FE Mechanical परीक्षा अभ्यास: क्रैम पैक

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

नए प्रश्न कोर्स पर वापस जाएँ

प्रिंट विंडो में “PDF के रूप में सहेजें” चुनें, ताकि एक प्रति आपके डिवाइस पर रहे।

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

सरल आलंबित बीम (A पर पिन, B पर रोलर) एक रैखिक रूप से बदलता भार वहन करता है जो A पर 8 kN/m से B पर शून्य तक घटता है। A से 0.5 m पर एक बिंदु भार P भी कार्य करता है। ऊर्ध्वाधर आलंब प्रतिक्रिया R_B ज्ञात कीजिए।

L = 6 mw₀ = 8 kN/mP = 35 kN पर 0.5 m

R_B = kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन

सरल आलंबित बीम में A पर पिन और B पर रोलर है। A से 3 m पर एक भार P क्षैतिज से 40° पर झुका हुआ कार्य करता है, और A से 5 m पर एक ऊर्ध्वाधर भार Q कार्य करता है। पिन A पर कुल प्रतिक्रिया बल R_A का परिमाण ज्ञात कीजिए।

L = 6 mP = 45 kN पर 3 m, θ = 40°Q = 30 kN पर 5 m

R_A = kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

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

P = 100 kNd = 30 mmL = 3 mE = 70 GPa

ε = µε

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

एक स्टील छड़ (व्यास 25 mm, E = 200 GPa, अनुमेय प्रतिबल 250 MPa) ताँबा की बनी नलिका (बाहरी व्यास 80 mm, भीतरी व्यास 50 mm, E = 120 GPa, अनुमेय प्रतिबल 100 MPa) के भीतर है। दोनों को दृढ़ प्लेटों के बीच साथ-साथ संपीडित किया जाता है। सबसे बड़ा भार P_max ज्ञात कीजिए।

छड़: Ø25 mm, E = 200 GPa, σ_allow = 250 MPaनलिका: Ø80/Ø50 mm, E = 120 GPa, σ_allow = 100 MPa

P_max = kN

5.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

1.2 m लंबा एक ठोस स्टील शाफ़्ट 200 N·m का बलाघूर्ण वहन करता है। उसके सिरों के बीच मरोड़ कोण 1.5° से अधिक नहीं होना चाहिए। इस सीमा को पूरा करने वाला सबसे छोटा व्यास d ज्ञात कीजिए।

T = 200 N·mL = 1.2 mG = 80 GPaφ_allow = 1.5°

d = mm

6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक खोखला शाफ़्ट 3000 rpm पर 100 kW संचारित करता है। शाफ़्ट में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

P = 100 kWN = 3000 rpmd_o = 75 mmd_i = 60 mm

τ_max = MPa

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

आलंब A से x = 5.5 m पर खंड में अपरूपण बल V_x ज्ञात कीजिए। नीचे के रेशों को खींचने वाले आघूर्ण और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण बल को धनात्मक लें।

L = 8 mw = 3 kN/m, 0 से 8 m तकx = 5.5 m

V_x = kN

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

आलंब A से x = 1 m पर खंड में बंकन आघूर्ण M_x ज्ञात कीजिए। नीचे के रेशों को खींचने वाले आघूर्ण और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण बल को धनात्मक लें।

L = 5 mP = 10 kN पर 1 mw = 5 kN/m, 0 से 5 m तकx = 1 m

M_x = kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 140 MPa, σᵧ = 20 MPa और τₓᵧ = −10 MPa है (तनन धनात्मक)। x-अक्ष से सबसे बड़े मुख्य प्रतिबल की दिशा तक का कोण θ_p, −90° और 90° के बीच, ज्ञात कीजिए।

σ_x = 140 MPaσ_y = 20 MPaτ_xy = −10 MPa

θ_p = °

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −50 MPa, σᵧ = 20 MPa और τₓᵧ = −60 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अपरूपण प्रतिबल τ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 30° वामावर्त घुमाया गया है (τₓᵧ की ही दिशा में धनात्मक)।

σ_x = −50 MPaσ_y = 20 MPaτ_xy = −60 MPaθ = 30°

τ_θ = MPa

11.बीम विक्षेपमध्यम

एक कैंटिलीवर अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w वहन करता है। मुक्त सिरे पर विक्षेप δ ज्ञात कीजिए।

w = 8 kN/mL = 1.5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)I = 23 × 10⁶ mm⁴

