FSc Part 1 Physics Chapter 5 Complete Guide Book — Solids and Fluid Dynamics

FSc Part 1 Physics Chapter 5 — Solids and Fluid Dynamics
Home > PunjabTest.com > FSc Part 1 > Physics — all chapters > Chapter 5: Solids and Fluid Dynamics

اس chapter میں topics (Topics in this chapter)

  1. 5.1 — Classification of Solids
  2. 5.2 — Deformation in Solids
  3. 5.3 — Stress, Strain and Young's Modulus
  4. 5.4 — Determination of Young's Modulus of a Wire
  5. 5.5 — Elastic Deformation, Plastic Deformation and Elastic Limit
  6. 5.6 — Strain Energy in Deformed Materials
  7. 5.7 — Archimedes' Principle and Floatation
  8. 5.8 — Steady, Non-viscous and Ideal Fluid
  9. 5.9 — Equation of Continuity
  10. 5.10 — Increase in Flow Velocity
  11. 5.11 — Bernoulli's Equation
  12. 5.12 — Uses of Bernoulli's Equation
  13. 5.13 — Viscous Drag and Stokes' Law
  14. 5.14 — Terminal Velocity
  15. 5.15 — Real Fluids are Viscous Fluids
  16. 5.16 — Superfluids
  17. 📝 Official Exercise Questions — with Answers
  18. 📌 Chapter Summary & Guidance
5.1 — Classification of Solids۵.۱ — ٹھوس اشیا کی اقسام
🏷 Tags: crystalline, amorphous, glassy, polymeric, lattice, long-range order
ENGLISH

Pick up a piece of quartz, a window pane and a plastic bottle. All three are solids, but inside they are put together in very different ways — and that hidden arrangement decides whether the thing is hard, melts sharply, or bends instead of breaking. This chapter starts there, because nearly everything that follows (stretching, breaking, floating, flowing) comes back to how the atoms sit next to each other.

Crystalline solids have their atoms, molecules or ions arranged in a regular pattern that repeats over the whole crystal — what the book calls long-range order. Metals and ceramics are the everyday examples. The atoms are not frozen still: each one vibrates about a fixed point, and the vibration grows as the temperature rises. Strong cohesive forces hold the pattern in place, until at one sharp temperature the vibrations win, the order collapses all at once, and the solid melts. That is why every crystalline solid has a definite melting point — quartz, calcite, sugar, mica and diamond are the book's examples. Scientists study these patterns with X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM).

Amorphous (glassy) solids have no regular arrangement at all. The word itself means "without form". Think of them as a liquid whose disordered structure got frozen in place. Ordinary glass is the classic case: heat it and it does not melt at one temperature, it softens gradually into a paste and then into a very thick liquid at almost 800 °C. So amorphous solids have no definite melting point. Plastic, glass and fused silicon belong here.

Polymeric solids sit in between — partly ordered, partly not. Polymers are huge chain molecules built when small molecules join together (polymerization). Plastics and synthetic rubbers are polymers, and so are natural materials: polythene, polystyrene and nylon are named in the book, and natural rubber in its pure state is a hydrocarbon, (C5H8)n. Polymers are light for their strength — a lower specific gravity than even the lightest metals — which is why a plastic bucket can be both light and tough.

📌 Book note: the margin box on page 88 contrasts glassy and crystalline order side by side, and a second box shows the sodium chloride (NaCl) crystal lattice — sodium and chlorine ions locked in a repeating cage. That cage picture is the whole idea of a crystal in one drawing.

اردو

کوارٹز کا ٹکڑا، کھڑکی کا شیشہ اور پلاسٹک کی بوتل — تینوں ٹھوس ہیں، لیکن اندر سے ان کی بناوٹ بہت مختلف ہے، اور یہی پوشیدہ ترتیب طے کرتی ہے کہ کوئی چیز سخت ہوگی، ایک خاص درجہ حرارت پر پگھلے گی یا ٹوٹنے کے بجائے مڑ جائے گی۔

کرسٹلائن ٹھوس میں ایٹم، مالیکیول یا آئن ایک باقاعدہ ترتیب میں پورے کرسٹل میں دہرائے جاتے ہیں۔ دھاتیں اور سرامکس اس کی مثالیں ہیں۔ ایٹم ساکن نہیں ہوتے، ہر ایٹم اپنی جگہ کے گرد تھرتھراتا ہے، اور درجہ حرارت بڑھنے سے یہ تھرتھراہٹ بڑھتی ہے۔ ایک خاص درجہ حرارت پر یہ ترتیب اچانک ٹوٹ جاتی ہے اور ٹھوس پگھل جاتا ہے، اس لیے ہر کرسٹلائن ٹھوس کا ایک مقررہ پگھلنے کا درجہ حرارت ہوتا ہے۔

ایمورفس (شیشہ نما) ٹھوس میں کوئی باقاعدہ ترتیب نہیں ہوتی — گویا مائع کی بے ترتیبی جم گئی ہو۔ عام شیشہ گرم کرنے پر ایک دم نہیں پگھلتا بلکہ آہستہ آہستہ نرم ہو کر تقریباً 800 °C پر گاڑھا مائع بن جاتا ہے، اس لیے اس کا کوئی مقررہ پگھلنے کا درجہ حرارت نہیں ہوتا۔

پولیمرک ٹھوس درمیان کی حالت ہیں — کچھ ترتیب، کچھ بے ترتیبی۔ چھوٹے مالیکیول جڑ کر لمبی زنجیریں بناتے ہیں۔ یہ ہلکے ہونے کے باوجود مضبوط ہوتے ہیں، اسی لیے پلاسٹک کی بالٹی ہلکی بھی ہے اور مضبوط بھی۔

Topic diagram
Farq samjho: بائیں طرف ایٹم قطاروں میں بیٹھے ہیں — یہ کرسٹل ہے۔ دائیں طرف کوئی قطار نہیں — یہ شیشہ نما ٹھوس ہے۔
5.2 — Deformation in Solids۵.۲ — ٹھوس اشیا میں شکل کی تبدیلی
🏷 Tags: deformation, elasticity, stress, rubber ball, unit cell
ENGLISH

Squeeze a soft rubber ball in your hand and it flattens; open your hand and it pops back to a sphere. Pull a rubber band and it gets longer; let go and it returns. The book starts with these two homely experiments because they contain the whole subject: when an outside force acts on a body, its shape, length or volume changes. That change is called deformation.

Look closer, at the level of atoms. In a crystalline solid the atoms sit in a regular order, held by forces between neighbours. Push or pull the solid and the atoms are dragged slightly away from their equilibrium positions — the solid is now in a state of stress. Take the force away, and if it was not too large, the atoms slide back and the body regains its original shape. That ability to come back is elasticity. The book's Figure 5.2 shows the same story in a single unit cell: unstretched, stretched outward, squeezed inward, and back to normal once the force is removed.

Two things are worth noticing already. First, deformation is not damage: a stretched rubber band is deformed, not broken. Second, there is a limit — "provided the external force was not too great". Past that limit the atoms do not find their way home, and the change becomes permanent. That limit, and what happens beyond it, is the subject of section 5.5.

اردو

نرم ربڑ کی گیند کو ہاتھ میں دبائیں تو وہ چپٹی ہو جاتی ہے، ہاتھ کھولیں تو دوبارہ گول ہو جاتی ہے۔ ربڑ بینڈ کھینچیں تو لمبا ہوتا ہے، چھوڑیں تو واپس آ جاتا ہے۔ بیرونی قوت سے جسم کی شکل، لمبائی یا حجم میں تبدیلی کو ڈیفارمیشن کہتے ہیں۔

ایٹموں کی سطح پر دیکھیں تو کرسٹل میں ایٹم باقاعدہ ترتیب میں ہوتے ہیں۔ قوت لگانے سے ایٹم اپنی متوازن جگہ سے تھوڑا ہٹ جاتے ہیں — اس حالت کو سٹریس کہتے ہیں۔ قوت ہٹانے پر اگر قوت زیادہ نہ تھی تو ایٹم واپس آ جاتے ہیں اور جسم اپنی اصل شکل پا لیتا ہے۔ واپس آنے کی اس صلاحیت کو لچک (elasticity) کہتے ہیں۔

یاد رکھیں: ڈیفارمیشن نقصان نہیں ہے، اور اس کی ایک حد ہے — حد سے زیادہ قوت پر تبدیلی مستقل ہو جاتی ہے، جس کی تفصیل آگے ۵.۵ میں آئے گی۔

Topic diagram
Dabao samjho: گیند دبانے سے چپٹی ہوتی ہے، چھوڑنے پر واپس گول — یہی لچک ہے، بشرطیکہ قوت حد سے زیادہ نہ ہو۔
5.3 — Stress, Strain and Young's Modulus۵.۳ — سٹریس، سٹرین اور ینگ ماڈیولس
🏷 Tags: stress, strain, tensile, compressive, volumetric, shear, Young modulus, pascal
ENGLISH

Engineers do not just say "this rod stretched a lot". They measure two numbers, because a thick rod and a thin wire pulled by the same force behave very differently. The first number is stress: the force applied per unit area, σ = F/A. Its SI unit is the newton per square metre (N m⁻²), which has its own name, the pascal (Pa). Stress is named by what it changes: if it changes length it is tensile stress (pulling), if it changes volume it is volume stress, and if it changes shape it is shear stress.

The second number is strain: how big the deformation is compared with the original size. For a stretch in one dimension, strain ε = change in length (ΔL) ÷ original length (Lo). Because it is a length divided by a length, strain has no units — it is just a ratio, often a small decimal like 0.004. Pulling gives tensile strain; squeezing gives compressive strain. Squeezing a block from all sides gives volumetric strain, ΔV/Vo. And if one face of a block slides sideways by Δx while the faces are y apart, the shear strain is γ = Δx/y = tan θ, which for small angles is just θ itself (in radians).

Now the key ratio. Within the elastic limit, stress divided by strain is constant for a given material. For stretching, that constant is Young's modulus, Y = tensile stress ÷ tensile strain = (F/A) ÷ (ΔL/Lo). It has the same unit as stress, N m⁻², and it is a measure of stiffness: steel (Y ≈ 200 × 10⁹ N m⁻²) is far stiffer than bone (15 × 10⁹) or ice (14 × 10⁹). The book's Table 5.1 lists Young's, bulk and shear moduli side by side — notice that liquids like water and mercury have zero Young's and shear moduli: you cannot stretch a liquid like a wire, because it has no fixed shape to hold.

📌 Book note: Young's modulus is named after the 19th-century British scientist Thomas Young, but the book points out the concept itself was developed in 1727 by Leonhard Euler.

اردو

انجینئر صرف یہ نہیں کہتے کہ "یہ چھڑ بہت کھنچ گئی" — وہ دو عدد ناپتے ہیں۔ پہلا سٹریس ہے: فی یونٹ رقبے پر لگنے والی قوت، σ = F/A۔ اس کی اکائی نیوٹن فی مربع میٹر ہے جسے پاسکل (Pa) کہتے ہیں۔ لمبائی بدلنے والا سٹریس ٹینسائل، حجم بدلنے والا والیومیٹرک اور شکل بدلنے والا شیئر کہلاتا ہے۔

دوسرا عدد سٹرین ہے: تبدیلی کا اصل سائز سے تناسب۔ کھنچاؤ کے لیے ε = ΔL ÷ Lo۔ لمبائی کو لمبائی سے تقسیم کرنے سے یہ بے اکائی عدد بنتا ہے، جیسے 0.004۔ حجم کے لیے ΔV/Vo اور شیئر کے لیے γ = Δx/y = tan θ ہے، جو چھوٹے زاویوں کے لیے تقریباً θ کے برابر ہوتا ہے۔

اب اہم تناسب: لچک کی حد کے اندر سٹریس کو سٹرین سے تقسیم کریں تو ہر مادے کے لیے ایک مستقل عدد ملتا ہے — کھنچاؤ کے لیے یہی ینگ ماڈیولس ہے، Y = (F/A) ÷ (ΔL/Lo)۔ یہ سختی کی پیمائش ہے: سٹیل (≈ 200 × 10⁹) ہڈی (15 × 10⁹) سے کہیں زیادہ سخت ہے۔ پانی اور پارے کا ینگ ماڈیولس صفر ہے کیونکہ مائع کو تار کی طرح کھینچا نہیں جا سکتا۔

Topic diagram
Teen qism samjho: کھینچنا لمبائی بدلتا ہے، دبانا حجم بدلتا ہے، اور اوپر سے سرکانا شکل بدلتا ہے — تینوں کے سٹریس اور سٹرین الگ الگ ہیں۔
5.4 — Determination of Young's Modulus of a Wire۵.۴ — تار کا ینگ ماڈیولس معلوم کرنا
🏷 Tags: Searle apparatus, reference wire, test wire, micrometer, spirit level
ENGLISH

Formulas are only useful if you can measure the numbers that go into them, and the book gives one complete experiment for this: Searle's apparatus. Two wires of the same material, same length and same diameter hang from a rigid support — a reference wire and a test wire. Each carries a horizontal bar (frame) at its lower end. A constant weight hangs from the reference bar and a hanger from the test bar, so both wires stay stretched and free of kinks before you start.

