FE Mechanical परीक्षा अभ्यास: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 42 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

संतुलन: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
एकसमान भार: परिणामी w·L भार के मध्य में
आघूर्ण: M = F·d

विधि

मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ और हर आलंब को उसकी प्रतिक्रियाओं से बदलें।
हर वितरित भार को उसके केंद्रक पर एक अकेले बल से बदलें।
एक आलंब के परितः आघूर्ण लेकर दूसरे की प्रतिक्रिया ज्ञात करें।
शेष प्रतिक्रिया ज्ञात करने के लिए ΣF_y = 0 का उपयोग करें, और दूसरे आघूर्ण समीकरण से जाँचें।

अक्षीय प्रतिबल और विकृति

अभिलंब प्रतिबल: σ = F/A
विकृति: ε = ΔL/L
हुक का नियम: σ = E·ε
दीर्घीकरण: ΔL = FL/(EA)
तापीय विकृति: ε_T = α·ΔT

शाफ़्ट का मरोड़

अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J
ठोस शाफ़्ट: J = πd⁴/32
खोखला शाफ़्ट: J = π(D⁴ − d⁴)/32
मरोड़ कोण: φ = TL/(GJ)
शक्ति: P = T·ω = 2πnT/60

विधि

ध्रुवीय क्षेत्र आघूर्ण ज्ञात करें: ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32।
सतह पर अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J, जहाँ r बाहरी त्रिज्या है।
ऐंठन कोण: रेडियन में φ = TL/(GJ)।
यदि शक्ति दी गई है, तो पहले P = T·ω, ω = 2πn/60 से बलाघूर्ण ज्ञात करें।

अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

अपरूपण बल और आघूर्ण: V = एक ओर का ΣF, M = एक ओर का ΣF·d
बंकन प्रतिबल: σ = M·y/I
आयत: I = bh³/12
खंड मापांक: W = I/y_max
सरल आधारित, एकसमान भार: M_max = wL²/8

विधि

पूरे बीम के संतुलन से आलंब प्रतिक्रियाएँ ज्ञात करें।
बीम को आवश्यक खंड पर काटें और एक भाग रखें।
अपरूपण बल: उस भाग पर ऊर्ध्वाधर बलों का योग। बंकन आघूर्ण: कट के परितः उनके आघूर्णों का योग।
अधिकतम आघूर्ण के लिए वह स्थान ज्ञात करें जहाँ अपरूपण बल शून्य है।

मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

केंद्र: C = (σ_x + σ_y)/2
त्रिज्या: R = √(((σ_x − σ_y)/2)² + τ_xy²)
मुख्य प्रतिबल: σ_1,2 = C ± R
मुख्य दिशा: tan 2θ_p = 2τ_xy/(σ_x − σ_y)
झुका हुआ तल: σ_θ = C + (σ_x − σ_y)/2·cos 2θ + τ_xy·sin 2θ

विधि

मोर वृत्त का केंद्र निकालें: C = (σx + σy)/2।
त्रिज्या निकालें: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)।
मुख्य प्रतिबल C ± R हैं और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है।
वृत्त पर कोण अवयव पर कोणों के दोगुने होते हैं: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)।

बीम विक्षेप

मध्य-विस्तार पर बिंदु भार: δ = PL³/(48EI)
एकसमान भार, सरल आधारित: δ = 5wL⁴/(384EI)
कैंटिलीवर, सिरे पर भार: δ = PL³/(3EI)
कैंटिलीवर, एकसमान भार: δ = wL⁴/(8EI)
अध्यारोपण: δ = δ₁ + δ₂

स्तंभ बकलिंग

ऑयलर भार: P_cr = π²EI/(KL)²
प्रभावी लंबाई गुणांक: K = 1 पिन–पिन, 0.5 स्थिर–स्थिर, 0.7 स्थिर–पिन, 2 स्थिर–मुक्त
क्रांतिक प्रतिबल: σ_cr = P_cr/A
पतलापन अनुपात: λ = KL/r, r = √(I/A)

प्रक्षेप्य गति

घटक: v_x = v₀cos θ, v_y = v₀sin θ
स्थिति: x = v_xt, y = h + v_yt − ½gt²
अधिकतम ऊँचाई: H = h + v_y²/(2g)
परास (समतल भूमि): R = v₀²·sin 2θ/g

विधि

प्रक्षेपण वेग को घटकों में विभाजित करें: v_x = v₀·cos θ और v_y = v₀·sin θ।
क्षैतिज गति की चाल नियत होती है; ऊर्ध्वाधर गति का त्वरण −g होता है।
ऊर्ध्वाधर गति से उड़ान का समय ज्ञात करें।
परास ज्ञात करने के लिए उस समय का क्षैतिज गति में उपयोग करें।

कार्य और ऊर्जा

गतिज ऊर्जा: E_k = ½mv²
स्थितिज ऊर्जा: E_p = mgh
ऊर्जा संतुलन: E_k1 + E_p1 + W = E_k2 + E_p2 + losses
घर्षण का कार्य: W = μ·N·d
शक्ति: P = W/t

यांत्रिक कंपन

प्राकृतिक आवृत्ति: ω_n = √(k/m), f_n = ω_n/(2π)
स्थैतिक विक्षेप से: ω_n = √(g/δ_st)
क्रांतिक अवमंदन: c_c = 2√(km) = 2mω_n
अवमंदन अनुपात: ζ = c/c_c
अवमंदित आवृत्ति: ω_d = ω_n√(1 − ζ²)
लघुगणकीय ह्रास: δ = (1/n)·ln(x₀/x_n), ζ = δ/√(4π² + δ²)
समांतर में स्प्रिंग: k = k₁ + k₂
श्रेणी में स्प्रिंग: 1/k = 1/k₁ + 1/k₂

ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

दक्षता: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
कार्नो दक्षता: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
रेफ्रिजरेटर का COP: COP_R = Q_C/W
हीट पंप का COP: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
ऊर्जा संतुलन: Q_H = W + Q_C

गैस शक्ति चक्र

समएन्ट्रॉपिक, आयतन अनुपात: T₂/T₁ = r^k−1
समएन्ट्रॉपिक, दाब अनुपात: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
ऑटो दक्षता: η = 1 − 1/r^k−1
डीज़ल दक्षता: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
ब्रेटन दक्षता: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
दी गई ऊष्मा: ऑटो: c_v(T₃ − T₂) डीज़ल, ब्रेटन: c_p(T₃ − T₂)
ब्रेटन शुद्ध कार्य: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
समएन्ट्रॉपिक दक्षताएँ: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
ठंडी वायु: k = 1.4, c_p = 1.005, c_v = 0.718 kJ/(kg·K)

सांतत्य और बर्नूली

सांतत्य: A₁v₁ = A₂v₂
बर्नूली: p₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = p₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
प्रवाह दर: Q = A·v
वृत्त का क्षेत्रफल: A = πd²/4

पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

रेनॉल्ड्स संख्या: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
प्रवाह व्यवस्था: Re ≈ 2000 से नीचे स्तरीय, Re ≈ 4000 से ऊपर विक्षुब्ध
औसत वेग: V = Q/A, A = π·D²/4
डार्सी–वाइसबाख: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
लघु हानियाँ: h_m = ΣK·V²/(2g)
K के सामान्य मान: प्रवेश 0.5, निकास 1.0, 90° मोड़ ≈ 0.3
दाब पात: Δp = ρ·g·h_f
दो खुले जलाशय: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
मुक्त निकास: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

पंप और पंप शक्ति

द्रवीय शक्ति: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
शाफ़्ट शक्ति: P_shaft = P_h/η_pump
विद्युत शक्ति: P_el = P_shaft/η_motor
पंप शीर्ष: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
तंत्र हानियाँ: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

ऊष्मा चालन

फ़ूरिये नियम: Q̇ = kAΔT/L
चालन प्रतिरोध: R = L/(kA)
संवहन प्रतिरोध: R = 1/(hA)
श्रेणी प्रतिरोध: Q̇ = ΔT_total/ΣR
U-मान: U = 1/(ΣR·A)

गियर और गियर ट्रेन

परस्पर जुड़े गियर: n₁·N₁ = n₂·N₂
बलाघूर्ण: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η
शक्ति: P = T·ω, ω = 2π·n/60
संयुक्त गियर ट्रेन: कुल अनुपात = चरण अनुपातों का गुणनफल

स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

तंत्र प्रकार: G(s) के s = 0 पर ध्रुवों की संख्या
त्रुटि स्थिरांक: K_p = lim G(s), K_v = lim s·G(s), K_a = lim s²·G(s) (s → 0)
सोपान A: e_ss = A/(1 + K_p)
रैंप A·t: e_ss = A/K_v
परवलय A·t²/2: e_ss = A/K_a
PID नियंत्रक: C(s) = K_p + K_i/s + K_d·s
द्वितीय-कोटि लक्ष्य: s² + 2ζω_ns + ω_n²
अतिलंघन और समय: %OS = 100·e^{−ζπ/√(1−ζ²)}, t_p = π/ω_d, t_s ≈ 4/(ζω_n)

विधि

विवृत-लूप C(s)·G(s) के s = 0 पर ध्रुव गिनिए: वही तंत्र का प्रकार है।
निवेश से मेल खाने वाला त्रुटि स्थिरांक निकालिए: सोपान के लिए K_p, रैंप के लिए K_v, परवलय के लिए K_a।
e_ss = A/(1 + K_p), A/K_v या A/K_a लगाइए, या जिस लब्धि की आपको ज़रूरत है उसके लिए इसे हल कीजिए।
अवमंदन या चाल के विनिर्देश के लिए संवृत-लूप अभिलाक्षणिक बहुपद लिखिए और उसे s² + 2ζω_n·s + ω_n² से मिलाइए।

2अभ्यास प्रश्न

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँमध्यम

कैंटिलीवर बीम A पर दीवार में स्थिर है। यह दीवार से 5 m तक समान वितरित भार w और दीवार से 4 m पर बिंदु भार P वहन करता है। दीवार पर प्रतिक्रिया आघूर्ण M_A का परिमाण ज्ञात कीजिए।

L = 8 mP = 15 kN पर 4 mw = 4 kN/m, 0 से 5 m तक

M_A = kN·m

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन

सरल आलंबित बीम में A पर पिन और B पर रोलर है। ऊर्ध्वाधर आलंब प्रतिक्रिया R_B ज्ञात कीजिए।

L = 4 mP = 55 kN पर 1.5 mw = 8 kN/m, 2 से 4 m तक

R_B = kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

एल्युमिनियम छड़ में अक्षीय विकृति ε माइक्रोस्ट्रेन (µε = 10⁻⁶) में ज्ञात कीजिए।

P = 65 kNd = 30 mmL = 1.5 mE = 70 GPa

ε = µε

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

सोपानी छड़ दीवार में जड़ित है और अपने मुक्त सिरे पर भारित है। कुल दीर्घीकरण δ ज्ञात कीजिए।

P = 80 kNखंड 1: Ø30 mm, 1.5 m, एल्युमिनियम (E = 70 GPa)खंड 2: Ø12 mm, 1 m, पीतल (E = 100 GPa)

δ = mm

5.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

एक खोखले शाफ़्ट को 2000 N·m का बलाघूर्ण वहन करना है। इसका भीतरी व्यास इसके बाहरी व्यास का 0.6 गुना होना है, और अपरूपण प्रतिबल 75 MPa से अधिक नहीं होना चाहिए। सबसे छोटा बाहरी व्यास d_o ज्ञात कीजिए।

T = 2000 N·md_i/d_o = 0.6τ_allow = 75 MPa

d_o = mm

6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक ठोस शाफ़्ट को 3000 rpm पर 10 kW संचारित करना है, बिना अपरूपण प्रतिबल के 80 MPa से अधिक हुए। उपयुक्त सबसे छोटा व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 10 kWN = 3000 rpmτ_allow = 80 MPa

d = mm

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

कैंटिलीवर A पर स्थिर है। यह अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w और A से 2.5 m पर बिंदु भार P वहन करता है। स्थिर आलंब A पर बंकन आघूर्ण M_A ज्ञात कीजिए। सैगिंग आघूर्णों को और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण को धनात्मक लें।

L = 3 mP = 15 kN पर 2.5 mw = 10 kN/m, 0 से 3 m तक

M_A = kN·m

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

सरल आलंबित बीम अपने विस्तार के एक भाग पर समान वितरित भार वहन करता है। बीम में अधिकतम बंकन आघूर्ण M_max ज्ञात कीजिए।

L = 5 mw = 6 kN/m, 0 से 2 m तक

M_max = kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 90 MPa, σᵧ = 110 MPa और τₓᵧ = −50 MPa है (तनन धनात्मक)। तल में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

σ_x = 90 MPaσ_y = 110 MPaτ_xy = −50 MPa

τ_max = MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

800 mm भीतरी व्यास और 5 mm दीवार मोटाई वाली एक पतली दीवार की बेलनाकार टंकी में 2 MPa गेज दाब पर गैस है। यह बेलन की अक्ष से 55° पर एक सर्पिल सीवन के साथ वेल्ड की गई प्लेट से बनी है। वेल्ड सीवन के आर-पार कार्य करने वाला अभिलंब प्रतिबल σ_n ज्ञात कीजिए।

D = 800 mmt = 5 mmp = 2 MPaα = 55°

σ_n = MPa

11.बीम विक्षेपमध्यम

एक सरल आलंबित बीम अपने पूरे विस्तार पर समान वितरित भार w वहन करता है। मध्य विस्तार पर अधिकतम विक्षेप δ_max ज्ञात कीजिए।

w = 6 kN/mL = 8 mE = 200 GPa (स्टील)I = 160 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

12.बीम विक्षेपकठिन

एक सरल आलंबित बीम आलंब B से b = 1.5 m पर बिंदु भार P वहन करता है। बीम का अधिकतम विक्षेप δ_max ज्ञात कीजिए।

P = 22 kNb = 1.5 mL = 4 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)I = 120 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

13.स्तंभ बकलिंगमध्यम

स्टील से बना L लंबाई का एक स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर पिन किया हुआ है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार P_cr ज्ञात कीजिए।