δ = mm

12.बीम विक्षेपकठिन

एक सरल आलंबित बीम आलंब B से b = 1 m पर बिंदु भार P वहन करता है। मध्य-विस्तार पर विक्षेप δ_mid ज्ञात कीजिए।

P = 6 kNb = 1 mL = 5 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)I = 12 × 10⁶ mm⁴

δ_mid = mm

13.स्तंभ बकलिंगमध्यम

एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक स्तंभ दोनों सिरों पर जड़ित है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार P_cr ज्ञात कीजिए।

L = 5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 60 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

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

L = 2.5 mE = 200 GPa (स्टील)d = 50 mm

σ_cr = MPa

15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद क्षैतिज से 45° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है और 150 m दूर गिरती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। प्रक्षेपण चाल v₀ ज्ञात कीजिए।

θ = 45°R = 150 mg = 9.81 m/s²

v₀ = m/s

16.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक गेंद 25 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से क्षैतिज से 30° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद के ज़मीन से टकराने से पहले तय की गई क्षैतिज दूरी x ज्ञात कीजिए।

v₀ = 17 m/sθ = 30°h = 25 mg = 9.81 m/s²

x = m

17.कार्य और ऊर्जामध्यम

एक खिलौना प्रक्षेपक में 1000 N/m कठोरता वाला ऊर्ध्वाधर स्प्रिंग है। उस पर 0.5 kg गेंद रखी जाती है और स्प्रिंग को 6 cm संपीडित करके छोड़ा जाता है। वायु प्रतिरोध और स्प्रिंग के द्रव्यमान को नगण्य मानते हुए वह ऊँचाई h ज्ञात कीजिए जिस तक गेंद उठती है, स्प्रिंग संपीडित होने पर उसकी स्थिति से मापकर।

m = 0.5 kgk = 1000 N/mx = 6 cmg = 9.81 m/s²

h = m

18.कार्य और ऊर्जाकठिन

2.5 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 1 m ऊँचाई से विराम से छोड़ा जाता है। नीचे वह 4 m लंबी खुरदरी क्षैतिज पट्टी (μ = 0.15) पार करता है और फिर चिकनी सतह पर एक स्प्रिंग (k = 800 N/m) से टकराता है। स्प्रिंग तक पहुँचने पर गुटके की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 2.5 kgh = 1 mL = 4 mμ = 0.15k = 800 N/mg = 9.81 m/s²

v = m/s

19.यांत्रिक कंपनमध्यम

एक अवमंदित द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र के मुक्त-कंपन परीक्षण में 20 mm के विस्थापन शिखर के 4 चक्र बाद 7.3 mm का शिखर आता है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

x₀ = 20 mmx₄ = 7.3 mmn = 4

ζ =

20.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 50 kg द्रव्यमान सिरे-से-सिरे जुड़े (श्रेणी में) दो स्प्रिंगों से लटका है: ऊपरी स्प्रिंग k₁ = 50 kN/m और निचला k₂ = 15 kN/m है। स्प्रिंग तंत्र की तुल्य दृढ़ता k_eq kN/m में ज्ञात कीजिए।

m = 50 kgk₁ = 50 kN/mk₂ = 15 kN/m

k_eq = kN/m

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक ऊष्मा इंजन 600 °C पर गर्म भंडार और 30 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। अधिकतम संभव तापीय दक्षता η_max ज्ञात कीजिए।

T_H = 600 °CT_L = 30 °C

η_max = %

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

एक ऊष्मा पंप बाहर 5 °C होने पर घर को 22 °C पर रखता है, और घर को 12 kW ऊष्मा देता है। न्यूनतम शक्ति निवेश Ẇ_min ज्ञात कीजिए।

T_H = 22 °CT_L = 5 °CQ̇_H = 12 kW

Ẇ_min = kW

23.गैस शक्ति चक्रमध्यम

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 22 और कटऑफ़ अनुपात r_c = v₃/v₂ = 2.5 है। संपीडन की शुरुआत में वायु 320 K पर 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)। ऊष्मा योग के अंत में तापमान T₃ K में ज्ञात कीजिए।

r = 22r_c = 2.5T₁ = 320 Kk = 1.4

T₃ = K

24.गैस शक्ति चक्रकठिन

एक गैस-टरबाइन संयंत्र 20 संपीडक दाब अनुपात वाले ब्रेटन चक्र पर चलता है। वायु 300 K पर संपीडक में और 1300 K पर टरबाइन में प्रवेश करती है। दोनों मशीनें समएन्ट्रॉपिक हैं। 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)। प्रति किलोग्राम वायु शुद्ध कार्य निर्गत w_net kJ/kg में ज्ञात कीजिए।