The procedure, step by step: (1) measure the original length Lo with a metre scale; (2) measure the wire's diameter d at several points with a screw gauge and take the average — several points matter, because a wire is never perfectly uniform; (3) level the spirit level with the micrometer screw and note that reading as your reference; (4) add a weight to the test wire — it stretches, so the spirit level tilts; (5) turn the micrometer until the level is horizontal again, and subtract the first reading from the second to get the extension ΔL; (6) work out stress = weight ÷ area = mg ÷ πr² and strain = ΔL ÷ Lo; (7) repeat with heavier loads; (8) plot stress against strain. The graph is a straight line, and its slope is Young's modulus. That last step is the elegant part: instead of trusting one measurement, you let a whole line of measurements speak.

📌 Brain teaser (book, p. 92): a steel rod and a rubber band are pulled by the same force — which stretches more? The rubber band, by far: its Young's modulus is tiny next to steel's, so the same stress produces a far bigger strain.

اردو

فارمولے تب ہی کام آتے ہیں جب ان میں ڈالنے والے عدد ناپے جا سکیں، اور کتاب اس کے لیے ایک مکمل تجربہ بتاتی ہے: سیرل کا آلہ۔ ایک ہی مادے، لمبائی اور موٹائی کی دو تاریں ایک مضبوط سہارے سے لٹکائی جاتی ہیں — ایک حوالہ تار اور ایک آزمائشی تار۔

طریقہ: (۱) میٹر اسکیل سے اصل لمبائی Lo ناپیں؛ (۲) سکرو گیج سے کئی جگہوں پر قطر ناپ کر اوسط لیں؛ (۳) مائیکرومیٹر سے سپرٹ لیول سیدھا کر کے پہلی ریڈنگ نوٹ کریں؛ (۴) آزمائشی تار پر وزن رکھیں — تار کھنچے گی اور لیول جھک جائے گا؛ (۵) مائیکرومیٹر گھما کر لیول دوبارہ سیدھا کریں، دونوں ریڈنگز کا فرق ہی کھنچاؤ ΔL ہے؛ (۶) سٹریس = mg ÷ πr² اور سٹرین = ΔL ÷ Lo نکالیں؛ (۷) زیادہ وزن سے دہرائیں؛ (۸) سٹریس بمقابلہ سٹرین گراف بنائیں — اس سیدھی لکیر کی ڈھلوان ہی ینگ ماڈیولس ہے۔

Topic diagram
Aala samjho: دو ایک جیسی تاریں — ایک حوالہ، ایک آزمائش — تاکہ سہارے کی حرکت نتیجے میں شامل نہ ہو، صرف تار کا کھنچاؤ ناپا جائے۔
5.5 — Elastic Deformation, Plastic Deformation and Elastic Limit۵.۵ — لچکدار و پلاسٹک تبدیلی، لچک کی حد
🏷 Tags: stress-strain curve, proportional limit, Hooke law, yield point, ultimate tensile strength, ductile, brittle
ENGLISH

Stretch a metal wire slowly in a testing machine, measuring the stress at every step, and plot stress against strain. You get the most important graph in this chapter — the book's Figure 5.5, the stress–strain curve of a typical ductile material. Read it from left to right like a story.

From the origin O to point A, stress rises in a straight line with strain: this is the proportional limit (σp), the greatest stress a material can take without losing straight-line proportionality. Here Hooke's law holds — stress is directly proportional to strain (or, for a spring, force to extension). From A to B the line bends: stress and strain are no longer proportional, but if you unload anywhere up to B, the curve is retraced and the material returns to its original state. The region OB is the elastic region, and point B is the yield point; the stress there is the elastic limit (σe).

Push past B and the story changes. The material is permanently changed — it will not recover its shape when the stress is removed. This is plastic deformation, the region from B to C. Point C is the ultimate tensile strength (UTS, σu): the maximum stress the material can withstand, its nominal strength. Past C, the material breaks at point D, the fracture stress (σf).

Materials that go through a long plastic region before breaking are ductile — lead, copper and wrought iron. Materials that snap just after the elastic limit are brittle — glass and high-carbon steel, and also beryllium, bismuth and chromium. That one distinction explains why a copper wire can be drawn thin but a glass rod cannot.

Worked example 5.1 (book): a steel wire 12 mm in diameter, 11 m long between a log and a tractor, pulled with 10,000 N. Radius r = 6 × 10⁻³ m, so area A = πr² = 3.14 × (6 × 10⁻³)² = 1.13 × 10⁻⁴ m². Stress σ = F/A = 10,000 ÷ 1.13 × 10⁻⁴ ≈ 88.46 × 10⁶ N m⁻². With E = 200 × 10⁹ N m⁻², strain = stress ÷ E = 88.46 × 10⁶ ÷ 200 × 10⁹ = 4.4 × 10⁻⁴. Extension ΔL = strain × Lo = 4.4 × 10⁻⁴ × 11 = 4.84 × 10⁻³ m — less than 5 mm over 11 metres, which is exactly why steel is trusted for towing.

اردو

دھات کی تار کو آہستہ آہستہ کھینچیں اور ہر قدم پر سٹریس ناپ کر سٹرین کے مقابلے میں گراف بنائیں تو اس باب کا سب سے اہم گراف ملتا ہے — سٹریس۔سٹرین وکر۔ اسے بائیں سے دائیں کہانی کی طرح پڑھیں۔

نقطہ O سے A تک سٹریس سیدھی لکیر میں بڑھتا ہے: یہ پروپورشنل لمٹ ہے، جہاں تک ہک کا قانون لاگو ہوتا ہے (سٹریس، سٹرین کے متناسب)۔ A سے B تک لکیر مڑ جاتی ہے لیکن قوت ہٹانے پر مادہ واپس اصل حالت میں آ جاتا ہے — یہ لچکدار علاقہ ہے اور نقطہ B یلڈ پوائنٹ یعنی لچک کی حد ہے۔

B سے آگے تبدیلی مستقل ہو جاتی ہے — یہ پلاسٹک ڈیفارمیشن ہے۔ نقطہ C الٹی میٹ ٹینسائل سٹرینتھ ہے، یعنی مادہ زیادہ سے زیادہ جتنا سٹریس برداشت کر سکتا ہے، اور D پر وہ ٹوٹ جاتا ہے۔ لمبے پلاسٹک علاقے والے مادے ڈکٹائل (سیسہ، تانبا، لوہا) اور لچک کی حد کے فوراً بعد ٹوٹنے والے برٹل (شیشہ، ہائی کاربن سٹیل) کہلاتے ہیں۔

مثال ۵.۱: ۱۲ ملی میٹر قطر، ۱۱ میٹر لمبی سٹیل تار، قوت 10,000 نیوٹن۔ رقبہ = 3.14 × (6 × 10⁻³)² = 1.13 × 10⁻⁴ مربع میٹر؛ سٹریس ≈ 88.46 × 10⁶؛ سٹرین = 88.46 × 10⁶ ÷ 200 × 10⁹ = 4.4 × 10⁻⁴؛ کھنچاؤ = 4.4 × 10⁻⁴ × 11 = 4.84 × 10⁻³ میٹر — ۱۱ میٹر پر ۵ ملی میٹر سے بھی کم!

Topic diagram
Wakar samjho: O سے A سیدھی لکیر (ہک کا قانون)، B تک واپسی ممکن، B سے C مستقل تبدیلی، C سب سے زیادہ برداشت، D پر ٹوٹنا۔
5.6 — Strain Energy in Deformed Materials۵.۶ — بگڑی ہوئی چیز میں جمع شدہ توانائی
🏷 Tags: strain energy, elastic potential energy, force-extension graph, area under curve
ENGLISH

Stretch a spring and let go: it snaps back and can do work on its way. Where did that energy come from? From you — the work you did stretching it is not lost, it is stored inside the material as strain energy (elastic potential energy), equal to the gain in potential energy of the molecules pushed away from their mean positions.

The derivation is short and worth following once. A spring stretched by x within its elastic limit obeys Hooke's law, F = kx, so the force grows steadily from 0 to F as you stretch. The average force during the stretch is therefore F/2, and work = average force × distance = (F/2) × x = ½Fx. Since F = kx, this is also ½kx². The book shows the same result as the area of the triangle OPQ under the force–extension graph — and the learning outcome reminds you that this works generally: the area under a force–extension graph is the work done stretching the material, and within the proportionality limit it equals the elastic potential energy stored, Ep = ½kx².

📌 Book note (For your information, p. 94): the work done in stretching a material equals the average force applied multiplied by the distance moved — which is exactly why the graph's area, not just its height, is the quantity that matters.

اردو

سپرنگ کھینچ کر چھوڑیں تو وہ واپس آ کر کام کر سکتا ہے — یہ توانائی کہاں سے آئی؟ آپ سے! کھینچنے میں کیا گیا کام ضائع نہیں ہوتا بلکہ مادے کے اندر سٹرین انرجی (لچکدار مخفی توانائی) کی صورت میں جمع ہو جاتا ہے۔

حساب آسان ہے: لچک کی حد میں سپرنگ ہک کے قانون F = kx کی پابندی کرتا ہے، یعنی قوت 0 سے F تک آہستہ آہستہ بڑھتی ہے۔ اوسط قوت F/2 ہوئی، اور کام = اوسط قوت × فاصلہ = ½Fx = ½kx²۔ گراف پر یہی مثلث OPQ کا رقبہ ہے۔ عام اصول یاد رکھیں: فورس۔ایکسٹینشن گراف کے نیچے کا رقبہ ہی کیا گیا کام ہے۔

Topic diagram
Triangle samjho: قوت 0 سے F تک بڑھتی ہے، اس لیے اوسط F/2 ہے — مثلث کا رقبہ ½Fx ہی جمع شدہ توانائی ہے۔
5.7 — Archimedes' Principle and Floatation۵.۷ — آرکیمیڈیز کا اصول اور تیرنا
🏷 Tags: Archimedes, upthrust, buoyancy, floatation, hot-air balloon, ship, submarine
ENGLISH

Drop a mug full of water into a bucket and it feels light while it is under water, heavy the moment you lift it out. An air-filled balloon released under water shoots straight to the surface. More than two thousand years ago Archimedes noticed the same thing and gave it a name: the upthrust of the liquid — an upward force on anything immersed in it, which makes the object seem to lose weight.

Archimedes' principle: when an object is totally or partially immersed in a liquid, an upthrust acts on it equal to the weight of the fluid it displaces. The book proves it with a cylinder of area A and height h, its top at depth h1 and bottom at h2. Liquid pressure grows with depth (P = ρgh), so the bottom face is pushed up harder than the top face is pushed down: F2 − F1 = ρgh2A − ρgh1A = ρgA(h2 − h1) = ρgAh = ρgV. And ρgV is exactly the weight of the displaced liquid. So upthrust = ρgV — one short formula, and it works for gases too.

Floatation follows at once. An object sinks if its weight is greater than the upthrust, and floats if its weight is equal to or less than the upthrust. A floating object displaces a fluid whose weight equals the weight of the object — the principle of floatation. The book's applications make the point concrete: (1) a hot-air balloon rises because its average density is less than the surrounding air, and the pilot controls the rise by varying the hot air; (2) a wooden block floats because an equal volume of water weighs more than the block; (3) ships and boats are shaped so that the water they displace weighs as much as the whole loaded ship — they sink only if their total weight exceeds the upthrust; (4) a submarine fills tanks with seawater to grow heavier and dive, and empties them to rise again.

Worked example 5.2 (book): a wooden cube of side 10 cm = 0.1 m, fully dipped in water. Volume V = (0.1)³ = 1 × 10⁻³ m³. Upthrust = ρgV = 1000 × 9.8 × 1 × 10⁻³ = 9.8 N.

Worked example 5.3 (book): an empty meteorological balloon weighs 80 N and holds 10 m³ of hydrogen (density 0.09 kg m⁻³; air 1.3 kg m⁻³). Upthrust = weight of air displaced = 1.3 × 9.8 × 10 = 127.4 N. Weight of the hydrogen itself = 0.09 × 10 × 9.8 = 8.82 N. So the balloon can lift, besides its own weight, w2 = 127.4 − 80 − 8.82 = 38.58 N of instruments.

📌 Book notes: Archimedes was born about 287 BC in Syracuse on the island of Sicily. And the margin teaser asks why a heavy steel ship floats while a small rock sinks — the answer is shape, not weight: the ship's hollow hull displaces an enormous weight of water, the rock displaces almost none.