L = 6 mE = 200 GPa (स्टील)b × h = 30 × 80 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

स्टील से बना L लंबाई का एक स्तंभ दोनों सिरों पर जड़ित है। उसकी तनुता और ऑयलर सूत्र से क्रांतिक बकलिंग प्रतिबल σ_cr ज्ञात कीजिए।

L = 4 mE = 200 GPa (स्टील)d = 60 mm

σ_cr = MPa

15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद 30 m/s से प्रक्षेपित की जाती है और उसे 40 m दूर गिरना है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। दो संभव प्रक्षेपण कोणों में से छोटा θ ज्ञात कीजिए।

v₀ = 30 m/sR = 40 mg = 9.81 m/s²

θ = °

16.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक 25 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 25 m/s से क्षैतिज से 25° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। यह क्षैतिज से नीचे किस कोण α पर ज़मीन से टकराती है?

v₀ = 25 m/sθ = 25°h = 25 mg = 9.81 m/s²

α = °

17.कार्य और ऊर्जामध्यम

0.5 kg का एक गुटका क्षैतिज से 15° पर झुकी ढलान पर 17 m फिसलता है, गतिज घर्षण गुणांक 0.1 है। घर्षण के विरुद्ध किया गया कार्य W_f ज्ञात कीजिए।

m = 0.5 kgθ = 15°μ = 0.1d = 17 mg = 9.81 m/s²

W_f = J

18.कार्य और ऊर्जाकठिन

एक 1 kg गाड़ी 4.2 m की ऊँचाई पर विराम से एक चिकने ट्रैक पर छोड़ी जाती है जो 1.5 m त्रिज्या वाले ऊर्ध्वाधर वृत्ताकार लूप में जाता है। लूप के शीर्ष पर गाड़ी की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 1 kgh = 4.2 mR = 1.5 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

19.यांत्रिक कंपनमध्यम

40 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग पर एक 8 kg द्रव्यमान के साथ एक श्यान अवमंदक है जो 0.6 का अवमंदन अनुपात देता है। इसके मुक्त कंपन की अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति f_d Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 8 kgk = 40 kN/mζ = 0.6

f_d = Hz

20.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 5 kg द्रव्यमान सिरे-से-सिरे जुड़े (श्रेणी में) दो स्प्रिंगों से लटका है: ऊपरी स्प्रिंग k₁ = 40 kN/m और निचला k₂ = 20 kN/m है। अवमंदन और स्प्रिंगों के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति f_n Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 5 kgk₁ = 40 kN/mk₂ = 20 kN/m

f_n = Hz

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक ऊष्मा इंजन 275 °C पर गर्म भंडार और 30 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। यह 800 kJ ऊष्मा लेता है। यह अधिकतम कितना कार्य W_max उत्पन्न कर सकता है, ज्ञात कीजिए।

T_H = 275 °CT_L = 30 °CQ_H = 800 kJ

W_max = kJ

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

दो कार्नो इंजन श्रेणी में काम करते हैं। इंजन A 1150 °C वाले भंडार से ऊष्मा लेता है और तापमान T_m वाले मध्यवर्ती भंडार को ऊष्मा त्यागता है। इंजन B वह सारी ऊष्मा लेता है और 25 °C वाले भंडार को ऊष्मा त्यागता है। दोनों इंजन समान कार्य उत्पन्न करते हैं। T_m को °C में ज्ञात कीजिए।

T_H = 1150 °CT_L = 25 °C

T_m = °C

23.गैस शक्ति चक्रमध्यम

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 22 और कटऑफ़ अनुपात r_c = v₃/v₂ = 3 है। ठंडी-वायु-मानक मान्यताओं का उपयोग करें: वायु नियत विशिष्ट ऊष्माओं वाली आदर्श गैस है, k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) और c_v = 0.718 kJ/(kg·K)। इसकी ऊष्मीय दक्षता η प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

r = 22r_c = 3k = 1.4

η = %

24.गैस शक्ति चक्रकठिन

एक आदर्श ब्रेटन चक्र 16 के संपीडक दाब अनुपात पर चलता है। ठंडी-वायु-मानक मान्यताओं का उपयोग करें: वायु नियत विशिष्ट ऊष्माओं वाली आदर्श गैस है, k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) और c_v = 0.718 kJ/(kg·K)। इसकी ऊष्मीय दक्षता η प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

r_p = 16k = 1.4

η = %

25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी एक क्षैतिज वेंचुरी मीटर से बहता है जिसका प्रवेश व्यास 100 mm और कंठ व्यास 60 mm है। प्रवेश पर दाब कंठ की तुलना में 10 kPa अधिक है। हानियों को नगण्य मानते हुए प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए।

d₁ = 100 mmd₂ = 60 mmp₁ − p₂ = 10 kPaρ = 1000 kg/m³

Q = L/s

26.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

एक बंद पानी की टंकी में पानी के ऊपर 150 kPa गेज दाब पर संपीडित वायु है। पानी सतह से 5 m नीचे 20 mm व्यास वाले छिद्र से खुली हवा में निकलता है। हानियों को नगण्य मानते हुए ज्ञात कीजिए: प्रवाह दर Q। g = 9.81 m/s² लें।

p_air = 150 kPa (गेज)h = 5 md = 20 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

Q = L/s

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम

जल 75 mm आंतरिक व्यास वाले 800 m लंबे पाइप से 3 L/s पर बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.02 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि h_f ज्ञात कीजिए।

Q = 3 L/sL = 800 mD = 75 mmf = 0.02g = 9.81 m/s²

h_f = m

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन

दो खुले जलाशय 150 m लंबे, 300 mm आंतरिक व्यास और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 वाले पाइप से जुड़े हैं। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 2 मोड़ (हर एक K = 0.3), एक वाल्व (K = 2) और निचले जलाशय में निकास (K = 1.0)। g = 9.81 m/s² लें। जलाशयों के बीच जल स्तर का कितना अंतर Δz, 120 L/s की प्रवाह दर देता है?

Q = 120 L/sL = 150 mD = 300 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 2K_exit = 1.0

Δz = m

29.पंप और पंप शक्तिमध्यम

70% दक्षता वाला एक पंप 76 m शीर्ष के विरुद्ध 30 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। g = 9.81 m/s² लें। आवश्यक शाफ़्ट शक्ति P_shaft kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 30 L/sH = 76 mη = 70%g = 9.81 m/s²

P_shaft = kW

30.पंप और पंप शक्तिकठिन

एक पंप 50 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 9 m ऊँची है। पाइप 400 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 200 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.022 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 8 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।

Q = 50 L/sΔz = 9 mL = 400 mD = 200 mmf = 0.022ΣK = 8

H = m

31.ऊष्मा चालनमध्यम

एक दीवार ईंट की 50 mm और लकड़ी की 100 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 20 m²। बाहरी फलक 19 °C और 8 °C पर हैं। दीवार से ऊष्मा प्रवाह Q̇ ज्ञात कीजिए।

L₁ = 50 mm, k₁ = 0.72 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 20 m²T₁ = 19 °CT₃ = 8 °C