r_p = 20T₁ = 300 KT₃ = 1300 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी एक बड़ी खुली टंकी से 25 mm व्यास वाले तीक्ष्ण-धार छिद्र (ऑरिफ़िस) से निकलता है। जल स्तर छिद्र से 3 m ऊपर बनाए रखा जाता है और निस्सरण गुणांक 0.65 है। प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए। g = 9.81 m/s² लें।

d = 25 mmh = 3 mC_d = 0.65g = 9.81 m/s²

Q = L/s

26.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

पानी एक पाइप में ऊपर की ओर बहता है जो 100 mm से 75 mm तक संकरा होता है और 8 m ऊपर उठता है। खंड 1 पर दाब 260 kPa और वेग 1 m/s है। हानियाँ नगण्य मानकर खंड 2 पर दाब p₂ ज्ञात कीजिए।

d₁ = 100 mmd₂ = 75 mmp₁ = 260 kPav₁ = 1 m/sΔz = 8 mρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम

जल (ρ = 1000 kg/m³) 75 mm आंतरिक व्यास वाले 100 m लंबे क्षैतिज पाइप से 1.7 m/s पर बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.02 और g = 9.81 m/s² लें। पाइप पर दाब पात Δp kPa में ज्ञात कीजिए।

V = 1.7 m/sL = 100 mD = 75 mmf = 0.02ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन

दो खुले जलाशय 200 m लंबे, 250 mm आंतरिक व्यास और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.022 वाले पाइप से जुड़े हैं। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 3 मोड़ (हर एक K = 0.3), एक वाल्व (K = 5) और निचले जलाशय में निकास (K = 1.0)। g = 9.81 m/s² लें। जलाशयों के बीच जल स्तर का कितना अंतर Δz, 150 L/s की प्रवाह दर देता है?

Q = 150 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0.022K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×3)K_valve = 5K_exit = 1.0

Δz = m

29.पंप और पंप शक्तिमध्यम

एक पंप 34 m शीर्ष के विरुद्ध 20 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। पंप दक्षता 85% है और उसे चलाने वाली विद्युत मोटर की दक्षता 90% है। g = 9.81 m/s² लें। मोटर द्वारा ली गई विद्युत शक्ति P_el kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 20 L/sH = 34 mη_pump = 85%η_motor = 90%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

30.पंप और पंप शक्तिकठिन

एक पंप 120 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 6 m ऊँची है। पाइप 600 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 250 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 6 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। पंप दक्षता 72% है। शाफ़्ट शक्ति P_shaft kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 120 L/sΔz = 6 mL = 600 mD = 250 mmf = 0.015ΣK = 6η = 72%

P_shaft = kW

31.ऊष्मा चालनमध्यम

एक दीवार लकड़ी की 100 mm और काँच की 100 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 10 m²। बाहरी फलक 17 °C और -1 °C पर हैं। दोनों परतों के अंतरापृष्ठ पर तापमान T_i ज्ञात कीजिए।

L₁ = 100 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0.96 W/(m·K)A = 10 m²T₁ = 17 °CT₃ = -1 °C

T_i = °C

32.ऊष्मा चालनकठिन

200 mm लकड़ी और 150 mm काँच की दीवार 22 °C वाले कमरे को -2 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 10 W/(m²·K) और बाहर 30 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 12 m² है। दीवार की भीतरी सतह का तापमान T_s ज्ञात कीजिए।

L₁ = 200 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.96 W/(m·K)A = 12 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = -2 °C

T_s = °C

33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

2900 rpm पर चल रही एक 3 kW मोटर 30 दाँतों और 2.5 mm मॉड्यूल वाले पिनियन को चलाती है। पिनियन के दाँतों पर स्पर्शरेखीय बल F_t ज्ञात कीजिए।

P = 3 kWn = 2900 rpmN₁ = 30m = 2.5 mm

F_t = N

34.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक संयुक्त गियर ट्रेन में, 960 rpm पर घूम रहे निवेश शाफ़्ट पर लगा गियर A (30 दाँत) गियर B (50 दाँत) को चलाता है। गियर C (12 दाँत) B वाले शाफ़्ट पर ही लगा है और निर्गत शाफ़्ट पर लगे गियर D (16 दाँत) को चलाता है। निर्गत चाल n_out ज्ञात कीजिए।

n_in = 960 rpmA = 30B = 50C = 12D = 16

n_out = rpm

35.लाप्लास रूपांतरमध्यम

F(s) = (3s + 8)/(s² + 13s + 40)। इसका प्रतिलोम रूपांतर f(t) = A·e^−5t + B·e^−8t के रूप का है। आंशिक भिन्नों से गुणांक A ज्ञात कीजिए।