اردو

پانی سے بھرا مگ بالٹی میں ہلکا لگتا ہے اور باہر نکالتے ہی بھاری — پانی کے اندر چھوڑا ہوا ہوا بھرا غبارہ سیدھا سطح پر آ جاتا ہے۔ دو ہزار سال پہلے آرکیمیڈیز نے اس کی وجہ بتائی: مائع کی اپ تھرسٹ، یعنی ڈوبی ہوئی چیز پر اوپر کی طرف لگنے والی قوت۔

آرکیمیڈیز کا اصول: کوئی چیز مائع میں پوری یا جزوی طور پر ڈوبے تو اس پر اتنی اپ تھرسٹ لگتی ہے جتنا اس نے مائع ہٹایا ہو، یعنی اس ہٹائے گئے مائع کے وزن کے برابر۔ کتاب سلنڈر سے ثابت کرتی ہے: نیچے کی سطح پر دباؤ اوپر سے زیادہ ہوتا ہے (P = ρgh)، فرق F2 − F1 = ρgV نکلتا ہے — یعنی اپ تھرسٹ = ρgV۔

تیرنا: چیز کا وزن اپ تھرسٹ سے زیادہ ہو تو ڈوبتی ہے، برابر یا کم ہو تو تیرتی ہے۔ تیرتی چیز اتنا مائع ہٹاتی ہے جس کا وزن اس کے اپنے وزن کے برابر ہو۔ مثالیں: (۱) گرم ہوا کا غبارہ اس لیے اٹھتا ہے کہ اس کی اوسط کثافت ہوا سے کم ہے؛ (۲) لکڑی کا ٹکڑا اس لیے تیرتا ہے کہ برابر حجم کے پانی کا وزن اس سے زیادہ ہے؛ (۳) جہاز اس طرح بنایا جاتا ہے کہ ہٹایا گیا پانی پورے لدے جہاز کے وزن کے برابر ہو؛ (۴) آبدوز ٹینکوں میں سمندری پانی بھر کر بھاری ہو کر ڈوبتی ہے اور خالی کر کے اوپر آتی ہے۔

مثال ۵.۲: ۱۰ سینٹی میٹر کنارے والا مکعب، حجم = (0.1)³ = 1 × 10⁻³، اپ تھرسٹ = 1000 × 9.8 × 1 × 10⁻³ = 9.8 نیوٹن۔ مثال ۵.۳: غبارے کا وزن 80، اپ تھرسٹ 127.4، ہائیڈروجن کا وزن 8.82، اس لیے اضافی اٹھایا جا سکنے والا وزن = 127.4 − 80 − 8.82 = 38.58 نیوٹن۔

Topic diagram
Tairna samjho: غبارہ اس لیے اٹھتا ہے کہ وہ اپنے برابر حجم کی ہوا سے ہلکا ہے، اور جہاز اس لیے تیرتا ہے کہ اس کا خول بہت زیادہ پانی ہٹاتا ہے — وزن نہیں، ہٹایا گیا پانی فیصلہ کرتا ہے۔
5.8 — Steady, Non-viscous and Ideal Fluid۵.۸ — مستحکم، غیر چپچپا اور مثالی سیال
🏷 Tags: streamline, laminar, turbulent, steady flow, ideal fluid, incompressible, non-viscous
ENGLISH

Solids stretch; fluids flow — and flowing fluids can behave in two very different ways. Watch water in a smooth pipe and then water tumbling over rocks, and you have already seen both. The book sorts flow into streamline (laminar) and turbulent flow, then defines the simplified fluid that the rest of the chapter's mathematics will assume.

In streamline or laminar flow, every particle that passes a given point follows exactly the same path as the particles that passed that point before it. The smooth path is called a streamline, and the tangent to a streamline at any point gives the direction of flow there. Two streamlines can never cross — if they did, a particle at the crossing would have to choose two directions at once, which is impossible. The book's example makes it concrete: on a streamline PQR, the speeds at P, Q and R may differ (v1, v2, v3), but if the speed at each fixed point does not change with time, the flow is steady.

Turbulent flow is the opposite: irregular, unsteady flow, where the velocity changes abruptly and the exact path of a particle cannot be followed. Above a certain speed the smooth motion breaks down into eddies and whirlpools, and the particles' paths keep changing. If two streamlines crossed, the flow would stop being steady and become turbulent — that is the book's own test for it.

An ideal fluid is then defined as a fluid that satisfies three conditions: (1) it is non-viscous — no friction between neighbouring layers; (2) it is incompressible — its density stays constant; (3) its motion is steady. No real fluid is ideal — the book is honest about that in section 5.15 — but assuming one lets us derive two exact laws, continuity and Bernoulli, which real flows follow closely enough to be useful.

📌 Book note: the margin pictures make the idea memorable — a Formula One car and a dolphin both have streamlined bodies, shaped so the fluid slides past them smoothly instead of breaking into drag-making eddies.

اردو

ٹھوس کھنچتے ہیں، سیال بہتے ہیں — اور بہاؤ دو طرح کا ہوتا ہے۔ ہموار پائپ میں پانی اور پتھروں پر گرتا پانی دیکھ لیں تو دونوں نظر آ جائیں گے۔

سٹریم لائن (لیمینر) بہاؤ میں ہر ذرہ کسی نقطے سے گزرتے ہوئے بالکل وہی راستہ اختیار کرتا ہے جو اس سے پہلے گزرنے والے ذروں نے اختیار کیا تھا۔ اس ہموار راستے کو سٹریم لائن کہتے ہیں، اور کسی نقطے پر اس کی ٹینجنٹ بہاؤ کی سمت بتاتی ہے۔ دو سٹریم لائنیں کبھی نہیں کاٹ سکتیں — ورنہ کاٹنے والے نقطے پر ذرے کو دو سمتیں چننی پڑتیں۔

ٹربولینٹ بہاؤ بے قاعدہ اور غیر مستحکم ہوتا ہے: رفتار اچانک بدلتی ہے، بھنور اور ایڈیز بنتے ہیں اور ذرے کا راستہ معلوم نہیں رہتا۔ ایک خاص رفتار سے اوپر ہموار بہاؤ ٹوٹ کر ٹربولینٹ ہو جاتا ہے۔

مثالی سیال کی تین شرطیں ہیں: (۱) غیر چپچپا — تہوں کے درمیان رگڑ نہیں؛ (۲) ناقابلِ دباؤ — کثافت مستقل؛ (۳) بہاؤ مستحکم۔ حقیقت میں کوئی سیال مثالی نہیں، لیکن اس فرض سے دو درست قوانین (تسلسل اور برنولی) نکلتے ہیں جو حقیقی بہاؤ کے قریب کافی ہیں۔

Topic diagram
Behao samjho: اوپر ہموار سٹریم لائنیں — ہر ذرہ وہی راستہ؛ نیچے بھنور — یہی ٹربولینٹ بہاؤ ہے۔
5.9 — Equation of Continuity۵.۹ — تسلسل کی مساوات
🏷 Tags: continuity, rate of flow, Av, conservation of mass, mass flow
ENGLISH

Before Bernoulli comes a simpler law, and it is just conservation of mass wearing a pipe's clothes. First, the rate of flow: the volume of fluid passing any section of a pipe per unit time. If fluid of speed v flows for time t, it covers length ℓ = vt, so the volume passed is A × ℓ = Avt, and the rate of flow is Avt ÷ t = Av, measured in m³ s⁻¹ (sometimes litres per second).

Now take a pipe of non-uniform size and watch a short interval Δt. At the wide lower end (area A1, speed v1) the fluid advances Δx1 = v1Δt, so the mass entering is Δm1 = A1v1Δt × ρ1. At the narrow upper end the mass leaving is Δm2 = A2v2Δt × ρ2. For steady flow of an incompressible fluid, mass is conserved — what enters in Δt must leave in Δt — so Δm1 = Δm2, giving A1v1ρ1 = A2v2ρ2. Density is constant, so it cancels, and we get the equation of continuity: A1v1 = A2v2. In words: the rate of flow in equals the rate of flow out. This equation, the book notes, is why a tap's falling stream gets thinner as it speeds up — the same volume per second must squeeze through a smaller area, so it moves faster (the margin "Tidbits" picture on page 101 shows exactly this).

Worked example 5.4 (book): a hose of internal diameter 20 mm discharges 30 kg of water in 60 s. Radius r = 0.02 ÷ 2 = 0.01 m; area A = πr² = 3.14 × (0.01)² = 3.14 × 10⁻⁴ m². Mass per second = 30 ÷ 60 = 0.5 kg s⁻¹. From ρAv = mass per second, v = 0.5 ÷ (1000 × 3.14 × 10⁻⁴) = 0.5 ÷ 0.314 = 1.6 m s⁻¹.

📌 Book notes: Euler obtained the continuity equation for an incompressible fluid in 1752, and the book lists where it is applied — blood flow in arteries and veins, water flow in rivers and pipes, and air flow in duct and ventilation systems.

اردو

برنولی سے پہلے ایک سادہ قانون ہے جو دراصل کمیت کی بقا ہے۔ پہلے بہاؤ کی شرح: کسی پائپ کے کسی حصے سے فی سیکنڈ گزرنے والا حجم۔ رفتار v سے t وقت میں فاصلہ ℓ = vt طے ہوتا ہے، حجم = A × ℓ = Avt، اور شرح = Avt ÷ t = Av (مکعب میٹر فی سیکنڈ)۔

اب مختلف موٹائی والا پائپ لیں: چوڑے سرے سے Δt میں داخل ہونے والی کمیت A1v1Δt × ρ1 اور تنگ سرے سے نکلنے والی A2v2Δt × ρ2 ہے۔ مستحکم بہاؤ میں کمیت محفوظ رہتی ہے، یعنی داخل = خارج، اور کثافت مستقل ہونے سے کٹ جاتی ہے، تو A1v1 = A2v2 ملتی ہے — یہی تسلسل کی مساوات ہے۔ اسی لیے نل سے گرتا پانی نیچے پتلا ہوتا جاتا ہے: رفتار بڑھتی ہے تو رقبہ گھٹنا ہی ہے۔

مثال ۵.۴: ۲۰ ملی میٹر قطر کا پائپ ۶۰ سیکنڈ میں ۳۰ کلوگرام پانی نکالتا ہے۔ رداس 0.01 میٹر، رقبہ 3.14 × 10⁻⁴؛ فی سیکنڈ کمیت 0.5؛ رفتار = 0.5 ÷ (1000 × 3.14 × 10⁻⁴) = 1.6 میٹر فی سیکنڈ۔

Topic diagram
Patla samjho: جہاں پائپ چوڑا ہے وہاں پانی آہستہ، جہاں تنگ ہے وہاں تیز — لیکن ہر سیکنڈ میں گزرنے والا حجم ہر جگہ برابر ہے۔
5.10 — Increase in Flow Velocity۵.۱۰ — بہاؤ کی رفتار میں اضافہ
🏷 Tags: squeezed pipe, rubber pipe, continuity, velocity increase
ENGLISH

Here is the whole continuity equation in one garden trick. Take a rubber pipe with water flowing through it and squeeze the end with your fingers. The cross-sectional area through which the water flows falls, and — by A1v1 = A2v2 — the velocity must rise to keep the same flow rate. The jet shoots farther, not because you pushed harder, but because the same water now has less room to get through.

The book states it in one line, but it is worth pausing on why it never fails: the water behind cannot pile up inside the pipe (it is incompressible), and it cannot vanish, so every cubic centimetre that enters per second must leave per second. Narrow the exit and the only freedom left is speed. The same reasoning explains the thumb over a garden hose in Figure 5.16, the tap stream getting thinner as it falls, and — turned around — why a river speeds up where its bed narrows.

اردو

یہ پورا تسلسل کا قانون باغ کی ایک ترکیب میں چھپا ہے: ربڑ کے پائپ کا سرا انگلیوں سے دبائیں تو پانی گزرنے کا رقبہ کم ہو جاتا ہے، اور A1v1 = A2v2 کے مطابق رفتار بڑھنا ہی پڑتی ہے تاکہ بہاؤ کی شرح برابر رہے۔ دھار دور تک جاتی ہے، اس لیے نہیں کہ آپ نے زور زیادہ لگایا، بلکہ اس لیے کہ اتنے ہی پانی کو کم جگہ سے گزرنا ہے۔

یہ کبھی ناکام نہیں ہوتا: پانی پائپ میں جمع نہیں ہو سکتا (ناقابلِ دباؤ ہے) اور غائب بھی نہیں ہو سکتا، اس لیے ہر سیکنڈ میں داخل ہونے والا ہر قطرہ نکلنا ہی ہے۔ راستہ تنگ کریں تو صرف رفتار بڑھ سکتی ہے۔ یہی وجہ ہے کہ نل کی دھار نیچے جا کر پتلی ہوتی ہے اور دریا تنگ جگہ پر تیز بہتا ہے۔

Topic diagram
Dabao samjho: پائپ دبانے سے رقبہ گھٹا، رفتار بڑھی — یہ تسلسل کی مساوات کا روزمرہ ثبوت ہے۔
5.11 — Bernoulli's Equation۵.۱۱ — برنولی کی مساوات
🏷 Tags: Bernoulli, pressure, kinetic energy per unit volume, potential energy, conservation of energy
ENGLISH

Continuity was conservation of mass. Bernoulli's equation is conservation of energy, and it is the fundamental equation of fluid dynamics: it relates pressure to fluid speed and height. Its statement, in the book's words: the sum of pressure, kinetic energy per unit volume and potential energy per unit volume of an ideal fluid throughout steady flow remains constant — that is, P + ½ρv² + ρgh = constant.

