A sphere of radius R is cut from a larger solid sphere of radius 2R as shown in the figure. The ratio of the moment of inertia of the smaller sphere to that of the rest part of the sphere about the Y-axis is:

Question
A sphere of radius R is cut from a larger solid sphere of radius 2R as shown in the figure. The ratio of the moment of inertia of the smaller sphere to that of the rest part of the sphere about the Y-axis is:

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Question & Answer (English)

A sphere of radius R is cut from a larger solid sphere of radius 2R as shown in the figure. The ratio of the moment of inertia of the smaller sphere to that of the rest part of the sphere about the Y-axis is:

  1. $\frac{7}{8}$
  2. $\frac{7}{40}$
  3. $\frac{7}{57}$ — Correct Answer
  4. $\frac{7}{64}$
Explanation:
Root Concept / Basics: Moment of Inertia (MOI) and Parallel Axis Theorem. The MOI of the remaining part can be found by subtracting the MOI of the cut-out part from the MOI of the original complete body. The parallel axis theorem states $I = I_{cm} + md^2$, where $d$ is the distance from the center of mass to the desired axis.

Correct Answer: $\frac{7}{57}$

Step I: Let the density of the material be $\rho$. The mass of the cut-out smaller sphere of radius $R$ is $m = \rho \cdot \frac{4}{3}\pi R^3$.
Step II: The original larger sphere has radius $2R$. Its mass is $M = \rho \cdot \frac{4}{3}\pi (2R)^3 = 8 \left(\rho \frac{4}{3}\pi R^3\right) = 8m$.
Step III: Calculate the MOI of the original large sphere about the Y-axis (which passes through its center): $I_{orig} = \frac{2}{5} M (2R)^2 = \frac{2}{5} (8m) (4R^2) = \frac{64}{5} mR^2$.
Step IV: The smaller sphere has radius $R$ and its center is located at distance $R$ from the Y-axis. Calculate its MOI about the Y-axis using the parallel axis theorem: $I_{small} = I_{cm} + m(R)^2 = \frac{2}{5}mR^2 + mR^2 = \frac{7}{5}mR^2$.
Step V: The MOI of the remaining (rest) part is $I_{rest} = I_{orig} - I_{small} = \frac{64}{5}mR^2 - \frac{7}{5}mR^2 = \frac{57}{5}mR^2$.
Step VI: The ratio of the MOI of the smaller sphere to the MOI of the rest part is $\frac{I_{small}}{I_{rest}} = \frac{\frac{7}{5}mR^2}{\frac{57}{5}mR^2} = \frac{7}{57}$.

प्रश्न एवं उत्तर (हिंदी)

R त्रिज्या के एक गोले को चित्र में दिखाए गए अनुसार 2R त्रिज्या के बड़े ठोस गोले से काटा जाता है। Y-अक्ष के परितः छोटे गोले के जड़त्व आघूर्ण (moment of inertia) और गोले के शेष भाग के जड़त्व आघूर्ण का अनुपात है:

  1. $\frac{7}{8}$
  2. $\frac{7}{40}$
  3. $\frac{7}{57}$ — सही उत्तर
  4. $\frac{7}{64}$
स्पष्टीकरण:
मूल अवधारणा (Root Concept): जड़त्व आघूर्ण (Moment of Inertia - MOI) और समानांतर अक्ष प्रमेय (Parallel Axis Theorem)। शेष भाग का MOI मूल पूर्ण पिंड के MOI से कटे हुए भाग के MOI को घटाकर प्राप्त किया जा सकता है। समानांतर अक्ष प्रमेय बताता है कि $I = I_{cm} + md^2$, जहाँ $d$ द्रव्यमान के केंद्र से वांछित अक्ष की दूरी है।

सही उत्तर: $\frac{7}{57}$

Step I: माना सामग्री का घनत्व $\rho$ है। R त्रिज्या के कटे हुए छोटे गोले का द्रव्यमान $m = \rho \cdot \frac{4}{3}\pi R^3$ है।
Step II: मूल बड़े गोले की त्रिज्या 2R है। इसका द्रव्यमान $M = \rho \cdot \frac{4}{3}\pi (2R)^3 = 8 \left(\rho \frac{4}{3}\pi R^3\right) = 8m$ है।
Step III: Y-अक्ष (जो इसके केंद्र से होकर गुजरता है) के परितः मूल बड़े गोले के MOI की गणना करें: $I_{orig} = \frac{2}{5} M (2R)^2 = \frac{2}{5} (8m) (4R^2) = \frac{64}{5} mR^2$।
Step IV: छोटे गोले की त्रिज्या R है और इसका केंद्र Y-अक्ष से R दूरी पर स्थित है। समानांतर अक्ष प्रमेय का उपयोग करके Y-अक्ष के परितः इसके MOI की गणना करें: $I_{small} = I_{cm} + m(R)^2 = \frac{2}{5}mR^2 + mR^2 = \frac{7}{5}mR^2$।
Step V: शेष भाग का MOI है $I_{rest} = I_{orig} - I_{small} = \frac{64}{5}mR^2 - \frac{7}{5}mR^2 = \frac{57}{5}mR^2$।
Step VI: छोटे गोले के MOI और शेष भाग के MOI का अनुपात $\frac{I_{small}}{I_{rest}} = \frac{\frac{7}{5}mR^2}{\frac{57}{5}mR^2} = \frac{7}{57}$ है।

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