F(s) = (3s + 8)/(s² + 13s + 40)

A =

36.लाप्लास रूपांतरकठिन

लाप्लास रूपांतर से y(0) = 3 और y′(0) = 11 के साथ y″ + 8y′ + 15y = 0 हल कीजिए, और y(0.2) ज्ञात कीजिए।

y″ + 8y′ + 15y = 0y(0) = 3y′(0) = 11t = 0.2 s

y(0.2) =

37.ब्लॉक आरेखमध्यम

संयंत्र G(s) = K/(s(s + 2)) एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में है। वह लब्धि K ज्ञात कीजिए जिसके लिए संवृत लूप क्रांतिक अवमंदित है (दो बराबर वास्तविक ध्रुव)।

G(s) = K/(s(s + 2))एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश

K =

38.ब्लॉक आरेखकठिन

एक आनुपातिक नियंत्रक K एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में संयंत्र G(s) = 8/(s + 6) को चलाता है। R = 0 रहते हुए आकार 1 का विक्षोभ सोपान संयंत्र इनपुट पर प्रवेश करता है। वह न्यूनतम लब्धि K ज्ञात कीजिए जो स्थायी-अवस्था आउटपुट को 0.01333 या उससे कम रखे।

G(s) = 8/(s + 6)D = 1c_ss ≤ 0.01333

K =

39.सोपान अनुक्रियामध्यम

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 83/(s² + 13s + 83) 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) = 83/(s² + 13s + 83)

t_s = s

40.सोपान अनुक्रियाकठिन

R = 24 Ω, L = 20 mH और C = 22 µF वाला एक श्रेणी RLC परिपथ t = 0 पर 5 V सोपान से जोड़ा जाता है। सोपान से पहले संधारित्र अनावेशित है और कोई धारा नहीं बहती। पहले वोल्टता शिखर का समय t_p ms में ज्ञात कीजिए।

R = 24 ΩL = 20 mHC = 22 µFV = 5 V

t_p = ms

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम

एक एकांक पुनर्निवेश लूप में G(s) = K/((s + 1)(s + 5)) है। वह लब्धि K ज्ञात कीजिए जो सोपान निवेश के लिए 10 % की स्थायी-अवस्था त्रुटि दे।

G(s) = K/((s + 1)(s + 5))e_ss = 10 %

K =

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन

एक PI नियंत्रक C(s) = K_p + K_i/s संयंत्र G(s) = 5/(s + 1) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। संवृत-लूप में ωₙ = 3 rad/s और ζ = 0.8 होना चाहिए। समाकल लब्धि K_i ज्ञात कीजिए।

G(s) = 5/(s + 1)ωₙ = 3 rad/sζ = 0.8

K_i =

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = 10.92 kN

स्थैतिक संतुलन: विराम में पिंड के लिए ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 और किसी भी बिंदु के परितः ΣM = 0। हर वितरित भार को उसके परिणामी (उसका क्षेत्रफल) से बदलें जो भार आरेख के केंद्रक पर कार्य करता है, और किसी आलंब के परितः आघूर्ण लें ताकि उस आलंब की प्रतिक्रिया समीकरण से हट जाए।

त्रिभुजाकार भार का परिणामी

W = ½·8·6 = 24 kN

x̄ = L/3 = 2 m

संतुलन

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

ΣM_A = 0: R_B·6 = 24·2 + 35·0.5

R_B = 10.92 kN

R_A = 59 − 10.92 = 48.08 kN

उत्तर

R_B = 10.92 kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_A = 39.59 kN

P के घटक

P_v = 45·sin 40° = 28.93 kN

P_h = 45·cos 40° = 34.47 kN

प्रतिक्रियाएँ

ΣM_A = 0: R_B·6 = 28.93·3 + 30·5 → R_B = 39.46 kN

A_y = 28.93 + 30 − 39.46 = 19.46 kN

A_x = P_h = 34.47 kN

A पर परिणामी

R_A = √(34.47² + 19.46²) = 39.59 kN

उत्तर

R_A = 39.59 kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: ε = 2021 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 = 100·1000/706.9 = 141.5 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for एल्युमिनियम = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 141.5/70000 = 0.002021 = 2021 µε