The derivation repays a careful read, because every step is an idea you already know. Take an ideal (incompressible, non-viscous, steady) fluid flowing through a pipe of varying cross-section and height. The fluid behind pushes the front fluid with force P1A1 through distance Δx1, doing work W1 = P1A1Δx1; the fluid ahead resists, so W2 = −P2A2Δx2. Net work W = P1A1Δx1 − P2A2Δx2. By continuity, A1v1t = A2v2t = V (the same volume), so W = (P1 − P2)V = (P1 − P2)m/ρ. This work goes into changing the fluid's kinetic energy (½mv2² − ½mv1²) and gravitational potential energy (mgh2 − mgh1). Equate them, divide by m/ρ, rearrange, and out comes P1 + ½ρv1² + ρgh1 = P2 + ½ρv2² + ρgh2. Nothing new was invented — work, kinetic energy and potential energy were simply kept honest in a moving fluid.

For a horizontal pipe the height terms cancel, leaving the slogan version: where speed is high, pressure is low (P + ½ρv² = constant). Nearly every application in the next section is that one sentence, dressed up.

📌 Brain teaser (book, p. 102): how does the shape of a curveball in baseball relate to Bernoulli's principle? The spinning ball drags air faster on one side than the other — faster air, lower pressure, and the pressure difference pushes the ball sideways into its curve. Section 5.12 gives the cricket version of the same story.

اردو

تسلسل کمیت کی بقا تھی، برنولی کی مساوات توانائی کی بقا ہے — سیال حرکیات کی بنیادی مساوات۔ اس کا بیان: مثالی سیال کے مستحکم بہاؤ میں دباؤ + فی یونٹ حجم حرکی توانائی + فی یونٹ حجم مخفی توانائی کا مجموعہ مستقل رہتا ہے، یعنی P + ½ρv² + ρgh = مستقل۔

ثبوت میں ہر قدم پہلے سے جانی ہوئی بات ہے: پیچھے کا سیال P1A1 قوت سے Δx1 فاصلہ طے کرا کر کام کرتا ہے، آگے کا سیال مخالفت کرتا ہے، خالص کام W = (P1 − P2)V بنتا ہے۔ یہ کام حرکی توانائی (½mv2² − ½mv1²) اور مخفی توانائی (mgh2 − mgh1) کی تبدیلی میں خرچ ہوتا ہے۔ برابر رکھ کر ترتیب دیں تو برنولی کی مساوات نکل آتی ہے — کوئی نئی چیز ایجاد نہیں ہوئی، صرف کام اور توانائی کا حساب سیال میں درست رکھا گیا ہے۔

افقی پائپ کے لیے اونچائی والے جز کٹ جاتے ہیں اور نعرہ رہ جاتا ہے: جہاں رفتار زیادہ، وہاں دباؤ کم۔ اگلے حصے کی تقریباً ہر مثال اسی ایک جملے کی مختلف صورت ہے۔

Topic diagram
Seedhi samjho: اوپر چوڑا اور آہستہ، نیچے تنگ اور تیز — دباؤ، رفتار اور اونچائی کا مجموعہ ہر جگہ ایک ہی رہتا ہے۔
5.12 — Uses of Bernoulli's Equation۵.۱۲ — برنولی کی مساوات کے استعمال
🏷 Tags: aeroplane lift, Magnus effect, swing, filter pump, carburetor, Venturi, Torricelli
ENGLISH

Bernoulli's equation earns its keep in devices you have seen. (1) Aeroplane wings: a wing deflects the air so that streamlines crowd closer above the wing than below it. Where streamlines are closer, the speed is faster — and where speed is faster, pressure is lower. The wing is therefore pushed upward by the pressure difference, and that push is the lift of an aeroplane.

(2) Swing of a ball: throw or kick a ball with spin — or, as a cricket bowler does, polish one side smooth and leave the other rough — and the air moves faster over one side than the other. Faster air means lower pressure, slower air higher pressure, and the difference drives a sideways force, the Magnus effect, which makes the ball curve in the air.

(3) Filter pump: a jet of water from a tap is forced through a constriction in the centre of the pump, so it flows faster there and the pressure drops. Air is therefore sucked in from a side tube, and air and water are expelled together below.

(4) Carburetor: a car engine's carburetor uses a Venturi duct to feed the right air–petrol mixture to the cylinders. Air drawn through the duct moves very fast at the narrow part, pressure falls there, and a side inlet fed with petrol lets petrol vapour be drawn into the air stream.

(5) Paint sprayer / atomizer: a stream of air passing over a tube dipped in liquid makes the liquid rise in the tube — squeeze the rubber ball of an atomizer, air rushes through the narrow aperture at high speed, pressure falls, and atmospheric pressure pushes the perfume up into the jet.

(6) Venturi relation: for a horizontal pipe with wide area A1 and narrow area A2, Bernoulli gives P1 − P2 = ½ρ(v2² − v1²). Continuity gives v1 = A2v2/A1, and since A2 is much smaller than A1, v1 is small enough to neglect, leaving P1 − P2 = ½ρv2² — the Venturi relation, used in a Venturi meter to measure the speed of a liquid flow from a pressure difference read on a manometer.

(7) Torricelli's theorem: take a large tank with a small orifice. The top surface falls so slowly that its speed v1 is effectively zero, and both surfaces are at atmospheric pressure, so Bernoulli reduces to v2 = √[2g(h1 − h2)]. The speed of efflux equals the speed a body gains falling through the height (h1 − h2) under gravity. The book adds two honest footnotes: if the orifice points upward, the jet's kinetic energy would lift it back to the tank's level, and in practice viscous losses alter the result somewhat.

📌 Book note (Interesting Information, p. 105): the horizontal-pipe slogan in one line — "where speed is high, the pressure will be low", P + ½ρv² = constant.

اردو

برنولی کی مساوات روزمرہ آلات میں کام آتی ہے۔ (۱) ہوائی جہاز کے پر: پر ہوا کو اس طرح موڑتا ہے کہ اوپر سٹریم لائنیں قریب قریب ہوتی ہیں — رفتار زیادہ، دباؤ کم — اور دباؤ کا فرق پر کو اوپر دھکیلتا ہے، یہی لفٹ ہے۔ (۲) گیند کا سوئنگ: گھومتی گیند کے ایک طرف ہوا تیز، دوسری طرف آہستہ — دباؤ کا فرق گیند کو ایک طرف دھکیلتا ہے، اسے میگنس ایفیکٹ کہتے ہیں، کرکٹ میں باؤلر ایک طرف چمکا کر یہی کرتا ہے۔

(۳) فلٹر پمپ: تنگ جگہ پر پانی تیز بہتا ہے، دباؤ گرتا ہے اور سائیڈ ٹیوب سے ہوا اندر کھنچ آتی ہے۔ (۴) کاربوریٹر: وینچوری ڈکٹ میں تیز ہوا کم دباؤ پیدا کرتی ہے جو پٹرول کے بخارات کو ہوا میں کھینچ لاتا ہے۔ (۵) پینٹ سپرے/ایٹمائزر: تیز ہوا کے گزرنے سے دباؤ گرتا ہے اور فضائی دباؤ خوشبو کو اوپر دھکیل دیتا ہے۔

(۶) وینچوری تعلق: افقی پائپ کے لیے P1 − P2 = ½ρv2²، جس سے وینچوری میٹر مائع کی رفتار دباؤ کے فرق سے ناپتا ہے۔ (۷) ٹوریسیلی کا قضیہ: بڑے ٹینک کے چھوٹے سوراخ سے نکلنے کی رفتار v2 = √[2g(h1 − h2)] ہے — اتنی ہی جتنی (h1 − h2) اونچائی سے گرنے سے ملتی ہے۔

Topic diagram
Upar samjho: پر کے اوپر ہوا تیز اور دباؤ کم، نیچے ہوا آہستہ اور دباؤ زیادہ — یہ فرق ہی جہاز کو اوپر اٹھاتا ہے۔
5.13 — Viscous Drag and Stokes' Law۵.۱۳ — چپچپاہٹ کی رگڑ اور سٹوکس کا قانون
🏷 Tags: viscosity, drag force, Stokes law, coefficient of viscosity
ENGLISH

Real fluids are not ideal: their layers drag on each other. That internal friction is viscosity — a measure of how much force is needed to slide one layer of liquid over another. Substances that do not flow easily, like thick tar and honey, have large coefficients of viscosity (η, Greek eta); substances that flow easily, like water, have small ones. The book's table at 30 °C puts numbers on the feeling: air 0.019, acetone 0.295, methanol 0.510, benzene 0.564, water 0.801, ethanol 1.000, plasma 1.6 and glycerin 6.29 (all × 10⁻³ N s m⁻²) — glycerin is about eight times as viscous as water.

Since liquids and gases both have non-zero viscosity, a force is always needed to move an object through them. Even air's tiny viscosity makes a large retarding force on a fast car — stick your hand out of a fast car's window and you feel it at once. An object moving through a fluid feels a retarding force called drag force, which grows as the object's speed grows.

For most shapes the exact drag is hard to calculate, but for a sphere moving slowly there is an exact result, Stokes' law: the drag force F on a sphere of radius r moving with speed v through a fluid of viscosity η is F = 6πηrv. Notice what it says: drag is proportional to size, to viscosity and to speed — double any one of them and the drag doubles. At high speeds this simple proportionality breaks down, and the book says so plainly.

📌 Book notes: a chimney works best when it is tall and exposed to air currents, which reduce the pressure at the top and force the upward flow of smoke — Bernoulli again, in a brick tower. And the "Do you know?" box is a warning in disguise: small viscosities at high speeds still make large forces.

اردو

حقیقی سیال مثالی نہیں ہوتے: ان کی تہیں ایک دوسرے سے رگڑ کھاتی ہیں۔ اس اندرونی رگڑ کو وسکوسٹی کہتے ہیں — ایک تہہ کو دوسری پر سرکانے کے لیے کتنی قوت چاہیے۔ شہد اور تار جیسی چیزیں آہستہ بہتی ہیں، ان کی وسکوسٹی زیادہ ہے؛ پانی آسانی سے بہتا ہے، اس کی کم۔ کتاب کی جدول کے مطابق 30 °C پر ہوا 0.019، پانی 0.801 اور گلیسرین 6.29 (× 10⁻³) ہے — گلیسرین پانی سے تقریباً آٹھ گنا زیادہ چپچپا ہے۔

سیال میں حرکت کرنے والی چیز پر ہمیشہ پیچھے کی طرف ڈریگ فورس لگتی ہے جو رفتار بڑھنے سے بڑھتی ہے۔ تیز گاڑی کی کھڑکی سے ہاتھ نکالیں تو ہوا کی معمولی وسکوسٹی بھی بڑی قوت بن جاتی ہے۔ آہستہ حرکت کرنے والے کرے کے لیے درست قانون سٹوکس کا قانون ہے: F = 6πηrv — ڈریگ رداس، وسکوسٹی اور رفتار تینوں کے متناسب ہے۔ تیز رفتار پر یہ سادہ تناسب ختم ہو جاتا ہے۔

Topic diagram
Gadha samjho: پانی تیزی سے بہتا ہے، شہد آہستہ — یہی فرق وسکوسٹی ہے، اور یہی رگڑ حرکت کرنے والی ہر چیز کو آہستہ کرتی ہے۔
5.14 — Terminal Velocity۵.۱۴ — ٹرمینل ویلاسٹی
🏷 Tags: terminal velocity, Stokes law, raindrop, droplet, drag equals weight
ENGLISH

Watch a fog droplet fall. It does not keep accelerating like a stone in a vacuum — it quickly settles to one steady speed and falls at that speed all the way down. That speed is its terminal velocity, and Stokes' law explains it in three lines.

On the droplet two forces act: weight downward and drag upward. The net force is weight − drag force. As the droplet speeds up under gravity, the drag (6πηrv) grows with speed, until it becomes equal to the weight. Then the net force is zero, acceleration stops, and the droplet falls with constant speed — the terminal velocity vt. Setting drag equal to weight: 0 = mg − 6πηrvt, so vt = mg ÷ 6πηr. The droplet's mass is ρV with V = (4/3)πr³, so substituting gives the book's final form: vt = 2gr²ρ ÷ 9η. Read it carefully: terminal velocity grows with the square of the radius — a droplet twice as wide falls four times as fast — and falls as viscosity rises.

Worked example 5.5 (book): a tiny water droplet of radius 0.010 cm = 1.0 × 10⁻⁴ m falling through air (η = 19 × 10⁻⁶ kg m⁻¹ s⁻¹, ρ = 1000 kg m⁻³). vt = 2 × 9.8 × (1.0 × 10⁻⁴)² × 1000 ÷ (9 × 19 × 10⁻⁶) = 1.96 × 10⁻⁴ ÷ 1.71 × 10⁻⁴ = 1.1 m s⁻¹. That slow, gentle fall is why fog hangs in the air instead of hammering down like rain.

