straight, inclined line, showing that position changes at a steady rate over time.
- (ii) Velocity-time graph: A horizontal straight line parallel to the time axis, showing that the velocity remains constant as time passes.
5. Common Mistakes & Quick Revision Points
- Mistake: Believing that an object needs a continuous forward force just to keep moving at a steady speed.
- Correction: An object only needs a continuous force in daily life to balance out friction. If friction were zero, no force would be needed to maintain constant velocity.
- Mistake: Writing the unit as "Newton" instead of "newton".
- Correction: When spelling out the unit name, use a lowercase initial letter (newton). Use the uppercase letter only for the symbol (N).
- Quick Revision Points:
- Force has both magnitude and direction.
- Balanced forces produce zero acceleration (object stays at rest or moves at constant velocity).
- Unbalanced forces produce a non-zero net force, causing acceleration.
- Friction always acts in the direction opposite to relative motion.
- Newton's First Law of Motion is also linked to the concept of inertia.
Practice MCQ (14)
अध्याय में वर्णित बल का SI मात्रक और उसका सही प्रतीक क्या है?
- (A) Newton, with symbol n
- (B) newton, with symbol N
- (C) dyne, with symbol D
- (D) newton, with symbol n
उत्तर: (B)
रस्साकशी के खेल में, दो टीमें विपरीत दिशाओं में समान बल से रस्सी को खींचती हैं। रस्सी पर क्या प्रभाव पड़ता है?
- (A) The rope accelerates towards the team with greater weight.
- (B) The rope moves back and forth continuously.
- (C) The rope does not move because the forces are balanced.
- (D) The rope moves in the direction of the pulling force.
उत्तर: (C)
किस उपकरण का उपयोग न केवल किसी वस्तु के भार को मापने के लिए, बल्कि सामान्य तौर पर लगाए गए खिंचाव बल के परिमाण को मापने के लिए भी किया जा सकता है?
- (A) Beam balance
- (B) Spring balance
- (C) Barometer
- (D) Speedometer
उत्तर: (B)
न्यूटन के गति के पहले नियम के अनुसार, जब किसी वस्तु पर कोई कुल (नेट) बल कार्य नहीं करता है, तो उसकी गति की अवस्था क्या होती है?
- (A) It must always be completely at rest.
- (B) It accelerates with a constant acceleration.
- (C) It remains at rest if at rest, or continues to move with a constant velocity if in motion.
- (D) It moves in a circular path at constant speed.
उत्तर: (C)
मेज पर रखे एक गुटके पर बाईं ओर 10 N और दाईं ओर 6 N के दो बल कार्य करते हैं। गुटके पर लगने वाले कुल (नेट) बल का परिमाण और दिशा क्या है?
- (A) 16 N towards the left
- (B) 16 N towards the right
- (C) 4 N towards the right
- (D) 4 N towards the left
उत्तर: (D)
जब एक क्षैतिज फर्श पर रखे बक्से को क्षैतिज रूप से धकेला जाता है, तो कौन-सा ऊर्ध्वमुखी बल बक्से पर नीचे की ओर लगने वाले गुरुत्वाकर्षण बल (भार) को संतुलित करता है?
- (A) Force of friction
- (B) Normal force
- (C) Buoyant force
- (D) Air resistance
उत्तर: (B)
गतिविधि 6.1 में, चिह्न C से एक खींचे हुए रबर बैंड को छोड़कर चार सिक्कों के एक ढेर को विभिन्न क्षैतिज सतहों पर आगे बढ़ाया जाता है। विरामावस्था में आने से पहले सिक्के निम्नलिखित में से किस सतह पर सबसे अधिक दूरी तय करेंगे?
- (A) Wooden table top
- (B) Cemented floor
- (C) Laminated table top
- (D) Polished marble or tiled floor
उत्तर: (D)
एक व्यक्ति एक गतिशील बक्से पर आगे की ओर एक ऐसा बल लगाता है जो परिमाण में बक्से और फर्श के बीच लगने वाले घर्षण बल के बिल्कुल बराबर है। बक्से की गति का क्या होगा?