उत्तर

ε = 2021 µε

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: P_max = 388.1 kN

दो पदार्थ: श्रेणी में (एक के बाद एक) हर खंड समान बल वहन करता है और विस्तार जुड़ते हैं: δ = P·Σ L/(E·A)। समानांतर में (दृढ़ प्लेटों के बीच अगल-बगल) दोनों भाग समान मात्रा से छोटे होते हैं, इसलिए उनके विकृति समान हैं: अधिक कठोर भाग बड़ा हिस्सा लेता है, P_i = P·E_iA_i/ΣEA, और σ_i = E_i·ε। दो दृढ़ दीवारों के बीच जकड़ी छड़, जिसके जोड़ पर भार लगा है, स्थैतिक रूप से अनिर्धार्य है: दोनों खंड भार को अपनी कठोरता k = EA/L के अनुपात में बाँटते हैं।

क्षेत्रफल

A_r = π·25²/4 = 490.9 mm²

A_t = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

संयुक्त अक्षीय कठोरता

ΣEA = 200·10³·490.9 + 120·10³·3063 = 4.657 × 10⁸ N

निर्धारक विकृति

ε = min(0.00125, 0.0008333) = 0.0008333 (ताँबा)

सबसे बड़ा भार

P_max = 0.0008333·4.657 × 10⁸ = 388118 N = 388.1 kN

उत्तर

P_max = 388.1 kN

5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d = 32.87 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।

आवश्यक ध्रुवीय आघूर्ण

T = 200 N·m = 200000 N·mm

L = 1.2 m = 1200 mm

G = 80 GPa = 80000 MPa

φ = 1.5·π/180 = 0.02618 rad

J = TL/(Gφ) = 200000·1200/(80000·0.02618) = 114592 mm⁴

व्यास

d = (32J/π)^1/4 = 32.87 mm

उत्तर

d = 32.87 mm

व्यवहार में आप अगले मानक आकार तक पूर्णांकित करेंगे।

6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: τ_max = 6.509 MPa

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s

T = P/ω = 100000/314.2 = 318.3 N·m

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π(75⁴ − 60⁴)/32 = 1.834 × 10⁶ mm⁴

अधिकतम अपरूपण प्रतिबल

τ_max = T·(d_o/2)/J = 318310·37.5/1.834 × 10⁶ = 6.509 MPa

उत्तर

τ_max = 6.509 MPa

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: V_x = −4.5 kN

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।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 3·8 = 24 kN, x̄ = 4 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·8 = 3·8·4

R_B = 96/8 = 12 kN

ΣF_y = 0: R_A = 24 − 12 = 12 kN

x = 5.5 m पर काटें और बायाँ भाग रखें

केवल कट के बाईं ओर के बल आते हैं। वितरित भार का एक हिस्सा उस हिस्से के मध्य में एक बल की तरह कार्य करता है।

V = R_A − (कट के बाईं ओर सभी नीचे की ओर भार)

V_x = 12 − 3·5.5 = −4.5 kN

उत्तर

V_x = −4.5 kN

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 18 kN·m

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 5·5 = 25 kN, x̄ = 2.5 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·5 = 10·1 + 5·5·2.5

R_B = 72.5/5 = 14.5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 35 − 14.5 = 20.5 kN

x = 1 m पर काटें और बायाँ भाग रखें

M = R_A·x − (कट के बाईं ओर हर भार × कट से उसकी दूरी)

M_x = 20.5·1 − 5·1·0.5 = 18 kN·m

उत्तर

M_x = 18 kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: θ_p = −4.731 °

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।

वृत्त पर कोण

मोर वृत्त पर बिंदु x, σ-अक्ष से 2θp कोण पर होता है; चतुर्थांश σₓ − σᵧ और τₓᵧ के चिह्नों से तय होता है।

2θ_p = atan2(2·−10, 140 − 20) = −9.462°

अवयव पर कोण

θ_p = −4.731°

उत्तर

θ_p = −4.731°

धनात्मक कोण वामावर्त होते हैं।

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_θ = 0.3109 MPa

रूपांतरण समीकरण

τ_θ = −−35·0.866 + −60·0.5 = 0.3109 MPa

उत्तर

τ_θ = 0.3109 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ = 3.144 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 = 8 N/mm, L = 1500 mm