اردو

دھند کا قطرہ پتھر کی طرح مسلسل تیز نہیں ہوتا — جلد ہی ایک مستقل رفتار پر آ جاتا ہے اور اسی رفتار سے نیچے گرتا ہے۔ یہی ٹرمینل ویلاسٹی ہے، اور سٹوکس کا قانون اسے تین سطروں میں سمجھا دیتا ہے۔

قطرے پر دو قوتیں ہیں: وزن نیچے، ڈریگ اوپر۔ رفتار بڑھنے سے ڈریگ (6πηrv) بڑھتی ہے، یہاں تک کہ وزن کے برابر ہو جاتی ہے — تب خالص قوت صفر، اسراع ختم، اور قطرہ مستقل رفتار سے گرتا ہے۔ ڈریگ کو وزن کے برابر رکھنے سے vt = mg ÷ 6πηr، اور کمیت ρ × (4/3)πr³ رکھنے سے vt = 2gr²ρ ÷ 9η ملتی ہے۔ غور کریں: ٹرمینل ویلاسٹی رداس کے مربع کے متناسب ہے — دو گنا چوڑا قطرہ چار گنا تیز گرتا ہے۔

مثال ۵.۵: رداس 1.0 × 10⁻⁴ میٹر کا قطرہ، vt = 2 × 9.8 × (1.0 × 10⁻⁴)² × 1000 ÷ (9 × 19 × 10⁻⁶) = 1.1 میٹر فی سیکنڈ — اسی آہستہ گرنے کی وجہ سے دھند ہوا میں ٹھہری رہتی ہے۔

Topic diagram
Barabar samjho: اوپر ڈریگ، نیچے وزن — جب دونوں برابر ہو جائیں تو قطرہ نہ تیز ہوتا ہے نہ آہستہ، بس ایک ہی رفتار سے گرتا ہے۔
5.15 — Real Fluids are Viscous Fluids۵.۱۵ — حقیقی سیال چپچپے ہوتے ہیں
🏷 Tags: ideal fluid, real fluid, viscosity, surface tension
ENGLISH

This short section is the book's honesty box. An ideal fluid — no viscosity, incompressible — cannot exist in practice; it is a model. Real fluids are all the fluids we actually meet: water, diesel, petrol, honey, kerosene oil, castor oil — every one of them has viscosity. More viscosity can be found in real life than in water: honey, for example, is far more viscous than water.

The comparison matters because Bernoulli's equation, as the book states it here, says the speed of a fluid rises when its potential energy or its static pressure falls. Real fluids do not face that trade cleanly: they lose energy to viscous friction, they have a viscous flow rather than a non-viscous one, and — unlike the ideal model — real fluids are also subject to surface tension. Ideal fluids are incompressible and are not subjected to surface tension in this model. So whenever you apply Bernoulli to a real pipe, a real wing or a real river, remember you are using a beautiful approximation, and viscous losses are the price of the approximation. The book gives no example of an ideal fluid, for the simple reason that none exists.

اردو

یہ مختصر حصہ کتاب کی ایمانداری ہے: مثالی سیال — بغیر وسکوسٹی، ناقابلِ دباؤ — عملاً موجود نہیں، یہ صرف ایک ماڈل ہے۔ حقیقی سیال وہ ہیں جن سے ہم روز ملتے ہیں: پانی، ڈیزل، پٹرول، شہد، مٹی کا تیل، ارنڈی کا تیل — سب میں وسکوسٹی ہے، اور شہد پانی سے کہیں زیادہ چپچپا ہے۔

فرق اس لیے اہم ہے کہ برنولی کی مساوات مثالی سیال کے لیے ہے؛ حقیقی سیال چپچپاہٹ میں توانائی ضائع کرتے ہیں، ان کا بہاؤ وسکس ہوتا ہے اور ان پر سرفس ٹینشن بھی اثر کرتی ہے۔ اس لیے برنولی کو حقیقی پائپ یا پر پر لگاتے وقت یاد رکھیں کہ یہ ایک خوبصورت تقریب ہے، اور وسکس نقصان اس کی قیمت ہے۔ مثالی سیال کی کوئی مثال کتاب نہیں دیتی — کیونکہ کوئی ہے ہی نہیں۔

Topic diagram
Asli samjho: بائیں طرف تہیں ایک دوسرے کو کھینچتی ہیں — یہ حقیقی سیال ہے؛ دائیں طرف بغیر رگڑ کے بہاؤ صرف تصور میں ہے۔
5.16 — Superfluids۵.۱۶ — سپر فلوئڈز
🏷 Tags: superfluid, superfluidity, zero viscosity, helium-4, vortex
ENGLISH

Now the strangest corner of the chapter. Superfluidity is the property of fluids with zero viscosity — flow without any friction at all. A substance showing it is a superfluid: it flows without losing kinetic energy, squeezes through incredibly narrow spaces without resistance, and once it starts moving it keeps moving past any obstacle.

Superfluidity appears only at extremely low temperatures. The most studied example is superfluid helium-4, which changes from an ordinary liquid to a superfluid just below its boiling point of −452 °F (−269 °C, or 4 K). Below that temperature it looks like a normal clear liquid but has no viscosity: a vortex set spinning in it keeps spinning indefinitely, because there is no friction to slow it down.

In fluid dynamics, a vortex is a region in which the flow revolves around an axial line, straight or curved; vortices are generally created at a moving boundary under frictionless conditions, and they move with the fluid and are dispersed by the action of viscosity — which is why, in a superfluid, they never disperse.

Applications are few so far, but serious ones: superfluid helium-4 serves as a coolant for high-field magnets; both helium-3 and helium-4 are used in advanced particle detectors; research on superfluidity helps us understand superconductivity; and liquid helium's great thermal conductivity makes it valuable in cryogenic applications, including cooling superconducting magnets, scientific research and medical uses, plus leak testing in industry and the production of electronic and optical products.

📌 Book notes (Tidbits, p. 108): parachutes increase air resistance (drag) by creating a large surface area, which counteracts gravity and slows the fall so people can land safely. And superfluids can "climb" up the walls and over the edges of containers — because they feel no friction like normal fluids do, nothing holds the creeping film back.

اردو

اب باب کا سب سے عجیب گوشہ: سپر فلوئڈیٹی صفر وسکوسٹی والے سیالوں کی خاصیت ہے — بغیر کسی رگڑ کے بہاؤ۔ ایسا مادہ سپر فلوئڈ کہلاتا ہے: وہ حرکی توانائی ضائع کیے بغیر بہتا ہے، نہایت تنگ جگہوں سے بغیر مزاحمت گزر جاتا ہے، اور ایک بار چل پڑے تو رکاوٹوں کے باوجود چلتا رہتا ہے۔

یہ خاصیت صرف انتہائی کم درجہ حرارت پر ظاہر ہوتی ہے۔ سب سے زیادہ مطالعہ شدہ مثال سپر فلوئڈ ہیلیم۔۴ ہے جو −269 °C (4 K) سے ذرا نیچے عام مائع سے سپر فلوئڈ بن جاتا ہے۔ اس میں گھومتا ہوا بھنور (ورٹیکس) ہمیشہ گھومتا رہتا ہے کیونکہ اسے آہستہ کرنے والی کوئی رگڑ نہیں ہوتی۔

استعمال ابھی کم ہیں لیکن اہم: ہائی فیلڈ مقناطیسوں کو ٹھنڈا کرنا، جدید ذراتی ڈیٹیکٹر، سپر کنڈکٹیویٹی کو سمجھنا، طبی و سائنسی تحقیق، صنعتی لیک ٹیسٹنگ اور الیکٹرانک و آپٹیکل مصنوعات کی تیاری۔ اور ہاں — سپر فلوئڈ برتن کی دیواروں پر چڑھ کر باہر بھی نکل سکتا ہے، کیونکہ اسے روکنے والی کوئی رگڑ نہیں ہوتی۔

Topic diagram
Ajeeb samjho: سپر فلوئڈ ہیلیم دیوار پر چڑھ جاتا ہے — عام مائع کو رگڑ روکتی ہے، اسے کوئی نہیں روکتا۔
📝 Official Exercise Questions — with Answers📝 کتابی مشق کے سوالات — جوابات کے ساتھ

The book's exercise (printed pages 109–111) has five parts: Multiple Choice Questions (12), Short Answer Questions (11), Constructed Response Questions (6), Comprehensive Questions (8) and Numerical Problems (8) — 45 questions in all, every one answered below. There is no separate inquisitive or review section in this chapter's exercise, so none is invented. Book answers printed in blue in the exercise are checked against the working shown.

Multiple Choice Questions — Tick (✓) the correct answer

5.1. The region of stress-strain curve which obeys Hooke's law is:

Answer / جواب

Answer: (a) proportional limit — Hooke's law (stress directly proportional to strain) is obeyed in the straight-line region OA of the stress–strain curve, which ends at the proportional limit A. Beyond A the curve bends, even though the material is still elastic up to B. ہک کا قانون سیدھی لکیر والے علاقے OA میں لاگو ہوتا ہے جو پروپورشنل لمٹ پر ختم ہوتا ہے۔

5.2. Which of the following is more elastic?

Answer / جواب

Answer: (d) Steel — "more elastic" here means the greater Young's modulus: steel (≈ 200 × 10⁹ N m⁻²) resists deformation far more strongly than rubber, wood or sponge, and returns to shape. Rubber stretches more, but that makes it less stiff, not more elastic in this sense. زیادہ لچکدار کا مطلب زیادہ ینگ ماڈیولس ہے — سٹیل سب سے زیادہ سخت ہے۔

5.3. Which of the following is polymer solid?

Answer / جواب

Answer: (a) Wool — wool is a natural polymer: its fibres are long protein chains. Glass is an amorphous solid, sodium chloride is a crystalline solid, and copper is a metal. ⚠️ Note: the book names polythene, polystyrene and nylon as polymer examples; wool is classified here by the same definition (long-chain molecules), not by a book example. اون قدرتی پولیمر ہے — اس کے ریشے لمبی پروٹین زنجیریں ہیں؛ شیشہ ایمورفس، نمک کرسٹلائن اور تانبا دھات ہے۔

5.4. The effect of decrease of pressure with the increase in speed of a fluid in horizontal pipe is:

Answer / جواب

Answer: (b) Bernoulli's effect — for a horizontal pipe Bernoulli's equation gives P + ½ρv² = constant, so faster flow means lower pressure. افقی پائپ میں رفتار بڑھنے سے دباؤ گرتا ہے — یہ برنولی کا اثر ہے۔

5.5. The pressure will be low when speed of a fluid is:

Answer / جواب

Answer: (b) high — again P + ½ρv² = constant for horizontal flow: the higher the speed, the lower the pressure must be to keep the sum constant. رفتار زیادہ ہو تو دباؤ کم ہوتا ہے۔

5.6. As per law of fluid friction for steady streamline flow, the friction:

Answer / جواب

Answer: (a) varies proportionally to velocity of fluid — for slow streamline flow past a sphere, Stokes' law gives drag F = 6πηrv, directly proportional to velocity. ⚠️ Derived answer: the book states Stokes' law but does not phrase a separate "law of fluid friction"; this option is the Stokes result applied. سٹوکس کے قانون سے ڈریگ رفتار کے متناسب ہے۔

5.7. If a stone is submerged in water and it weighs less in water than in air, this phenomenon is due to:

Answer / جواب

Answer: (c) buoyant force acting upwards — the upthrust ρgV pushes up on the stone, so the apparent weight (weight − upthrust) is less. The stone's mass does not change at all. پتھر کا ماس نہیں بدلتا — پانی کی اپ تھرسٹ اوپر دھکیلتی ہے اس لیے وزن کم محسوس ہوتا ہے۔

5.8. The principle of floatation is a direct application of:

Answer / جواب

Answer: (c) Archimedes' principle — a floating body displaces fluid weighing as much as the body itself, which is Archimedes' upthrust statement applied to floating. تیرنے کا اصول آرکیمیڈیز کے اصول ہی کا اطلاق ہے۔

5.9. An ideal flow of any fluid must satisfy:

Answer / جواب

Answer: (d) Both (b) and (c) — an ideal (steady, incompressible, non-viscous) flow obeys continuity (A₁v₁ = A₂v₂, conservation of mass) and Bernoulli's equation (conservation of energy). مثالی بہاؤ تسلسل اور برنولی دونوں مساواتوں کی پابندی کرتا ہے۔

5.10. The lift force experienced by an aeroplane wings is primarily due to:

Answer / جواب

Answer: (c) pressure difference above and below the wing — air moves faster above the wing, pressure there is lower, and the higher pressure below pushes the wing up. پر کے اوپر ہوا تیز اور دباؤ کم، نیچے دباؤ زیادہ — یہی فرق لفٹ ہے۔

5.11. In medical field, a venture mask, used to deliver a known oxygen concentration to patients operates is based on:

Answer / جواب

Answer: (d) Bernoulli's principle — a Venturi (spelled "venture" in the book) mask uses a narrow constriction: fast-moving oxygen creates low pressure that draws in a controlled amount of room air, fixing the oxygen concentration. وینچوری ماسک میں تنگ جگہ پر تیز آکسیجن کم دباؤ پیدا کر کے مقررہ مقدار میں ہوا کھینچتی ہے۔