Q̇ = W

32.ऊष्मा चालनकठिन

200 mm लकड़ी और 25 mm विस्तारित पॉलीस्टाइरीन की दीवार 22 °C वाले कमरे को -10 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 7.7 W/(m²·K) और बाहर 30 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 15 m² है। दीवार से ऊष्मा हानि Q̇ ज्ञात कीजिए।

L₁ = 200 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0.035 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 7.7 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = -10 °C

Q̇ = W

33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

960 rpm पर चल रही एक 1.1 kW मोटर 50 दाँतों वाले पिनियन को चलाती है, जो 80 दाँतों वाले गियर से जुड़ा है। गियर युग्म की दक्षता 95% है। मोटर शाफ़्ट पर बलाघूर्ण T₁ ज्ञात कीजिए।

P = 1.1 kWn₁ = 960 rpmN₁ = 50N₂ = 80η = 95%

T₁ = N·m

34.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक खुला पट्टा 125 mm की घिरनी और 300 mm की घिरनी को जोड़ता है, जिनके केंद्र 800 mm दूर हैं। छोटी घिरनी पर लपेट कोण θ डिग्री में ज्ञात कीजिए।

d₁ = 125 mmd₂ = 300 mmC = 800 mm

θ = °

35.लाप्लास रूपांतरमध्यम

F(s) = (4s + 30)/(s² + 7s + 6)। इसका प्रतिलोम रूपांतर f(t) = A·e^−t + B·e^−6t के रूप का है। आंशिक भिन्नों से गुणांक A ज्ञात कीजिए।

F(s) = (4s + 30)/(s² + 7s + 6)

A =

36.लाप्लास रूपांतरकठिन

एक तंत्र y″ + 11y′ + 30y = 90·u(t) का पालन करता है। यह विराम से शुरू होता है (y(0) = 0, y′(0) = 0) और इनपुट t ≥ 0 के लिए एक सोपान u(t) = 2 है। लाप्लास रूपांतर से आउटपुट y(0.2) ज्ञात कीजिए।

y″ + 11y′ + 30y = 90·u(t)u(t) = 2y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.2 s

y(0.2) =

37.ब्लॉक आरेखमध्यम

संयंत्र G(s) = 4/(s + 5) में लब्धि H₁ = 5 वाला एक भीतरी (गौण) ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप है। नियंत्रक लब्धि K = 9 और एक बाहरी एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप तंत्र को बंद करते हैं। संवृत-लूप DC लब्धि T(0) ज्ञात कीजिए।

G(s) = 4/(s + 5)H₁ = 5K = 9

T(0) =

38.ब्लॉक आरेखकठिन

संयंत्र G(s) = K/(s(s + 3)(s + 9)) एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में है। राउथ–हर्विट्ज़ मानदंड से वह अधिकतम लब्धि K_max ज्ञात कीजिए जिसके लिए संवृत लूप स्थायी है।

G(s) = K/(s(s + 3)(s + 9))एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश

K_max =

39.सोपान अनुक्रियामध्यम

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 26.5/(s² + 5s + 53) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। t_s ≈ 4/(ζωₙ) का उपयोग करके सोपान अनुक्रिया का 2 % स्थिरीकरण समय t_s ज्ञात कीजिए।

G(s) = 26.5/(s² + 5s + 53)

t_s = s

40.सोपान अनुक्रियाकठिन

शून्यों के बिना एक द्वितीय-कोटि तंत्र की सोपान अनुक्रिया 5 % अतिलंघन दिखाती है, और पहला शिखर t = 1 s पर आता है। प्राकृतिक आवृत्ति ω_n ज्ञात कीजिए।

%OS = 5 %t_p = 1 s

ω_n = rad/s

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम

परवलयिक निवेश r(t) = 4·t²/2 को G(s) = 5(s + 4)/(s²(s + 2)) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप पर लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था त्रुटि e_ss ज्ञात कीजिए।

G(s) = 5(s + 4)/(s²(s + 2))r(t) = 4·t²/2

e_ss =

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन

एक PI नियंत्रक C(s) = K_p + K_i/s संयंत्र G(s) = 10/(s + 4) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। संवृत-लूप में ωₙ = 10 rad/s और ζ = 1 होना चाहिए। समाकल लब्धि K_i ज्ञात कीजिए।

G(s) = 10/(s + 4)ωₙ = 10 rad/sζ = 1

K_i =

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: M_A = 110 kN·m

कैंटिलीवर संतुलन: स्थिर आलंब ऊपर धकेल सकता है और घूर्णन का प्रतिरोध भी कर सकता है, इसलिए यह एक ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया R_A और एक प्रतिक्रिया आघूर्ण M_A देता है। ΣF_y = 0 से R_A मिलता है, और दीवार के परितः आघूर्णों से M_A = Σ(भार × दीवार से दूरी)। वितरित भार भार आरेख के केंद्रक पर अपने परिणामी के रूप में कार्य करता है।

वितरित भार का परिणामी

W = 4·5 = 20 kN, x̄ = 2.5 m

दीवार के परितः आघूर्ण

M_A = P·a + W·x̄ = 15·4 + 20·2.5 = 110 kN·m

उत्तर

M_A = 110 kN·m

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = 32.63 kN

स्थैतिक संतुलन: स्थिर वस्तु के लिए किसी भी बिंदु के परितः ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 और ΣM = 0। एक आलंब के परितः आघूर्ण लेने से उस आलंब की प्रतिक्रिया समीकरण से हट जाती है।

मुक्त-पिंड आरेख

आलंबों को प्रतिक्रिया बलों से बदलें। रोलर एक ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया देता है; केवल ऊर्ध्वाधर भारों के साथ पिन भी एक ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया देता है।

संतुलन

A के परितः आघूर्ण, वामावर्त धनात्मक। फिर ऊर्ध्वाधर बल संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 8·2 = 16 kN, x̄ = 3 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·4 = 55·1.5 + 8·2·3

R_B = 130.5/4 = 32.63 kN

ΣF_y = 0: R_A = 71 − 32.63 = 38.38 kN

उत्तर

R_B = 32.63 kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: ε = 1314 µε

हुक का नियम: प्रत्यास्थ सीमा में σ = E·ε। σ = P/A और ε = δ/L के साथ मिलाने पर δ = PL/(AE) मिलता है।

प्रतिबल

A = π·30²/4 = 706.9 mm²

σ = P/A = 65·1000/706.9 = 91.96 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for एल्युमिनियम = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 91.96/70000 = 0.001314 = 1314 µε

उत्तर

ε = 1314 µε

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 9.499 mm

अक्षीय भारित अवयव: हर प्रिज़्मीय खंड δ = PL/(AE) का पालन करता है। श्रेणी में अवयवों के दीर्घीकरण जुड़ते हैं।

दोनों खंडों में समान बल

मुक्त सिरा P वहन करता है, इसलिए छड़ का हर खंड वही अक्षीय बल P वहन करता है। केवल क्षेत्रफल और पदार्थ बदलते हैं।