EI = 1.61 × 10¹² N·mm²

विक्षेप

δ = wL⁴/(8EI) = 8·1500⁴/(8·1.61 × 10¹²) = 3.144 mm

उत्तर

δ = 3.144 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_mid = 67.23 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 = 6000 N, b = 1000 mm, L = 5000 mm

EI = 1.32 × 10¹¹ N·mm²

मध्य विक्षेप

δ_mid = Pb(3L² − 4b²)/(48EI) = 6000·1000·(3·5000² − 4·1000²)/(48·1.32 × 10¹¹) = 67.23 mm

उत्तर

δ_mid = 67.23 mm

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 70.32 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

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

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 0.5·5000 = 2500 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·70000·636173/2500² = 70322 N = 70.32 kN

उत्तर

P_cr = 70.32 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σ_cr = 12.34 MPa

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

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

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 1963 mm²

r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12.5 mm

KL = 2·2500 = 5000 mm

KL/r = 5000/12.5 = 400

क्रांतिक प्रतिबल

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/400² = 12.34 MPa

उत्तर

σ_cr = 12.34 MPa

15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: v₀ = 38.36 m/s

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 को v₀ के लिए हल करें

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·150/sin 90°) = 38.36 m/s

उत्तर

v₀ = 38.36 m/s

16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: x = 48.36 m

प्रक्षेप्य गति: वायु प्रतिरोध के बिना x = v_xt और y = h + v_yt − ½gt²। दोनों दिशाएँ स्वतंत्र हैं, सिवाय इसके कि उनका समय एक ही है।

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

क्षैतिज वेग स्थिर रहता है; ऊर्ध्वाधर गति का नीचे की ओर स्थिर त्वरण g = 9.81 m/s² है।

v_x = v₀·cos θ = 17·cos 30° = 14.72 m/s

v_y = v₀·sin θ = 17·sin 30° = 8.5 m/s

उड़ान का समय

y(t) = h + v_y·t − ½gt² = 0 को धनात्मक मूल के लिए हल करें।

0 = 25 + 8.5·t − 4.905·t²

t = (v_y + √(v_y² + 2gh))/g = (8.5 + √(72.25 + 490.5))/9.81 = 3.285 s

क्षैतिज दूरी

x = v_x·t = 14.72·3.285 = 48.36 m

उत्तर

x = 48.36 m

17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: h = 0.367 m

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)।

स्प्रिंग ऊर्जा

x = 6 cm = 0.06 m

½kx² = ½·1000·0.06² = 1.8 J

ऊँचाई

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N

h = ½kx²/(mg) = 1.8/4.905 = 0.367 m

उत्तर

h = 0.367 m

18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 2.801 m/s

खुरदरी पट्टी के बाद शेष ऊर्जा

रैम्प चिकना है, इसलिए केवल पट्टी ऊर्जा हटाती है।

mgh − μmgL = 24.53·(1 − 0.15·4) = 9.81 J

स्प्रिंग पर चाल

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·0.4) = 2.801 m/s

उत्तर

v = 2.801 m/s

19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: ζ = 0.04007

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।

लघुगणकीय ह्रास

δ = (1/4)·ln(20/7.3) = 0.252

अवमंदन अनुपात

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.252/√(39.48 + 0.06349) = 0.04007

उत्तर

ζ = 0.04007

20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: k_eq = 11.54 kN/m

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 = 1/50 + 1/15 → k_eq = 50·15/(50 + 15) = 11.54 kN/m

उत्तर

k_eq = 11.54 kN/m

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: η_max = 65.28 %

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 = 600 + 273.15 = 873.1 K

T_L = 30 + 273.15 = 303.1 K

कार्नो दक्षता

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 303.1/873.1 = 65.28 %

उत्तर

η_max = 65.28 %

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Ẇ_min = 0.6912 kW

परम तापमान

T_H = 22 + 273.15 = 295.1 K

T_L = 5 + 273.15 = 278.1 K

सर्वोत्तम संभव COP

COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L) = 295.1/(295.1 − 278.1) = 17.36