5.12. Which of the following is a defining characteristic of a superfluid?

Answer / جواب

Answer: (a) Zero viscosity — superfluidity is defined as flow with zero viscosity. Superfluids exist at very low (not zero) temperature, have ordinary density, and high — not infinite — thermal conductivity. سپر فلوئڈ کی تعریف ہی صفر وسکوسٹی ہے۔

Short Answer Questions

5.1. What is meant by (i) cohesive force (ii) viscosity?

(i) Cohesive force is the force of attraction between molecules of the same substance — it is what holds a solid's atoms in their ordered pattern and holds a liquid drop together. (ii) Viscosity is a fluid's internal friction: how much force is needed to slide one layer of the fluid over another. Honey has high viscosity, water low. کوہیسیو فورس ایک ہی مادے کے مالیکیولوں کے درمیان کشش ہے؛ وسکوسٹی سیال کی اندرونی رگڑ ہے — ایک تہہ کو دوسری پر سرکانے میں دشواری۔

5.2. Differentiate between streamline and turbulent flow of a fluid.

In streamline (laminar) flow every particle passing a point follows the same path as earlier particles; the flow is smooth, orderly, and streamlines never cross. In turbulent flow the motion is irregular and unsteady: velocity changes abruptly, eddies and whirlpools form, and a particle's exact path cannot be followed. Streamline flow turns turbulent above a certain speed. سٹریم لائن بہاؤ ہموار اور ترتیب وار ہوتا ہے، سٹریم لائنیں نہیں کاٹتیں؛ ٹربولینٹ بہاؤ بے قاعدہ ہوتا ہے، بھنور بنتے ہیں اور راستہ معلوم نہیں رہتا۔

5.3. How does pressure changes with depth in fluids?

Pressure increases with depth: at depth h in a liquid of density ρ, P = ρgh (plus atmospheric pressure at the surface). Each deeper layer must support the weight of all the liquid above it, so the deeper you go, the greater the pressure — which is also why the bottom face of an immersed cylinder is pushed up harder than its top face is pushed down. گہرائی بڑھنے سے دباؤ بڑھتا ہے: P = ρgh — ہر گہری تہہ کو اوپر کے سارے مائع کا وزن اٹھانا پڑتا ہے۔

5.4. How is variation in pressure related to speed of a fluid?

By Bernoulli's equation for horizontal flow, P + ½ρv² = constant: pressure and speed vary oppositely. Where the fluid speeds up, its pressure falls; where it slows down, its pressure rises. The total (pressure + kinetic energy per unit volume) stays constant. برنولی کے مطابق افقی بہاؤ میں رفتار بڑھے تو دباؤ گرتا ہے اور رفتار گھٹے تو دباؤ بڑھتا ہے — دونوں مخالف سمت میں بدلتے ہیں۔

5.5. How is the flow rate related to the cross-sectional area and velocity of the fluid?

Flow rate = A × v: the volume passing a section per second equals cross-sectional area times fluid speed. For steady incompressible flow the flow rate is the same everywhere, so A₁v₁ = A₂v₂ — a smaller area forces a higher velocity and vice versa. بہاؤ کی شرح = رقبہ × رفتار (Av)؛ مستحکم بہاؤ میں یہ ہر جگہ برابر رہتی ہے، اس لیے رقبہ کم ہو تو رفتار بڑھ جاتی ہے۔

5.6. How do you study the variation in velocity of a fluid at different points in a hose with varying diameter?

⚠️ Derived answer: the book gives no separate experiment for this; the method follows from continuity. Keep the flow rate steady (same tap setting), measure the hose diameter at several points, and work out the speed at each point from v = flow rate ÷ area = Q/A. You will find the speed highest where the hose is narrowest and lowest where it is widest — and you can see the same thing directly in the falling tap stream, which thins as it speeds up. بہاؤ کی شرح مستقل رکھ کر مختلف جگہوں پر قطر ناپیں اور v = Q/A سے رفتار نکالیں — تنگ جگہ پر رفتار زیادہ، چوڑی جگہ پر کم ملے گی۔

5.7. How does an object float or sink according to Archimedes Principle?

Compare the object's weight with the upthrust (weight of displaced fluid, ρgV). If weight > upthrust, the object sinks. If weight ≤ upthrust, it floats — partly immersed, displacing exactly enough fluid to balance its weight. A steel ship floats because its hollow hull displaces a huge weight of water; a solid steel rock sinks because it displaces very little. وزن اپ تھرسٹ سے زیادہ ہو تو چیز ڈوبتی ہے، برابر یا کم ہو تو تیرتی ہے — تیرتی چیز اتنا پانی ہٹاتی ہے جس کا وزن اس کے وزن کے برابر ہو۔

5.8. How does Archimedes reportedly discover the principle that bears his name?

⚠️ Traditional account, not a book passage: the book only says Archimedes noticed the upthrust more than two thousand years ago; it does not tell the bath story. As traditionally told, King Hiero asked Archimedes to check whether a crown was pure gold without damaging it. Stepping into a bath, Archimedes noticed the water level rise by the volume of his body — and realised the same displacement could measure the crown's volume, and hence its density, without melting it. He is said to have run out shouting "Eureka!" ("I have found it!"). The principle itself — upthrust equals the weight of displaced fluid — is proved in the book from pressure on a cylinder, not from this story. روایتی قصہ یہ ہے کہ غسل میں پانی کا اوپر چڑھنا دیکھ کر آرکیمیڈیز کو خیال آیا کہ تاج کا حجم پانی ہٹا کر ناپا جا سکتا ہے — لیکن کتاب میں یہ قصہ نہیں، صرف اصول کا ثبوت ہے۔

5.9. Why standing near fast moving train is dangerous? Explain briefly.

A fast train drags air along with it, so the air between you and the train moves fast. By Bernoulli's principle, fast air means low pressure. The still air behind you is at higher pressure, so the pressure difference pushes you toward the train — which is why platforms carry a "stand behind the line" warning. تیز ٹرین کے ساتھ ہوا تیز بہتی ہے تو دباؤ کم ہو جاتا ہے، اور پیچھے کی زیادہ دباؤ والی ہوا آپ کو ٹرین کی طرف دھکیلتی ہے — اسی لیے پلیٹ فارم پر لکیر سے پیچھے کھڑے ہونے کی ہدایت ہوتی ہے۔

5.10. What are some potential applications of superfluidity?

So far few, but important: superfluid helium-4 cools high-field magnets; helium-3 and helium-4 are used in advanced particle detectors; superfluid research helps us understand superconductivity; and liquid helium's great thermal conductivity serves cryogenic applications — cooling superconducting magnets, scientific research, medical uses, industrial leak testing, and production of electronic and optical products. سپر فلوئڈ ہیلیم ہائی فیلڈ مقناطیسوں کو ٹھنڈا کرتا ہے، ذراتی ڈیٹیکٹروں میں استعمال ہوتا ہے، سپر کنڈکٹیویٹی سمجھنے میں مدد دیتا ہے اور کرائیوجینک و طبی کاموں میں آتا ہے۔

5.11. Differentiate between stress, strain and Young's modulus. Write down their SI units.

Stress (σ = F/A) is the force per unit area causing deformation — SI unit N m⁻² (pascal, Pa). Strain (ε = ΔL/Lo) is the deformation relative to original size — a ratio of lengths, so it has no unit. Young's modulus (Y = stress ÷ strain) is the constant ratio for a material within its elastic limit, a measure of stiffness — SI unit N m⁻², the same as stress. Steel ≈ 200 × 10⁹ N m⁻², bone ≈ 15 × 10⁹ N m⁻². سٹریس فی یونٹ رقبہ قوت ہے (پاسکل)، سٹرین نسبتی تبدیلی ہے (بے اکائی)، اور ینگ ماڈیولس ان کا مستقل تناسب ہے (نیوٹن فی مربع میٹر)۔

Constructed Response Questions

5.1. The ratio stress/strain remains constant for small deformation. What will be effect on this ratio when the deformation made is very large?

For small deformation (within the proportional limit) stress/strain = Young's modulus, a constant. When deformation becomes very large, the material passes the proportional limit and then the elastic limit: stress no longer rises proportionally with strain, the curve bends, and the ratio stress/strain falls and stops being constant. Beyond the yield point the material deforms plastically, so a small extra stress produces a large extra strain. چھوٹی تبدیلی میں سٹریس/سٹرین ینگ ماڈیولس کے برابر مستقل رہتا ہے؛ بڑی تبدیلی میں مادہ پروپورشنل لمٹ سے آگے نکل جاتا ہے، وکر مڑ جاتا ہے اور یہ تناسب گھٹ کر غیر مستقل ہو جاتا ہے۔

5.2. When pure water falls on a flat glass plate, it spreads on the plate while the mercury, when falls on the same plate gets converted into small globules. Why?

⚠️ Derived answer: the book does not discuss adhesion and cohesion in this chapter, so this applies those ideas. Water spreads because adhesion (attraction between water and glass) is stronger than water's own cohesion — the water would rather cling to the glass than to itself. Mercury balls up because its cohesion (mercury–mercury attraction) is far stronger than its adhesion to glass — it would rather cling to itself, and a sphere gives the smallest surface for a given volume. پانی اس لیے پھیلتا ہے کہ شیشے سے اس کی چپک (ایڈہیشن) اس کی اپنی کشش سے زیادہ ہے؛ پارہ اس لیے گولے بناتا ہے کہ اس کی اپنی کشش شیشے سے چپک سے کہیں زیادہ ہے۔

5.3. According to Bernoulli's theorem, pressure of a fluid should remain uniform in a pipe of uniform radius. But actually, it goes on decreasing. Why is it so?

Bernoulli's theorem assumes an ideal fluid — non-viscous, steady, incompressible. A real fluid has viscosity, so as it flows along the pipe its layers drag on each other and on the walls, and mechanical energy is steadily lost as heat to friction. That lost energy comes out of the pressure term: pressure must fall along the pipe to keep the fluid moving against friction. In a long uniform pipe the speed stays the same (continuity), so the pressure drop is the visible price of viscosity — exactly the point of section 5.15 on real fluids. برنولی مثالی (بغیر وسکوسٹی) سیال کے لیے ہے؛ حقیقی سیال کی رگڑ توانائی کو حرارت میں بدل دیتی ہے، اس لیے یکساں پائپ میں بھی دباؤ آگے جا کر گھٹتا رہتا ہے۔

5.4. Why wings of an aeroplane are rounded outward while flattened inward?

The wing is curved (rounded) on top and flatter underneath so that air travelling over the top must cover a longer path and crowd into closer streamlines — it moves faster above the wing than below it. By Bernoulli's principle the pressure above is therefore lower than below, and the pressure difference pushes the wing upward: lift. A flat–flat wing would give no such systematic difference. پر اوپر سے گول اور نیچے سے چپٹا ہوتا ہے تاکہ اوپر ہوا تیز چلے اور دباؤ کم ہو، نیچے دباؤ زیادہ رہے — یہی فرق لفٹ پیدا کرتا ہے۔

5.5. What is the difference in real fluid, ideal fluid and superfluid? Which of these really exists in the world? Explain.

Ideal fluid: a model — non-viscous, incompressible, steady flow; it obeys continuity and Bernoulli exactly. Real fluid: every fluid we actually meet (water, oil, honey, air) — it has viscosity, loses energy to friction, and is affected by surface tension. Superfluid: a real fluid in a special state at extremely low temperature (helium-4 below 4 K) with zero viscosity — it flows without friction and keeps vortices spinning forever. Which really exist? Real fluids and superfluids exist — superfluidity is a laboratory reality. The ideal fluid does not exist; it is a useful approximation. مثالی سیال صرف ماڈل ہے (بغیر وسکوسٹی)؛ حقیقی سیال (پانی، تیل، ہوا) وسکوسٹی رکھتے ہیں؛ سپر فلوئڈ انتہائی کم درجہ حرارت پر صفر وسکوسٹی والا حقیقی سیال ہے۔ حقیقت میں حقیقی اور سپر فلوئڈ موجود ہیں، مثالی نہیں۔

5.6. Why is the study of superfluids important for advancing our knowledge of low temperature physics?

Superfluids let quantum behaviour show itself on a scale you can see: a whole liquid moving without friction, vortices that never die, and fluid that climbs container walls. Studying them tests our theories of matter at temperatures near absolute zero, and the same physics links to superconductivity (electricity without resistance) and to practical cryogenics — cooling magnets, detectors and medical equipment. In short, superfluid helium is low-temperature physics' cleanest laboratory. سپر فلوئڈز میں کوانٹم رویہ آنکھوں سے دیکھا جا سکتا ہے — بغیر رگڑ بہاؤ، نہ مرنے والے بھنور — اور اسی طبیعیات سے سپر کنڈکٹیویٹی اور کرائیوجینک ٹیکنالوجی سمجھ میں آتی ہے۔

Comprehensive Questions

5.1. Explain in detail the classification of solids with respect to atomic arrangements.

Solids are classified by how their atoms, molecules or ions are arranged. (1) Crystalline solids: a regular pattern repeated throughout the crystal (long-range order) — metals, ceramics; atoms vibrate about fixed points, held by cohesive forces; at a definite melting point the order collapses and the solid melts (quartz, calcite, sugar, mica, diamond). Patterns are studied by XRD and TEM. (2) Amorphous (glassy) solids: no regular arrangement — a disordered, liquid-like structure frozen in; ordinary glass softens gradually into a paste and then a very viscous liquid near 800 °C, with no definite melting point (plastic, glass, fused silicon). (3) Polymeric solids: intermediate — partly or poorly crystalline; long chain molecules formed by polymerization, natural (rubber, wool) or synthetic (polythene, polystyrene, nylon); light for their strength, with low specific gravity compared with even the lightest metals.