- (A) The box will immediately come to rest.
- (B) The box will slow down gradually and then stop.
- (C) The box will continue moving with a constant velocity.
- (D) The box will accelerate continuously in the forward direction.
उत्तर: (C)
17वीं शताब्दी में विचार प्रयोगों (thought experiments) के माध्यम से यह किसने तर्क दिया था कि यदि किसी क्षैतिज तल पर गति में आने वाली सभी बाधाओं को हटा दिया जाए, तो कोई वस्तु अनिश्चित काल तक गति करती रहेगी?
- (A) Isaac Newton
- (B) Galileo Galilei
- (C) Aristotle
- (D) Albert Einstein
उत्तर: (B)
जब किसी वस्तु पर कोई कुल (नेट) बल कार्य नहीं कर रहा हो और वह एक समान वेग से गति कर रही हो, तो निम्नलिखित में से कौन-सा विकल्प उसके स्थिति-समय और वेग-समय ग्राफ का सही वर्णन करता है?
- (A) Position-time graph is a straight sloping line; velocity-time graph is a horizontal straight line parallel to the time axis.
- (B) Position-time graph is a horizontal line; velocity-time graph is a straight sloping line.
- (C) Both position-time and velocity-time graphs are horizontal lines on the time axis.
- (D) Both position-time and velocity-time graphs are curved lines showing acceleration.
उत्तर: (A)
दो लोग एक बंद पड़ी कार को एक ही दिशा में F1 और F2 बल लगाकर धक्का देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप 28 N का कुल परिणामी आगे की ओर बल प्राप्त होता है। यदि F1 का परिमाण 16 N है, तो यदि F1 को अपरिवर्तित रखते हुए F2 की दिशा उलट दी जाए, तो परिणामी बल का परिमाण और दिशा क्या होगी?
- (A) 12 N in the direction of F1
- (B) 4 N in the direction of F1
- (C) 4 N in the direction of F2
- (D) 28 N in the direction of F2
उत्तर: (B)
संतुलित और असंतुलित बलों के संबंध में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए: (i) यदि किसी वस्तु पर परिणामी बल शून्य है, तो उसका त्वरण शून्य होता है। (ii) कोई वस्तु बदलते वेग से केवल तभी गति कर सकती है जब उस पर कोई गैर-शून्य परिणामी बल कार्य करे। (iii) जब दो बल विपरीत दिशाओं में कार्य करते हैं, तो परिणामी बल हमेशा शून्य होता है। पाठ्यपुस्तक के अनुसार उपरोक्त में से कौन-से कथन सही हैं?
- (A) (i) and (ii) only
- (B) (ii) and (iii) only
- (C) (i) and (iii) only
- (D) (i), (ii), and (iii)
उत्तर: (A)
क्रियाकलाप 6.2 में, एक क्षैतिज कमानीदार तुला (spring balance) से जुड़े लकड़ी के गुटके को एक सतह पर खींचा जाता है। यदि गुटका इस प्रकार गति करता है कि उसका वेग न तो बढ़ रहा है और न ही घट रहा है, तो कमानीदार तुला का पाठ्यांक क्या दर्शाता है, और गुटके पर कार्य करने वाला कुल परिणामी बल क्या है?
- (A) Reading indicates the weight of the block; net force is greater than zero.
- (B) Reading gives an approximate measure of the force of friction; net force is zero.
- (C) Reading indicates the normal force; net force is equal to the applied force.
- (D) Reading gives the acceleration of the block; net force is infinite.
उत्तर: (B)
पाठ्यपुस्तक के अनुसार, आइजैक न्यूटन ने वस्तुओं की अपनी विराम अवस्था या एकसमान गति की अवस्था में परिवर्तन का विरोध करने की प्रवृत्ति का वर्णन करने के लिए किस विशिष्ट शब्द का उपयोग किया था, और उन्होंने किस वर्ष अपने गति के तीन नियम प्रस्तुत किए थे?
- (A) Friction, in 1642
- (B) Momentum, in 1727
- (C) Inertia, in 1687
- (D) Gravity, in 1665
उत्तर: (C)