न्यूनतम शक्ति

सबसे कम कार्य उत्क्रमणीय मशीन को चाहिए, जिसका COP सबसे अधिक है।

Ẇ_min = Q̇_H/COP = 12/17.36 = 0.6912 kW

उत्तर

Ẇ_min = 0.6912 kW

23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: T₃ = 2755 K

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))।

संपीडन का अंत

T₂ = 320·22^0.4 = 1102 K

नियत दाब पर ऊष्मा का योग

T₃ = r_c·T₂ = 2.5·1102 = 2755 K

उत्तर

T₃ = 2755 K

24.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: w_net = 343.3 kJ/kg

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।

समएन्ट्रॉपिक तापमान

T₂ = 300·20^0.2857 = 706.1 K

T₄ = 1300/20^0.2857 = 552.4 K

संपीडक और टरबाइन कार्य

w_c = 1.005·(706.1 − 300) = 408.1 kJ/kg

w_t = 1.005·(1300 − 552.4) = 751.4 kJ/kg

शुद्ध कार्य

w_net = 751.4 − 408.1 = 343.3 kJ/kg

उत्तर

w_net = 343.3 kJ/kg

बैक-वर्क अनुपात: w_c/w_t = 54.31%।

25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 2.448 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.

आदर्श जेट वेग

√(2gh) = √(2·9.81·3) = 7.672 m/s

वास्तविक प्रवाह दर

निस्सरण गुणांक जेट के संकुचन और किनारे पर घर्षण को ध्यान में रखता है।

Q = C_d·A·√(2gh) = 0.65·0.0004909·7.672 = 0.002448 m³/s = 2.448 L/s

उत्तर

Q = 2.448 L/s

26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: p₂ = 180.4 kPa

सांतत्य और बर्नूली: असंपीड्य तरल के लिए हर खंड पर प्रवाह दर समान है, Q = A₁v₁ = A₂v₂। बिना हानि के धारारेखा के साथ p + ½ρv² + ρgz स्थिर रहता है, इसलिए जहाँ तरल तेज़ या ऊँचा हो वहाँ उसका दाब कम होता है।

सांतत्य और बर्नूली

Pa में काम करें, फिर kPa पाने के लिए 1000 से भाग दें।

v₂ = v₁·(d₁/d₂)² = 1·(100/75)² = 1.778 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(1² − 1.778²)/1000 = −1.08 kPa

ρgΔz = 1000·9.81·8/1000 = 78.48 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) − ρgΔz = 260 + (−1.08) − 78.48 = 180.4 kPa

उत्तर

p₂ = 180.4 kPa

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Δp = 38.53 kPa

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।

शीर्ष हानि

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(100/0.075)·1.7²/(2·9.81) = 3.928 m

दाब पात

पाइप क्षैतिज है और वेग नहीं बदलता, इसलिए ऊर्जा समीकरण Δp = ρ·g·h_f बन जाता है।

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9.81·3.928 = 38533 Pa = 38.53 kPa

उत्तर

Δp = 38.53 kPa

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Δz = 11.9 m

वेग

V = Q/A = 0.15/0.04909 = 3.056 m/s

V²/(2g) = 0.4759 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.022·200/0.25 = 17.6

ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 5 + 1.0 = 7.4

कुल शीर्ष हानि

h_f = 17.6·0.4759 = 8.376 m

h_m = 7.4·0.4759 = 3.522 m

Δz = h_f + h_m = 11.9 m

उत्तर

Δz = 11.9 m

29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_el = 8.72 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 = 1000·9.81·0.02·34 = 6.671 kW

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = 6.671/0.85 = 7.848 kW

विद्युत शक्ति

P_el = 7.848/0.9 = 8.72 kW

उत्तर

P_el = 8.72 kW

30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_shaft = 30.73 kW

वेग

V = Q/A = 0.12/0.04909 = 2.445 m/s

V²/(2g) = 0.3046 m

शीर्ष हानियाँ

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (36 + 6)·0.3046 = 12.79 m

पंप शीर्ष

H = Δz + h_L = 6 + 12.79 = 18.79 m

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.12·18.79/0.72 = 30.73 kW

उत्तर

P_shaft = 30.73 kW

31.ऊष्मा चालन

उत्तर: T_i = 1.708 °C

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) = (100/1000)/(0.17·10) = 0.05882 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0.96·10) = 0.01042 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 18/0.06924 = 260 W

अंतरापृष्ठ तापमान

पहली परत में तापमान Q̇·R₁ घटता है।

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 17 − 260·0.05882 = 1.708 °C

उत्तर

T_i = 1.708 °C

32.ऊष्मा चालन

उत्तर: T_s = 20.36 °C

श्रेणी प्रतिरोध

R_i = 1/(h_iA) = 1/(10·12) = 0.008333 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0.17·12) = 0.09804 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.96·12) = 0.01302 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·12) = 0.002778 K/W

ΣR = 0.1222 K/W

ऊष्मा हानि

Q̇ = (22 − (-2))/0.1222 = 196.4 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 22 − 196.4·0.008333 = 20.36 °C

उत्तर

T_s = 20.36 °C

33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: F_t = 263.4 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: F_t = 2T/d.