A₁ = π·30²/4 = 706.9 mm², A₂ = π·12²/4 = 113.1 mm²

σ₁ = 113.2 MPa

σ₂ = 707.4 MPa

खंडों का दीर्घीकरण जोड़ें

δ₁ = σ₁L₁/E₁ = 113.2·1500/70000 = 2.425 mm

δ₂ = σ₂L₂/E₂ = 707.4·1000/100000 = 7.074 mm

δ = δ₁ + δ₂ = 9.499 mm

उत्तर

δ = 9.499 mm

5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d_o = 53.84 mm

वृत्ताकार शाफ़्ट का मरोड़: अपरूपण प्रतिबल केंद्र पर शून्य से सतह पर τ_max = T·r/J तक रैखिक रूप से बढ़ता है, ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32 और खोखले के लिए J = π(d_o⁴ − d_i⁴)/32। मरोड़ कोण रेडियन में φ = TL/(GJ) है। शक्ति और बलाघूर्ण P = T·ω से जुड़े हैं।

स्वीकार्य प्रतिबल से बाहरी व्यास

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm

1 − k⁴ = 1 − 0.6⁴ = 0.8704

d_o = ∛(16T/(π·τ_allow·(1 − k⁴))) = ∛(16·2 × 10⁶/(π·75·0.8704)) = 53.84 mm

d_i = 0.6·53.84 = 32.3 mm

उत्तर

d_o = 53.84 mm

ठोस शाफ़्ट को d = 51.4 mm चाहिए होता; खोखला थोड़ा बड़ा है पर बहुत हल्का है।

6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d = 12.65 mm

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s

T = P/ω = 10000/314.2 = 31.83 N·m

अनुमेय प्रतिबल से व्यास

d = ∛(16T/(π·τ_allow)) = ∛(16·31831/(π·80)) = 12.65 mm

उत्तर

d = 12.65 mm

व्यवहार में आप अगले मानक आकार तक पूर्णांकित करेंगे।

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_A = −82.5 kN·m

खंड विधि: जहाँ आंतरिक बल चाहिए वहाँ बीम काटें और एक भाग रखें। अपरूपण बल V उस भाग के ऊर्ध्वाधर बलों को संतुलित करता है, और बंकन आघूर्ण M कट के परितः उनके आघूर्णों को।

मुक्त-सिरे वाला भाग रखें

P: −15·2.5 = −37.5 kN·m

w: −10·3²/2 = −45 kN·m

M_A = −37.5 − 45 = −82.5 kN·m

उत्तर

M_A = −82.5 kN·m

ऋणात्मक का अर्थ है हॉगिंग: ऊपरी फलक पर तनाव।

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_max = 7.68 kN·m

खंड विधि: जहाँ आंतरिक बल चाहिए वहाँ बीम काटें और एक भाग रखें। अपरूपण बल V उस भाग के ऊर्ध्वाधर बलों को संतुलित करता है, और बंकन आघूर्ण M कट के परितः उनके आघूर्णों को। अधिकतम आघूर्ण: चूँकि dM/dx = V, बंकन आघूर्ण वहाँ शिखर पर होता है जहाँ अपरूपण बल शून्य से होकर गुज़रता है, या तो किसी बिंदु भार पर या किसी वितरित भार के भीतर।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 6·2 = 12 kN, x̄ = 1 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·5 = 6·2·1

R_B = 12/5 = 2.4 kN

ΣF_y = 0: R_A = 12 − 2.4 = 9.6 kN

शून्य अपरूपण

अपरूपण बल R_A से शुरू होता है, किसी भी भाररहित भाग पर स्थिर रहता है और भार के भीतर प्रवणता w से घटता है।

R_A − w·(x₀ − 0) = 0

x₀ = 0 + 9.6/6 = 1.6 m

अधिकतम आघूर्ण

M_max = R_A·x₀ − w·(x₀ − 0)²/2 = 9.6·1.6 − 6·1.6²/2 = 7.68 kN·m

उत्तर

M_max = 7.68 kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_max = 50.99 MPa

समतल प्रतिबल रूपांतरण: θ से घुमाए गए तल पर σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ। मोर वृत्त सभी तलों को एक साथ दिखाता है: उसका केंद्र C = (σₓ + σᵧ)/2 पर और त्रिज्या R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) है। मुख्य प्रतिबल C ± R हैं, और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है।

मोर वृत्त की त्रिज्या

τ_max = R = √(((90 − 110)/2)² + −50²) = 50.99 MPa

उत्तर

τ_max = 50.99 MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_n = 106.3 MPa

दीवार के प्रतिबल

r = 800/2 = 400 mm

σ_h = pr/t = 2·400/5 = 160 MPa

σ_a = pr/(2t) = 80 MPa

सीवन पर रूपांतरित करें

x को अक्ष के साथ (σ_a) और y को परिधि के साथ (σ_h) लें। सीवन का अभिलंब अक्ष से 90° − α बनाता है।

σ_n = 80·sin²55° + 160·cos²55° = 106.3 MPa

उत्तर

σ_n = 106.3 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_max = 10 mm

बीम विक्षेप: विक्षेप वक्रता M/(EI) को दो बार समाकलित करके मिलते हैं। मानक स्थितियाँ सारणीबद्ध हैं, जैसे सिरे पर भार वाले कैंटिलीवर के लिए PL³/(3EI) और पूरे विस्तार पर समान भार वाले सरल आलंबित बीम के लिए 5wL⁴/(384EI)। अलग-अलग भारों के विक्षेप जुड़ते हैं (अध्यारोपण)।

एकरूप इकाइयाँ

N और mm में काम करें: P N में, w N/mm में (kN/m = N/mm), L mm में, E N/mm² में (GPa × 1000), I mm⁴ में।

w = 6 N/mm, L = 8000 mm

EI = 3.2 × 10¹³ N·mm²

विक्षेप

δ_max = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·8000⁴/(384·3.2 × 10¹³) = 10 mm

उत्तर

δ_max = 10 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_max = 3.212 mm

एकरूप इकाइयाँ

N और mm में काम करें: P N में, w N/mm में (kN/m = N/mm), L mm में, E N/mm² में (GPa × 1000), I mm⁴ में।

P = 22000 N, b = 1500 mm, L = 4000 mm

EI = 8.4 × 10¹² N·mm²

अधिकतम की स्थिति

लंबे खंड में प्रवणता को शून्य रखने से स्थिति मिलती है।

x = √((L² − b²)/3) = √((4000² − 1500²)/3) = 2141 mm

अधिकतम विक्षेप

δ_max = Pb(L² − b²)^3/2/(9√3·EIL) = 3.212 mm

उत्तर

δ_max = 3.212 mm

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 20.14 kN

ऑयलर बकलिंग: पतला स्तंभ P_cr = π²EI/(KL)² पर अस्थिर हो जाता है, जहाँ KL प्रभावी लंबाई है: पिन–पिन के लिए K = 1, जड़ित–मुक्त के लिए 2, जड़ित–पिन के लिए 0.7 और जड़ित–जड़ित के लिए 0.5। यह सबसे छोटे I वाली अक्ष के परितः मुड़ता है। सूत्र उन पतले स्तंभों के लिए मान्य है जिनका क्रांतिक प्रतिबल पराभव प्रतिबल से कम रहता है।

