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

L = 4 mP₁ = 45 kN पर 1.5 mP₂ = 10 kN पर 3 m

R_B = kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन

कैंटिलीवर बीम A पर दीवार में स्थिर है। यह एक रैखिक रूप से बदलता भार वहन करता है जो दीवार पर 15 kN/m है और मुक्त सिरे B पर शून्य तक घटता है, साथ ही दीवार से 3 m पर एक बिंदु भार P। दीवार पर प्रतिक्रिया आघूर्ण M_A का परिमाण ज्ञात कीजिए।

L = 10 mw₀ = 15 kN/mP = 60 kN पर 3 m

M_A = kN·m

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

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

P = 50 kNd = 12 mmL = 2 mE = 100 GPa

ε = µε

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

एक स्टील खंड (व्यास 20 mm, लंबाई 500 mm, E = 200 GPa) और काँसा का बना खंड (व्यास 50 mm, लंबाई 500 mm, E = 110 GPa) सिरे से सिरा जोड़कर दो दृढ़ दीवारों के बीच जकड़े हैं। जोड़ पर खंड 2 की ओर 80 kN का अक्षीय भार लगता है। खंड 2 में प्रतिबल σ₂ का परिमाण ज्ञात कीजिए।

खंड 1: स्टील, Ø20 mm, 500 mm, E = 200 GPaखंड 2: काँसा, Ø50 mm, 500 mm, E = 110 GPaP = 80 kN

σ₂ = MPa

5.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

एक सोपानी ठोस एल्युमिनियम शाफ़्ट A पर स्थिर है। खंड AB का व्यास 60 mm और लंबाई 0.5 m है; खंड BC का व्यास 50 mm और लंबाई 0.8 m है। मुक्त सिरे C पर 200 N·m का बलाघूर्ण कार्य करता है। शाफ़्ट में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

T = 200 N·md₁ = 60 mm, L₁ = 0.5 md₂ = 50 mm, L₂ = 0.8 m

τ_max = MPa

6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक ठोस शाफ़्ट को 3000 rpm पर 15 kW संचारित करना है, बिना अपरूपण प्रतिबल के 40 MPa से अधिक हुए। उपयुक्त सबसे छोटा व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 15 kWN = 3000 rpmτ_allow = 40 MPa

d = mm

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

आलंब A से x = 4.5 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 = 6 mw = 12 kN/m, 0 से 6 m तकx = 4.5 m

M_x = kN·m

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

सरल आलंबित बीम अपने पूरे विस्तार पर समान वितरित भार w और एक बिंदु भार P वहन करता है। बीम में अधिकतम बंकन आघूर्ण M_max ज्ञात कीजिए।

L = 4 mP = 10 kN पर 2.5 mw = 2 kN/m, 0 से 4 m तक

M_max = kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 70 MPa, σᵧ = 50 MPa और τₓᵧ = −10 MPa है (तनन धनात्मक)। तल में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

σ_x = 70 MPaσ_y = 50 MPaτ_xy = −10 MPa

τ_max = MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 10 MPa, σᵧ = −80 MPa और τₓᵧ = −10 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अभिलंब प्रतिबल σ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 45° दक्षिणावर्त घुमाया गया है।

σ_x = 10 MPaσ_y = −80 MPaτ_xy = −10 MPaθ = -45°

σ_θ = 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 = 4 kN/mL = 5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)I = 57 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

12.बीम विक्षेपकठिन

एक टेकयुक्त कैंटिलीवर A पर स्थिर है और B पर सरल आलंबित (टेक लगा) है। यह मध्य-विस्तार पर बिंदु भार P वहन करता है। EI स्थिर है। स्थिर सिरे पर बंकन आघूर्ण M_A का परिमाण ज्ञात कीजिए।

L = 5 mP = 40 kN पर 2.5 m

M_A = kN·m

13.स्तंभ बकलिंगमध्यम

एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर मुक्त है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार P_cr ज्ञात कीजिए।

L = 2.5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)b × h = 50 × 60 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

स्टील से बना L लंबाई का एक ठोस गोल स्तंभ दोनों सिरों पर जड़ित है। इसे बकलिंग के विरुद्ध 2 के सुरक्षा गुणक के साथ 85 kN वहन करना है। न्यूनतम व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 85 kNn = 2L = 4 mE = 200 GPa (स्टील)

d = mm

15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद 28 m/s से प्रक्षेपित की जाती है और उसे 45 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 = 28 m/sR = 45 mg = 9.81 m/s²

θ = °

16.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक 60 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 28 m/s से क्षैतिज से 45° 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 = 28 m/sθ = 45°h = 60 mg = 9.81 m/s²