पिनियन पर बलाघूर्ण

ω = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s

T = P/ω = 3000/303.7 = 9.879 N·m

पिच व्यास

d = m·N = 2.5·30 = 75 mm

स्पर्शरेखीय बल

F_t = 2T/d = 2·9.879/0.075 = 263.4 N

उत्तर

F_t = 263.4 N

34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n_out = 432 rpm

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।

पहला चरण

n_B = 960·30/50 = 576 rpm = n_C

दूसरा चरण

n_out = 576·12/16 = 432 rpm

उत्तर

n_out = 432 rpm

कुल अनुपात = 2.222 : 1

35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: A = −2.333

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 + 13s + 40 = (s + 5)(s + 8)

F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 8)

कवर-अप नियम

(s + 5) से गुणा करें और s = −5 रखें: B-पद लुप्त हो जाता है।

A = (3s + 8)/(s + 8) |_{s = −5} = −7/3 = −2.333

उत्तर

A = −2.333

(B = 5.333, इसलिए f(t) = −2.333·e^−5t + 5.333·e^−8t)

36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.2) = 3.456

समीकरण का रूपांतर करें

s²Y − 3s − 11 + 8(sY − 3) + 15Y = 0

Y(s) = (3s + 35)/((s + 3)(s + 5))

आंशिक भिन्न

A = 26/2 = 13

B = 20/(−2) = −10

परिणाम

y(t) = 13·e^−3t − 10·e^−5t

y(0.2) = 3.456

उत्तर

y(0.2) = 3.456

जाँच: y(0) = A + B = 3।

37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: K = 1

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)।

अभिलाक्षणिक समीकरण

1 + K/(s(s + 2)) = 0 → s² + 2s + K = 0

दोहराया गया मूल

द्विघात s² + βs + γ का द्विक मूल तब होता है जब β² = 4γ।

2² = 4K → K = 4/4 = 1

उत्तर

K = 1

तब दोनों संवृत-लूप ध्रुव s = −1 पर हैं।

38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: K = 74.25

विक्षोभ अनुक्रिया

c_ss = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 1·8/(6 + 8K)

K के लिए हल करें

6 + 8K = 1·8/0.01333 = 600

K = (600 − 6)/8 = 74.25

उत्तर

K = 74.25

39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: t_s = 0.6154 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 = 83 → ωₙ = 9.11 rad/s

2ζωₙ = 13 → ζ = 13/(2·9.11) = 0.7135

परिणाम

ζωₙ = 6.5 → t_s ≈ 4/6.5 = 0.6154 s

उत्तर

t_s = 0.6154 s

40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: t_p = 2.272 ms

प्राकृतिक आवृत्ति और अवमंदन अनुपात

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.02·2.2 × 10⁻⁵) = 1508 rad/s

ζ = (R/2)·√(C/L) = (24/2)·√(2.2 × 10⁻⁵/0.02) = 0.398

परिणाम

ω_d = 1383 rad/s

t_p = π/ω_d = 2.272 ms

उत्तर

t_p = 2.272 ms

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: K = 45

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।

आवश्यक त्रुटि स्थिरांक

1/(1 + K_p) = 0.1 → K_p = 9

लब्धि

K/5 = 9 → K = 45

उत्तर

K = 45

संवृत-लूप स्थायित्व भी जाँचिए: इस द्वितीय-कोटि लूप के लिए कोई भी K > 0 स्थायी है।

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: K_i = 1.8

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 + 1) से गुणा किया गया है।

s² + (1 + 5K_p)s + 5K_i

लक्ष्य बहुपद

s² + 2·0.8·3s + 3² = s² + 4.8s + 9

गुणांक मिलाइए

5K_i = 9 → K_i = 1.8

उत्तर

K_i = 1.8

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

यह स्वतंत्र अभ्यास सामग्री है। ExamProblems इस परीक्षा को संचालित करने वाले संगठन से संबद्ध या उसके द्वारा समर्थित नहीं है, और परीक्षा का नाम केवल सामग्री का वर्णन करने के लिए उपयोग किया गया है। FE exam परीक्षा NCEES द्वारा आयोजित की जाती है, जो ExamProblems से संबद्ध नहीं है और उसका समर्थन नहीं करता।

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-mechanical