اردو

۱۔ ٹھوسوں کی درجہ بندی ان کے ایٹموں کی ترتیب سے ہوتی ہے۔

۲۔ کرسٹلائن ٹھوس: پورے کرسٹل میں باقاعدہ ترتیب، دھاتیں اور سرامکس؛ ایٹم اپنی جگہ تھرتھراتے ہیں؛ مقررہ پگھلنے کے درجہ حرارت پر ترتیب ٹوٹ جاتی ہے (کوارٹز، کیلسائٹ، چینی، ابرک، ہیرا)۔

۳۔ ایمورفس ٹھوس: کوئی ترتیب نہیں، جمی ہوئی بے ترتیبی؛ شیشہ آہستہ آہستہ نرم ہو کر تقریباً 800 °C پر گاڑھا مائع بنتا ہے، کوئی مقررہ پگھلنے کا درجہ حرارت نہیں۔

۴۔ پولیمرک ٹھوس: درمیانی حالت، لمبی زنجیریں؛ قدرتی (ربڑ، اون) یا مصنوعی (پولیتھین، پولیسٹائرین، نائلون)؛ ہلکے مگر مضبوط۔

5.2. What is Archimedes' principle? Explain it in detail for finding upthrust.

Statement: when an object is totally or partially immersed in a liquid, an upthrust acts on it equal to the weight of the fluid it displaces. Proof (book): take a solid cylinder of cross-sectional area A and height h, top face at depth h₁ and bottom face at depth h₂, so h₂ − h₁ = h. Liquid pressure at depth h is P = ρgh, so P₁ = ρgh₁ and P₂ = ρgh₂. The downward force on the top face is F₁ = P₁A = ρgh₁A and the upward force on the bottom face is F₂ = P₂A = ρgh₂A. The net upward force is F₂ − F₁ = ρgA(h₂ − h₁) = ρgAh = ρgV, where V = Ah is the cylinder's volume and also the volume of liquid displaced. Hence upthrust = ρgV = weight of displaced liquid. The principle applies to gases as well as liquids.

اردو

۱۔ بیان: کوئی چیز مائع میں پوری یا جزوی طور پر ڈوبے تو اس پر اتنی اپ تھرسٹ لگتی ہے جتنا اس نے مائع ہٹایا ہو۔

۲۔ ثبوت: رقبہ A اور اونچائی h والا سلنڈر لیں، اوپر کی سطح گہرائی h₁ اور نیچے کی h₂ پر ہو۔ دباؤ P = ρgh سے P₁ = ρgh₁ اور P₂ = ρgh₂۔

۳۔ اوپر کی قوت F₁ = ρgh₁A (نیچے) اور نیچے کی قوت F₂ = ρgh₂A (اوپر)؛ خالص اوپر کی قوت F₂ − F₁ = ρgA(h₂ − h₁) = ρgAh = ρgV۔

۴۔ نتیجہ: اپ تھرسٹ = ρgV یعنی ہٹائے گئے مائع کے وزن کے برابر — یہ اصول گیسوں پر بھی لاگو ہوتا ہے۔

5.3. Justify that mass remains conserved when a fluid flows through a pipe.

Consider a pipe of non-uniform size carrying a steady flow of incompressible fluid. In a short time Δt, the fluid at the lower end (area A₁, speed v₁) advances Δx₁ = v₁Δt, so the volume entering is A₁Δx₁ = A₁v₁Δt and the mass entering is Δm₁ = A₁v₁Δt × ρ₁. At the upper end (area A₂, speed v₂) the mass leaving in the same time is Δm₂ = A₂v₂Δt × ρ₂. In steady flow no fluid accumulates inside the pipe, so the mass entering must equal the mass leaving: Δm₁ = Δm₂, giving A₁v₁ρ₁ = A₂v₂ρ₂. For an incompressible fluid density is constant (ρ₁ = ρ₂), so A₁v₁ = A₂v₂ — the volume flow rate in equals the volume flow rate out. That is the conservation of mass for a flowing fluid, i.e. the equation of continuity.

اردو

۱۔ مختلف موٹائی والا پائپ لیں جس میں مستحکم بہاؤ ہو۔ Δt وقت میں نیچے کے سرے (رقبہ A₁، رفتار v₁) سے داخل ہونے والا حجم A₁v₁Δt اور کمیت Δm₁ = A₁v₁Δt × ρ₁ ہے۔

۲۔ اسی وقت میں اوپر کے سرے سے نکلنے والی کمیت Δm₂ = A₂v₂Δt × ρ₂ ہے۔ مستحکم بہاؤ میں پائپ میں کچھ جمع نہیں ہوتا، اس لیے داخل = خارج، یعنی A₁v₁ρ₁ = A₂v₂ρ₂۔

۳۔ ناقابلِ دباؤ سیال میں کثافت مستقل ہے، اس لیے A₁v₁ = A₂v₂ — اندر آنے والی بہاؤ کی شرح باہر جانے والی کے برابر، یہی کمیت کی بقا ہے۔

5.4. Explain the term superfluidity.

Superfluidity is the characteristic property of fluids with zero viscosity — flow that is frictionless. A substance showing it is a superfluid: it flows without loss of kinetic energy, passes through incredibly narrow spaces without resistance, and once set moving keeps moving past any obstacle. It is achieved in some substances only at extremely low temperature — the classic example is helium-4, which becomes superfluid just below its boiling point of −452 °F (−269 °C, 4 K), looking like a normal clear liquid but with no viscosity. A vortex stirred into a superfluid keeps spinning indefinitely, since no friction exists to disperse it. Superfluids can even "climb" up container walls and over edges. Current uses include cooling high-field magnets, advanced particle detectors, and cryogenic research that also advances our understanding of superconductivity.

اردو

۱۔ سپر فلوئڈیٹی صفر وسکوسٹی والے سیالوں کی خاصیت ہے — بغیر رگڑ کے بہاؤ۔ ایسا مادہ سپر فلوئڈ کہلاتا ہے۔

۲۔ وہ حرکی توانائی ضائع کیے بغیر بہتا ہے، نہایت تنگ جگہوں سے گزر جاتا ہے، اور ایک بار چل پڑے تو رکتا نہیں۔

۳۔ یہ صرف انتہائی کم درجہ حرارت پر ملتی ہے — ہیلیم۔۴ −269 °C (4 K) سے نیچے سپر فلوئڈ بن جاتا ہے؛ اس میں بھنور ہمیشہ گھومتا رہتا ہے اور وہ برتن کی دیواروں پر چڑھ بھی سکتا ہے۔

۴۔ استعمال: ہائی فیلڈ مقناطیسوں کی ٹھنڈک، ذراتی ڈیٹیکٹر، کرائیوجینک تحقیق اور سپر کنڈکٹیویٹی کی سمجھ۔

5.5. State and derive equation of continuity.

Statement: the product of the cross-sectional area of a pipe and the fluid speed (Av) at any point along the pipe is constant; this constant equals the volume flow per second (the flow rate). Derivation: the rate of flow is volume per unit time: fluid of speed v covers ℓ = vt in time t, so volume = Aℓ = Avt and rate = Av. For a pipe of non-uniform size, in time Δt the mass entering at the lower end is Δm₁ = A₁v₁Δt × ρ₁ and the mass leaving at the upper end is Δm₂ = A₂v₂Δt × ρ₂. Steady flow conserves mass (Δm₁ = Δm₂), so A₁v₁ρ₁ = A₂v₂ρ₂; for an incompressible fluid ρ is constant, giving A₁v₁ = A₂v₂. Hence the rate of flow inward equals the rate of flow outward — the equation of continuity, which justifies the conservation of mass for a flowing fluid.

اردو

۱۔ بیان: پائپ کے کسی بھی نقطے پر رقبہ اور رفتار کا حاصل ضرب (Av) مستقل ہوتا ہے — یہی فی سیکنڈ بہنے والا حجم ہے۔

۲۔ ثبوت: رفتار v سے t وقت میں فاصلہ ℓ = vt، حجم = Aℓ = Avt، شرح = Av۔

۳۔ مختلف موٹائی والے پائپ میں Δt میں داخل کمیت A₁v₁Δt × ρ₁ اور خارج کمیت A₂v₂Δt × ρ₂ ہے؛ کمیت کی بقا سے A₁v₁ρ₁ = A₂v₂ρ₂، اور کثافت مستقل ہونے سے A₁v₁ = A₂v₂۔

5.6. State and prove Bernoulli's equation.

Statement: the sum of pressure, kinetic energy per unit volume and potential energy per unit volume of an ideal fluid throughout steady flow remains constant: P + ½ρv² + ρgh = constant. Proof (book): assume an incompressible, non-viscous fluid in steady flow through a pipe of varying cross-section and height. The fluid behind does work W₁ = P₁A₁Δx₁ on the fluid ahead, which does work W₂ = −P₂A₂Δx₂ against it; net work W = P₁A₁Δx₁ − P₂A₂Δx₂. By continuity A₁v₁t = A₂v₂t = V (the same volume in time t), so W = (P₁ − P₂)V = (P₁ − P₂)m/ρ. This work changes the kinetic energy by (½mv₂² − ½mv₁²) and the gravitational potential energy by (mgh₂ − mgh₁). Equating work to total energy change and dividing through by m/ρ gives P₁ + ½ρv₁² + ρgh₁ = P₂ + ½ρv₂² + ρgh₂ — Bernoulli's equation. For a horizontal pipe the ρgh terms cancel, leaving P + ½ρv² = constant: where speed is high, pressure is low.

اردو

۱۔ بیان: مثالی سیال کے مستحکم بہاؤ میں دباؤ + فی یونٹ حجم حرکی توانائی + فی یونٹ حجم مخفی توانائی کا مجموعہ مستقل رہتا ہے: P + ½ρv² + ρgh = مستقل۔

۲۔ ثبوت: پیچھے کا سیال W₁ = P₁A₁Δx₁ کام کرتا ہے، آگے کا W₂ = −P₂A₂Δx₂ مخالفت کرتا ہے؛ خالص کام W = (P₁ − P₂)V = (P₁ − P₂)m/ρ۔

۳۔ یہ کام حرکی توانائی (½mv₂² − ½mv₁²) اور مخفی توانائی (mgh₂ − mgh₁) کی تبدیلی میں خرچ ہوتا ہے؛ برابر رکھنے سے P₁ + ½ρv₁² + ρgh₁ = P₂ + ½ρv₂² + ρgh₂ ملتی ہے۔

۴۔ افقی پائپ میں اونچائی والے جز کٹ جاتے ہیں: P + ½ρv² = مستقل — جہاں رفتار زیادہ، دباؤ کم۔

5.7. Give some practical applications of Bernoulli's equation.

Seven applications are given in the book. (1) Aeroplane wings: streamlines crowd above the wing, air moves faster and pressure falls there, so the pressure difference lifts the wing. (2) Swing of a ball: spin (or one polished side) makes air faster on one side, lower pressure there, and the Magnus effect curves the ball. (3) Filter pump: a fast jet through a constriction drops the pressure and sucks air in from a side tube. (4) Carburetor: a Venturi duct's fast air creates low pressure that draws petrol vapour into the air stream for the engine. (5) Paint sprayer / atomizer: fast air over a dipped tube lowers the pressure, and atmospheric pressure pushes the liquid up into the jet. (6) Venturi meter: the Venturi relation P₁ − P₂ = ½ρv₂² measures liquid flow speed from a manometer pressure difference. (7) Torricelli's theorem: efflux speed from a tank orifice, v = √[2g(h₁ − h₂)], used wherever a liquid drains from a tank.