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

आयत अपनी कमज़ोर अक्ष के परितः, छोटी विमा के घन के साथ मुड़ता है।

I_min = h·b³/12 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 0.7·6000 = 4200 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·180000/4200² = 20142 N = 20.14 kN

उत्तर

P_cr = 20.14 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σ_cr = 111 MPa

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

गोल खंड का I हर अक्ष के परितः समान होता है।

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 2827 mm²

r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm

KL = 0.5·4000 = 2000 mm

KL/r = 2000/15 = 133.3

क्रांतिक प्रतिबल

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/133.3² = 111 MPa

उत्तर

σ_cr = 111 MPa

15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: θ = 12.92 °

Projectile motion: with no air resistance, x = v_xt and y = h + v_yt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

परास सूत्र

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·40/30² = 0.436

कोण

2θ = 25.85° → θ = 12.92°

उत्तर

θ = 12.92°

दूसरा हल 90° − θ = 77.08° है।

16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: α = 47.28 °

Projectile motion: with no air resistance, x = v_xt and y = h + v_yt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

v_x = 25·cos 25° = 22.66 m/s

v_y0 = 25·sin 25° = 10.57 m/s

टकराने पर ऊर्ध्वाधर चाल

ऊर्जा या ऊर्ध्वाधर दिशा में v² = v₀² + 2as।

v_y = √(10.57² + 2·9.81·25) = 24.54 m/s

टकराने का कोण

tan α = v_y/v_x = 24.54/22.66 → α = 47.28°

उत्तर

α = 47.28°

17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: W_f = 8.054 J

कार्य–ऊर्जा सिद्धांत: गतिज ऊर्जा में परिवर्तन सभी बलों द्वारा किए गए कार्य के बराबर है। गुरुत्व और स्प्रिंग को स्थितिज ऊर्जा (mgh और ½kx²) के रूप में लिखने से यह एक संतुलन बन जाता है: प्रारंभिक ऊर्जा = अंतिम ऊर्जा + घर्षण में खोई ऊर्जा (μN·d)।

घर्षण बल

N = mg·cos θ = 4.905·0.9659 = 4.738 N

F = μN = 0.1·4.738 = 0.4738 N

घर्षण के विरुद्ध कार्य

W_f = F·d = 0.4738·17 = 8.054 J

उत्तर

W_f = 8.054 J

18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 4.852 m/s

शीर्ष पर चाल

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(4.2 − 3) = 23.54 m²/s²

v = 4.852 m/s

उत्तर

v = 4.852 m/s

गाड़ी ठीक तब लूप पूरा करती है जब h = 2.5R; तब शीर्ष पर N = 0।

19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_d = 9.003 Hz

द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र का मुक्त कंपन: अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति rad/s में ω_n = √(k/m) है, और Hz में f_n = ω_n/(2π)। एक श्यान अवमंदक c अवमंदन अनुपात ζ = c/c_c देता है, जहाँ क्रांतिक अवमंदन c_c = 2·√(k·m) = 2·m·ω_n। अल्प-अवमंदित तंत्र (ζ < 1) ω_d = ω_n·√(1 − ζ²) पर दोलन करता है। समांतर में स्प्रिंग जुड़ते हैं, k = k₁ + k₂; श्रेणी में स्प्रिंग व्युत्क्रम के रूप में जुड़ते हैं, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂।

अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(40000/8) = 70.71 rad/s

f_n = 70.71/(2π) = 11.25 Hz

अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

f_d = f_n·√(1 − ζ²) = 11.25·√(1 − 0.6²) = 9.003 Hz

उत्तर

f_d = 9.003 Hz

20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_n = 8.219 Hz

तुल्य दृढ़ता

श्रेणी में स्प्रिंग समान बल साझा करते हैं और उनके विक्षेप जुड़ते हैं, इसलिए वे व्युत्क्रम के रूप में मिलते हैं: 1/k = 1/k₁ + 1/k₂।

1/k_eq = 1/40 + 1/20 → k_eq = 40·20/(40 + 20) = 13.33 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(13333/5) = 51.64 rad/s

f_n = 51.64/(2π) = 8.219 Hz

उत्तर

f_n = 8.219 Hz

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: W_max = 357.6 kJ

द्वितीय नियम की सीमाएँ: परम तापमान T_H और T_L वाले भंडारों के बीच कोई भी चक्र उत्क्रमणीय (कार्नो) चक्र से बेहतर नहीं हो सकता: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) और COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L)। ऊर्जा हमेशा संरक्षित रहती है: Q_H = W + Q_L।

परम तापमान

T_H = 275 + 273.15 = 548.1 K

T_L = 30 + 273.15 = 303.1 K

कार्नो दक्षता

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 303.1/548.1 = 44.7 %

अधिकतम कार्य

W_max = η_max·Q_H = 0.447·800 = 357.6 kJ

उत्तर

W_max = 357.6 kJ

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: T_m = 587.5 °C

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

परम तापमान

T_H = 1150 + 273.15 = 1423 K

T_L = 25 + 273.15 = 298.1 K

समान कार्य

W = Q·(1 − T_low/T_high) और Q/T हर भंडार पर समान है, इसलिए W तापमान गिरावट के समानुपाती है।

T_m = (1423 + 298.1)/2 = 860.7 K = 587.5 °C

उत्तर

T_m = 587.5 °C

23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: η = 62.08 %

डीज़ल चक्र (संपीडन-इग्निशन इंजन): 1→2 समएन्ट्रॉपिक संपीडन, 2→3 नियत दाब पर ऊष्मा का योग, 3→4 समएन्ट्रॉपिक प्रसार, 4→1 नियत आयतन पर ऊष्मा का निष्कासन। संपीडन अनुपात r = v₁/v₂ और कटऑफ़ अनुपात r_c = v₃/v₂ के साथ: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) और η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1))।

कटऑफ़ पद

(3^1.4 − 1)/(1.4·(3 − 1)) = 1.306

तापीय दक्षता

η = 1 − 0.2904·1.306 = 62.08%

उत्तर

η = 62.08%

24.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: η = 54.71 %

ब्रेटन चक्र (गैस टरबाइन): 1→2 समएन्ट्रॉपिक संपीडन, 2→3 नियत दाब पर ऊष्मा का योग, 3→4 टरबाइन में समएन्ट्रॉपिक प्रसार, 4→1 नियत दाब पर ऊष्मा का निष्कासन। दाब अनुपात r_p = P₂/P₁ के साथ: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k और η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k। शुद्ध कार्य w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]। समएन्ट्रॉपिक दक्षताओं के साथ संपीडक को w_s/η_c चाहिए और टरबाइन η_t·w_s देती है।