اردو

۱۔ ہوائی جہاز کے پر: اوپر تیز ہوا، کم دباؤ — دباؤ کا فرق لفٹ دیتا ہے۔

۲۔ گیند کا سوئنگ: ایک طرف تیز ہوا، کم دباؤ — میگنس ایفیکٹ گیند کو موڑ دیتا ہے۔

۳۔ فلٹر پمپ: تنگ جگہ پر تیز دھار دباؤ گرا کر سائیڈ ٹیوب سے ہوا کھینچتی ہے۔

۴۔ کاربوریٹر: وینچوری ڈکٹ میں کم دباؤ پٹرول کے بخارات کو ہوا میں ملاتا ہے۔

۵۔ پینٹ سپرے/ایٹمائزر: تیز ہوا سے دباؤ گرنے پر فضائی دباؤ مائع کو اوپر دھکیلتا ہے۔

۶۔ وینچوری میٹر: P₁ − P₂ = ½ρv₂² سے بہاؤ کی رفتار ناپی جاتی ہے۔

۷۔ ٹوریسیلی کا قضیہ: ٹینک سے نکلنے کی رفتار v = √[2g(h₁ − h₂)]۔

5.8. Define terminal velocity of a body and show that terminal velocity is directly proportional to the square of radius of the body.

Definition: terminal velocity is the constant speed with which a body falls through a fluid when the upward drag force has grown equal to its weight, so the net force on it is zero and it no longer accelerates. Proof: for a droplet of radius r, net force = weight − drag force = mg − 6πηrv (Stokes' law). At terminal velocity the net force is zero: 0 = mg − 6πηrvt, so vt = mg ÷ 6πηr. The droplet's mass is m = ρV with V = (4/3)πr³, so vt = ρ × (4/3)πr³ × g ÷ 6πηr = vt = 2gr²ρ ÷ 9η. Since g, ρ and η are constant for a given droplet and fluid, vt ∝ r² — terminal velocity is directly proportional to the square of the radius. A droplet twice as wide therefore falls four times as fast.

اردو

۱۔ تعریف: ٹرمینل ویلاسٹی وہ مستقل رفتار ہے جس سے کوئی جسم سیال میں اس وقت گرتا ہے جب اوپر کی ڈریگ اس کے وزن کے برابر ہو جائے اور خالص قوت صفر ہو جائے۔

۲۔ ثبوت: خالص قوت = وزن − ڈریگ = mg − 6πηrv؛ ٹرمینل رفتار پر یہ صفر ہے، اس لیے vt = mg ÷ 6πηr۔

۳۔ کمیت m = ρ × (4/3)πr³ رکھنے سے vt = 2gr²ρ ÷ 9η ملتی ہے۔

۴۔ نتیجہ: g، ρ اور η مستقل ہوں تو vt ∝ r² — ٹرمینل ویلاسٹی رداس کے مربع کے متناسب ہے؛ دو گنا چوڑا قطرہ چار گنا تیز گرتا ہے۔

Numerical Problems

5.1. A steel wire of length 2 metres and cross-sectional area of 2 × 10⁻⁶ m² is stretched by a force of 400 N. If the Young's modulus of steel is 2 × 10¹¹ N m⁻², calculate the extension of the wire. (Book answer: 0.002 m)

Step 1 — Young's modulus Y = stress ÷ strain = (F/A) ÷ (ΔL/L), so ΔL = FL ÷ (AY). Step 2 — substitute: ΔL = (400 × 2) ÷ (2 × 10⁻⁶ × 2 × 10¹¹) = 800 ÷ (4 × 10⁵) = 800 ÷ 400,000 = 0.002 m. ✓ Matches the book. ΔL = FL ÷ AY = (400 × 2) ÷ (2 × 10⁻⁶ × 2 × 10¹¹) = 800 ÷ 400,000 = 0.002 میٹر۔

5.2. A spring with a spring constant 200 N m⁻¹ is stretched by 0.5 m. Find the elastic P.E. stored in the spring. (Book answer: 25 J)

Step 1 — elastic potential energy stored = ½kx². Step 2 — substitute k = 200 N m⁻¹, x = 0.5 m: E = ½ × 200 × (0.5)² = 100 × 0.25 = 25 J. ✓ Matches the book. جمع شدہ توانائی = ½kx² = ½ × 200 × (0.5)² = 25 جول۔

5.3. A copper wire of length 3 metres and cross-sectional area of 1 × 10⁻⁶ m² is subjected to a force of 500 N. Calculate the stress and strain produced in the wire. (Young's modulus of copper Y = 1.1 × 10¹¹ N m⁻²) (Book answer: 5 × 10⁸ N m⁻², 0.00455)

Step 1 — stress σ = F/A = 500 ÷ (1 × 10⁻⁶) = 5 × 10⁸ N m⁻². Step 2 — strain ε = stress ÷ Y = (5 × 10⁸) ÷ (1.1 × 10¹¹) = 0.004545… ≈ 0.00455. ✓ Matches the book. سٹریس = 500 ÷ (1 × 10⁻⁶) = 5 × 10⁸ نیوٹن فی مربع میٹر؛ سٹرین = (5 × 10⁸) ÷ (1.1 × 10¹¹) ≈ 0.00455۔

5.4. A block of wood of mass 10 kg and density of 500 kg m⁻³ is floating in water. Calculate the buoyant force acting on the block. (Density of water = 1000 kg m⁻³.) (Book answer: 98 N)

Step 1 — the block floats, so by the principle of floatation the buoyant force (upthrust) equals the block's weight. Step 2 — weight = mg = 10 × 9.8 = 98 N. The densities are a distraction here: they would matter for finding how much of the block is submerged (500/1000 = half), but the buoyant force on a floating body is simply its weight. ✓ Matches the book. تیرتی چیز پر اپ تھرسٹ اس کے وزن کے برابر ہوتی ہے: 10 × 9.8 = 98 نیوٹن۔ کثافتیں یہاں صرف یہ بتاتی ہیں کہ آدھا ٹکڑا ڈوبا ہوگا۔

5.5. Water flows through a pipe with a diameter of 0.05 m at a velocity of 2 m s⁻¹. If the pipe narrows to a diameter of 0.03 m, calculate the velocity of water at narrow section. (Book answer: 5.56 m s⁻¹)

Step 1 — continuity: A₁v₁ = A₂v₂, and area ∝ diameter², so v₂ = v₁ × (d₁/d₂)². Step 2 — v₂ = 2 × (0.05 ÷ 0.03)² = 2 × (1.6667)² = 2 × 2.7778 = 5.5556 ≈ 5.56 m s⁻¹. ✓ Matches the book. v₂ = v₁ × (d₁/d₂)² = 2 × (0.05 ÷ 0.03)² ≈ 5.56 میٹر فی سیکنڈ۔

5.6. Water flows through a horizontal pipe with a velocity of 3 m s⁻¹ and pressure of 200,000 Pa at point 1. At the nozzle (point 2), the pressure decreases to atmospheric pressure 101,300 Pa and the velocity increases to 14 m s⁻¹. Calculate the velocity of the water exiting the nozzle. (Density of water = 1000 kg m⁻³) (Book answer: 14.37 m s⁻¹)

⚠️ Book wording quirk, flagged: the question text mentions "14 m s⁻¹" and then asks you to calculate the velocity — the 14 is evidently a rounded preview, not a given to use, because the book's own answer is 14.37 m s⁻¹. Working from the pressures: Step 1 — horizontal pipe, so Bernoulli gives P₁ + ½ρv₁² = P₂ + ½ρv₂². Step 2 — v₂² = v₁² + 2(P₁ − P₂)/ρ = 3² + 2 × (200,000 − 101,300) ÷ 1000 = 9 + 2 × 98,700 ÷ 1000 = 9 + 197.4 = 206.4. Step 3 — v₂ = √206.4 = 14.37 m s⁻¹. ✓ Matches the book. برنولی سے v₂² = 9 + 2 × (200,000 − 101,300) ÷ 1000 = 206.4، اس لیے v₂ = 14.37 میٹر فی سیکنڈ۔ سوال میں لکھا 14 صرف گول عدد ہے۔

5.7. A tank filled with water has a hole at a depth of 5 m from the water surface. Calculate the velocity of water flowing out of the hole. (Book answer: 9.9 m s⁻¹)

Step 1 — Torricelli's theorem: v = √[2g(h₁ − h₂)], where (h₁ − h₂) is the depth of the hole below the surface = 5 m. Step 2 — v = √(2 × 9.8 × 5) = √98 = 9.9 m s⁻¹. ✓ Matches the book. ٹوریسیلی سے v = √(2 × 9.8 × 5) = √98 = 9.9 میٹر فی سیکنڈ۔

5.8. Calculate the terminal velocity of a spherical raindrop with a radius 0.5 mm falling through the air. (η for air = 19 × 10⁻⁶ kg m⁻¹ s⁻¹, ρ = 1000 kg m⁻³ for water) (Book answer: 28.65 m s⁻¹)

Step 1 — convert radius: 0.5 mm = 0.5 × 10⁻³ m = 5 × 10⁻⁴ m. Step 2 — terminal velocity vt = 2gr²ρ ÷ 9η = (2 × 9.8 × (5 × 10⁻⁴)² × 1000) ÷ (9 × 19 × 10⁻⁶). Step 3 — numerator: 2 × 9.8 = 19.6; (5 × 10⁻⁴)² = 25 × 10⁻⁸; 19.6 × 25 × 10⁻⁸ × 1000 = 4.9 × 10⁻³. Denominator: 9 × 19 × 10⁻⁶ = 1.71 × 10⁻⁴. Step 4 — vt = 4.9 × 10⁻³ ÷ 1.71 × 10⁻⁴ = 28.65 m s⁻¹. ✓ Matches the book. رداس 5 × 10⁻⁴ میٹر؛ vt = 2gr²ρ ÷ 9η = 4.9 × 10⁻³ ÷ 1.71 × 10⁻⁴ = 28.65 میٹر فی سیکنڈ۔

📌 باب کا خلاصہ اور رہنمائی — اس باب میں کیا ہے؟
ENGLISH

This chapter has two halves that share one habit of mind: relate what you can measure to what must stay constant. In solids, the measured pair is stress and strain, and their ratio — Young's modulus — tells you how stiff a material is; the stress–strain curve then tells you where Hooke's law stops, where permanent change starts, and where the material breaks. Stretching stores energy (½kx²), and Searle's experiment shows how the modulus is actually measured. In fluids, the conserved quantities are mass (continuity, Av = constant) and energy (Bernoulli, P + ½ρv² + ρgh = constant); Archimedes' upthrust ρgV explains floating, Stokes' drag 6πηrv explains why droplets stop accelerating, and superfluids show what happens when viscosity itself vanishes.

Topics covered, with links:

Revision guidance: first, write the seven formulas from memory — σ = F/A, ε = ΔL/Lo, Y = stress/strain, Ep = ½kx², upthrust = ρgV, Av = constant, P + ½ρv² + ρgh = constant, F = 6πηrv, vt = 2gr²ρ/9η. Then practise the two graph questions (stress–strain regions, force–extension area) and the two "why" questions examiners love (why pressure falls in a uniform pipe, why a ship floats and a rock sinks). Finish with the numericals that combine two ideas — continuity into Bernoulli (5.6), and Stokes into terminal velocity (5.8).

اردو

اس باب کے دو حصے ہیں لیکن سوچ ایک ہے: ناپی جانے والی چیزوں کو محفوظ رہنے والی چیزوں سے جوڑنا۔ ٹھوس اشیا میں سٹریس اور سٹرین کا تناسب (ینگ ماڈیولس) سختی بتاتا ہے، اور سٹریس۔سٹرین وکر بتاتا ہے کہ ہک کا قانون کہاں ختم ہوتا ہے، مستقل تبدیلی کہاں شروع ہوتی ہے اور ٹوٹنا کہاں ہے۔ کھنچاؤ توانائی جمع کرتا ہے (½kx²) اور سیرل کا تجربہ ماڈیولس ناپنا سکھاتا ہے۔ سیالوں میں کمیت محفوظ رہتی ہے (تسلسل) اور توانائی محفوظ رہتی ہے (برنولی)؛ آرکیمیڈیز کی اپ تھرسٹ تیرنا سمجھاتی ہے، سٹوکس کی ڈریگ قطرے کا مستقل رفتار سے گرنا سمجھاتی ہے، اور سپر فلوئڈ دکھاتا ہے کہ وسکوسٹی ختم ہو تو کیا ہوتا ہے۔

نظرثانی کی رہنمائی: پہلے سات فارمولے زبانی لکھیں — σ = F/A، ε = ΔL/Lo، Y، Ep = ½kx²، اپ تھرسٹ = ρgV، Av = مستقل، P + ½ρv² + ρgh = مستقل، F = 6πηrv، vt = 2gr²ρ/9η۔ پھر گراف والے دو سوال اور "کیوں" والے دو سوال کریں (یکساں پائپ میں دباؤ کیوں گرتا ہے، جہاز کیوں تیرتا ہے اور پتھر کیوں ڈوبتا ہے)۔ آخر میں دو تصور والے عددی سوال دہرائیں — تسلسل سے برنولی (۵.۶) اور سٹوکس سے ٹرمینل ویلاسٹی (۵.۸)۔

🎯 مزید MCQs اور Tests کے لیے

Chapter-wise tests, fresh random papers اور instant score کے لیے PunjabTest.com کا میں test section دیکھو:

PunjabTest.com — Tests →

PunjabTest.com — Complete Guide Book • FSc Part 1 Physics, Chapter 5 (New Book, Session 2026–27) • English + Urdu

← Chapter 4Chapter 6 →