तापीय दक्षता

η = 1 − 1/16^0.2857 = 1 − 1/2.208 = 54.71%

उत्तर

η = 54.71%

25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 13.55 L/s

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

सांतत्य

v₁ = v₂·(60/100)² = 0.36·v₂

प्रवेश और कंठ के बीच बर्नूली

पाइप क्षैतिज है, इसलिए केवल दाब और वेग बदलते हैं।

p₁ − p₂ = ½ρv₂²(1 − β⁴)

v₂ = √(2·10000/(1000·(1 − 0.1296))) = 4.794 m/s

v₁ = 1.726 m/s

प्रवाह दर

Q = A₂·v₂ = 0.002827·4.794 = 0.01355 m³/s = 13.55 L/s

उत्तर

Q = 13.55 L/s

26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 6.268 L/s

सतह से जेट तक बर्नूली

v = √(2·(150000/1000 + 9.81·5)) = 19.95 m/s

प्रवाह दर

Q = A·v = 0.0003142·19.95 = 0.006268 m³/s = 6.268 L/s

उत्तर

Q = 6.268 L/s

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: h_f = 5.014 m

पाइप प्रवाह: रेनॉल्ड्स संख्या Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ स्तरीय प्रवाह (Re लगभग 2000 से कम) को विक्षुब्ध प्रवाह (लगभग 4000 से अधिक) से अलग करती है। पाइप के अनुदिश घर्षण से डार्सी–वाइसबाख शीर्ष हानि h_f = f·(L/D)·V²/(2g) होती है। फ़िटिंग, वाल्व, प्रवेश और निकास लघु हानियाँ h_m = ΣK·V²/(2g) जोड़ते हैं। दो खुले जलाशय सतहों के बीच ऊर्जा समीकरण Δz = h_f + h_m देता है, जिसमें निकास हानि K = 1 शामिल है।

औसत वेग

A = π·0.075²/4 = 0.004418 m²

V = Q/A = 0.003/0.004418 = 0.6791 m/s

वेग शीर्ष

V²/(2g) = 0.6791²/(2·9.81) = 0.0235 m

डार्सी–वाइसबाख

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(800/0.075)·0.6791²/(2·9.81) = 5.014 m

उत्तर

h_f = 5.014 m

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Δz = 1.704 m

वेग

V = Q/A = 0.12/0.07069 = 1.698 m/s

V²/(2g) = 0.1469 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.015·150/0.3 = 7.5

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 2 + 1.0 = 4.1

कुल शीर्ष हानि

h_f = 7.5·0.1469 = 1.102 m

h_m = 4.1·0.1469 = 0.6023 m

Δz = h_f + h_m = 1.704 m

उत्तर

Δz = 1.704 m

29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_shaft = 31.95 kW

पंप शक्ति: जल को दी गई शक्ति द्रवीय शक्ति P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp है। शाफ़्ट को अधिक देना पड़ता है क्योंकि पंप में कुछ हानि होती है: P_shaft = P_h/η_pump, और मोटर P_el = P_shaft/η_motor लेती है। पंप शीर्ष H ऊर्जा समीकरण से मिलता है: स्थैतिक उठान + दाब शीर्ष + सभी घर्षण और लघु हानियाँ।

द्रवीय शक्ति

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.03·76 = 22.37 kW

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = P_h/η = 22.37/0.7 = 31.95 kW

उत्तर

P_shaft = 31.95 kW

30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 15.71 m

वेग

V = Q/A = 0.05/0.03142 = 1.592 m/s

V²/(2g) = 0.1291 m

शीर्ष हानियाँ

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (44 + 8)·0.1291 = 6.713 m

पंप शीर्ष

दोनों सतहें खुली और लगभग विराम में हैं, इसलिए दाब और वेग पद हट जाते हैं।

H = Δz + h_L = 9 + 6.713 = 15.71 m

उत्तर

H = 15.71 m

31.ऊष्मा चालन

उत्तर: Q̇ = 334.5 W

तापीय प्रतिरोध: श्रेणी परतों से स्थिर ऊष्मा प्रवाह श्रेणी प्रतिरोधकों में धारा जैसा व्यवहार करता है: Q̇ = ΔT/ΣR, चालक परत के लिए R = L/(kA) और संवहन सतह के लिए R = 1/(hA)। हर परत पर तापमान पात उसके प्रतिरोध के अनुपात में होता है।

परत प्रतिरोध

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0.72·20) = 0.003472 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0.17·20) = 0.02941 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 11/0.03288 = 334.5 W

उत्तर

Q̇ = 334.5 W

32.ऊष्मा चालन

उत्तर: Q̇ = 233.7 W

श्रेणी प्रतिरोध

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7.7·15) = 0.008658 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0.17·15) = 0.07843 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0.035·15) = 0.04762 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·15) = 0.002222 K/W

ΣR = 0.1369 K/W

ऊष्मा हानि

Q̇ = (22 − (-10))/0.1369 = 233.7 W

उत्तर

Q̇ = 233.7 W

33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: T₁ = 10.94 N·m

गियर ट्रेन: परस्पर जुड़े गियरों के दाँतों पर चाल समान होती है, इसलिए n₁·N₁ = n₂·N₂: कम दाँतों वाला गियर तेज़ घूमता है। एक ही शाफ़्ट पर लगे गियर समान चाल से घूमते हैं। शक्ति आगे पहुँचती है (हानियों को घटाकर), इसलिए चाल घटने पर बलाघूर्ण बढ़ता है: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, और P = T·ω, जहाँ ω = 2π·n/60।

मोटर बलाघूर्ण

ω₁ = 2π·960/60 = 100.5 rad/s

T₁ = P/ω₁ = 1100/100.5 = 10.94 N·m

उत्तर

T₁ = 10.94 N·m

34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: θ = 167.4 °

पट्टा चालन: फिसलन के बिना दोनों घिरनियों की कोर की चाल समान होती है v = π·d·n/60, इसलिए n₁·d₁ = n₂·d₂ और गति अनुपात d₂/d₁ है। फिसलन s चालित घिरनी को थोड़ा धीमा कर देती है: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)। संचरित शक्ति P = (T₁ − T₂)·v है, जहाँ T₁ कसी हुई ओर का तनाव और T₂ ढीली ओर का। घर्षण तनावों के अनुपात को सीमित करता है: T₁/T₂ = e^μθ, जहाँ θ छोटी घिरनी पर लपेट कोण रेडियन में है; खुले पट्टे के लिए θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)), जहाँ C केंद्र दूरी है।

पट्टे का कोण

asin(0.1094) = 6.279°

लपेट कोण

θ = 180 − 2·6.279 = 167.4°

उत्तर

θ = 167.4°

35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: A = 5.2

लाप्लास रूपांतर: F(s) = ∫₀^∞ f(t)·e^−st dt अवकलजों को s से गुणा में बदल देता है: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)। मानक युग्म: 1 ↔ 1/s, e^−at ↔ 1/(s + a), t·e^−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), और विस्थापन s → s + σ समय फलन को e^−σt से गुणा करता है। परिमेय F(s) का प्रतिलोम लेने के लिए उसे आंशिक भिन्नों में बाँटें: सरल ध्रुव p का अवशेष A = [(s − p)·F(s)], s = p पर है। अंतिम मान प्रमेय: f(∞) = lim_s→0 s·F(s), केवल तभी मान्य जब s·F(s) के सभी ध्रुव बाएँ अर्ध-तल में हों। प्रारंभिक मान प्रमेय: f(0⁺) = lim_s→∞ s·F(s)।

हर का गुणनखंड करें

s² + 7s + 6 = (s + 1)(s + 6)

F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 6)

कवर-अप नियम

(s + 1) से गुणा करें और s = −1 रखें: B-पद लुप्त हो जाता है।

A = (4s + 30)/(s + 6) |_{s = −1} = 26/5 = 5.2

उत्तर

A = 5.2

(B = −1.2, इसलिए f(t) = 5.2·e^−t − 1.2·e^−6t)

36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.2) = 1.792

समीकरण का रूपांतर करें

Y(s) = 180/(s(s + 5)(s + 6))

आंशिक भिन्न

A = 180/(5·6) = 6

B = 180/((−5)·1) = −36

C = 180/((−6)·(−1)) = 30

निर्गम

y(t) = 6 − 36·e^−5t + 30·e^−6t

y(0.2) = 1.792

उत्तर

y(0.2) = 1.792

37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: T(0) = 0.5902

ब्लॉक-आरेख बीजगणित: श्रेणी में ब्लॉक गुणा होते हैं (G₁·G₂), समांतर में ब्लॉक जुड़ते हैं (G₁ + G₂), और अग्र पथ G तथा पुनर्निवेश पथ H वाला लूप ऋणात्मक पुनर्निवेश के लिए T = G/(1 + G·H) और धनात्मक पुनर्निवेश के लिए G/(1 − G·H) में सरल होता है। पहले भीतरी लूप सरल करें, फिर बाहर की ओर बढ़ें। संवृत-लूप ध्रुव अभिलाक्षणिक समीकरण 1 + G(s)H(s) = 0 के मूल हैं। स्थायी लूप के लिए आकार A का सोपान इनपुट स्थायी-अवस्था आउटपुट A·T(0) देता है; एकांक पुनर्निवेश के साथ सोपान के लिए स्थायी-अवस्था त्रुटि A/(1 + K_p) है, जहाँ K_p = G(0)।

भीतरी लूप

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 4/(s + 5 + 4·5) = 4/(s + 25)

बाहरी लूप

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 36/(s + 25 + 36) = 36/(s + 61)

परिणाम

T(0) = 36/61 = 0.5902

उत्तर

T(0) = 0.5902

38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: K_max = 324

अभिलाक्षणिक समीकरण

s³ + 12s² + 27s + K = 0

राउथ सारणी

s³ | 1 27

s² | 12 K

s¹ | (12·27 − K)/12

s⁰ | K

स्थायित्व सीमा

पहले स्तंभ की सभी प्रविष्टियाँ धनात्मक होनी चाहिए।

K_max = 12·27 = 324

उत्तर

K_max = 324

39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: t_s = 1.6 s

सोपान अनुक्रिया: एक प्रथम-कोटि तंत्र G(s) = K/(τs + 1) आकार U के सोपान का उत्तर y(t) = K·U·(1 − e^−t/τ) से देता है: यह एक समय स्थिरांक τ के बाद अंतिम मान K·U के 63.2 % और 4τ के बाद 98 % तक पहुँचता है। एक द्वितीय-कोटि तंत्र G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) के ध्रुव s = −ζωₙ ± jω_d हैं, जहाँ ω_d = ωₙ√(1 − ζ²)। 0 < ζ < 1 के लिए सोपान अनुक्रिया अतिलंघन करती है: प्रतिशत अतिलंघन %OS = 100·e^{−ζπ/√(1−ζ²)}, शिखर समय t_p = π/ω_d, और 2 % स्थिरीकरण समय t_s ≈ 4/(ζωₙ)। ωₙ और ζ पढ़ने के लिए हर की तुलना s² + 2ζωₙs + ωₙ² से करें। द्रव्यमान–स्प्रिंग–अवमंदक के लिए ωₙ = √(k/m) और ζ = c/(2√(km)); श्रेणी RLC परिपथ के लिए ωₙ = 1/√(LC) और ζ = (R/2)·√(C/L)।

मानक रूप से तुलना करें

हर s² + 2ζωₙs + ωₙ² से मेल खाना चाहिए।

ωₙ² = 53 → ωₙ = 7.28 rad/s

2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·7.28) = 0.3434

परिणाम

ζωₙ = 2.5 → t_s ≈ 4/2.5 = 1.6 s

उत्तर

t_s = 1.6 s

40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: ω_n = 4.341 rad/s

अवमंदन अनुपात

ζ = −ln(0.05)/√(π² + ln²(0.05)) = 2.996/√(9.87 + 8.974) = 0.6901

प्राकृतिक आवृत्ति

ω_d = π/t_p = π/1 = 3.142 rad/s

ωₙ = ω_d/√(1 − ζ²) = 3.142/0.7237 = 4.341 rad/s

उत्तर

ω_n = 4.341 rad/s

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: e_ss = 0.4

स्थायी-अवस्था त्रुटि: विवृत-लूप अंतरण फलन G(s) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप में त्रुटि E(s) = R(s)/(1 + G(s)) होती है, और अंतिम मान प्रमेय से e_ss = lim_s→0 s·E(s)। तंत्र का प्रकार G(s) के s = 0 पर ध्रुवों की संख्या है। त्रुटि स्थिरांक K_p = lim G(s), K_v = lim s·G(s) और K_a = lim s²·G(s) हैं, सभी s → 0 के लिए। आकार A का सोपान e_ss = A/(1 + K_p) देता है, रैंप A·t से A/K_v और परवलय A·t²/2 से A/K_a मिलता है। प्रकार-0 लूप सोपान का अनुसरण परिमित त्रुटि के साथ करता है, जबकि प्रकार-1 लूप उसका अनुसरण पूरी तरह करता है और रैंप का परिमित त्रुटि के साथ।

त्वरण स्थिरांक

K_a = 5·4/2 = 10

परवलय त्रुटि

e_ss = 4/10 = 0.4

उत्तर

e_ss = 0.4

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: K_i = 10

P, PI और PID नियंत्रण: नियंत्रक C(s) = K_p + K_i/s + K_d·s त्रुटि पर कार्य करता है। आनुपातिक लब्धि लूप को तेज़ बनाती है और प्रकार-0 संयंत्र की त्रुटि घटाती है, पर उसे कभी समाप्त नहीं करती। समाकल पद s = 0 पर एक ध्रुव जोड़ता है: तंत्र का प्रकार एक बढ़ जाता है, और सोपान का अनुसरण बिना त्रुटि के होता है। अवकल पद अवमंदन जोड़ता है। लब्धियाँ चुनने के लिए संवृत-लूप अभिलाक्षणिक बहुपद लिखिए और उसकी तुलना s² + 2ζω_ns + ω_n² से कीजिए। तब %OS = 100·e^{−ζπ/√(1−ζ²)}, t_p = π/ω_d, जहाँ ω_d = ω_n√(1 − ζ²), और t_s ≈ 4/(ζω_n)।

अभिलाक्षणिक बहुपद

1 + C(s)G(s) = 0, जिसे s(s + 4) से गुणा किया गया है।

s² + (4 + 10K_p)s + 10K_i

लक्ष्य बहुपद

s² + 2·1·10s + 10² = s² + 20s + 100

गुणांक मिलाइए

10K_i = 100 → K_i = 10

उत्तर

K_i = 10

समाकल पद लूप को प्रकार-1 बना देता है, इसलिए सोपान का अनुसरण स्थायी-अवस्था त्रुटि के बिना होता है।

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