α = °

17.कार्य और ऊर्जामध्यम

एक 800 kg कार 3° की ढलान पर स्थिर 36 km/h से ऊपर चढ़ती है। वायु प्रतिरोध और लोटनिक प्रतिरोध मिलकर 600 N हैं। पहियों द्वारा दी जाने वाली आवश्यक शक्ति P, kW में ज्ञात कीजिए।

m = 800 kgθ = 3°F_r = 600 Nv = 36 km/hg = 9.81 m/s²

P = kW

18.कार्य और ऊर्जाकठिन

एक 20 kg गुटका 30° की ढलान के तल पर विराम से शुरू होता है और ढलान के समांतर 185 N के स्थिर बल से ऊपर खींचा जाता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.2 है। ढलान पर 6 m ऊपर चलने के बाद गुटके की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 20 kgF = 185 Nθ = 30°μ = 0.2d = 6 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

19.यांत्रिक कंपनमध्यम

एक अवमंदित द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र के मुक्त-कंपन परीक्षण में 12 mm के विस्थापन शिखर के 2 चक्र बाद 1.8 mm का शिखर आता है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

x₀ = 12 mmx₂ = 1.8 mmn = 2

ζ =

20.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 20 kg द्रव्यमान अगल-बगल (समांतर में) दो स्प्रिंगों से लटका है, जिनकी दृढ़ताएँ k₁ = 10 kN/m और k₂ = 80 kN/m हैं। द्रव्यमान समतल रहता है। स्प्रिंग तंत्र की तुल्य दृढ़ता k_eq kN/m में ज्ञात कीजिए।

m = 20 kgk₁ = 10 kN/mk₂ = 80 kN/m

k_eq = kN/m

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक उत्क्रमणीय (कार्नो) ऊष्मा इंजन 700 °C वाले भंडार से प्रति चक्र 2300 kJ ऊष्मा लेता है और 669 kJ त्यागता है। ठंडे भंडार का तापमान T_L °C में ज्ञात कीजिए।

T_H = 700 °CQ_H = 2300 kJQ_L = 669 kJ

T_L = °C

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

एक ऊष्मा पंप बाहर 7 °C होने पर घर को 20 °C पर रखता है, और घर को 5 kW ऊष्मा देता है। न्यूनतम शक्ति निवेश Ẇ_min ज्ञात कीजिए।

T_H = 20 °CT_L = 7 °CQ̇_H = 5 kW

Ẇ_min = kW

23.गैस शक्ति चक्रमध्यम

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 19 और कटऑफ़ अनुपात r_c = v₃/v₂ = 2 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 = 19r_c = 2k = 1.4

η = %

24.गैस शक्ति चक्रकठिन

एक गैस-टरबाइन संयंत्र 16 संपीडक दाब अनुपात वाले ब्रेटन चक्र पर चलता है। वायु 290 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 = 16T₁ = 290 KT₃ = 1300 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी 11 L/s की दर से एक क्षैतिज पाइप में बहता है जो 200 mm से 100 mm तक संकरा होता है। संकरे भाग में दाब 260 kPa है। हानियों को नगण्य मानते हुए चौड़े भाग में दाब p₁ ज्ञात कीजिए।

Q = 11 L/sd₁ = 200 mmd₂ = 100 mmp₂ = 260 kPaρ = 1000 kg/m³

p₁ = kPa

26.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

पानी एक पाइप में ऊपर की ओर बहता है जो 150 mm से 100 mm तक संकरा होता है और 4 m ऊपर उठता है। खंड 1 पर दाब 170 kPa और वेग 2.75 m/s है। हानियाँ नगण्य मानकर खंड 2 पर दाब p₂ ज्ञात कीजिए।

d₁ = 150 mmd₂ = 100 mmp₁ = 170 kPav₁ = 2.75 m/sΔz = 4 mρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम

जल 250 mm आंतरिक व्यास वाले 150 m लंबे पाइप से 60 L/s पर बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.025 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि h_f ज्ञात कीजिए।

Q = 60 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²

h_f = m

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन

200 mm आंतरिक व्यास (डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.022) वाला 200 m लंबा पाइप एक खुले जलाशय से निकलता है और वायु में मुक्त जेट के रूप में निकास करता है। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 2 मोड़ (हर एक K = 0.3) और एक वाल्व (K = 2)। g = 9.81 m/s² लें। 100 L/s की प्रवाह दर के लिए जलाशय की सतह पाइप निकास से कितनी H ऊपर होनी चाहिए?

Q = 100 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0.022K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 2

H = m

29.पंप और पंप शक्तिमध्यम

85% दक्षता वाला एक पंप 28 m शीर्ष के विरुद्ध 100 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 = 100 L/sH = 28 mη = 85%g = 9.81 m/s²

P_shaft = kW

30.पंप और पंप शक्तिकठिन

एक पंप 20 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 21 m ऊँची है। पाइप 200 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 100 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.02 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 = 20 L/sΔz = 21 mL = 200 mD = 100 mmf = 0.02ΣK = 8

H = m

31.ऊष्मा चालनमध्यम

एक दीवार खनिज ऊन की 100 mm और ईंट की 75 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 8 m²। बाहरी फलक 15 °C और 4 °C पर हैं। दीवार से ऊष्मा प्रवाह Q̇ ज्ञात कीजिए।

L₁ = 100 mm, k₁ = 0.04 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0.72 W/(m·K)A = 8 m²T₁ = 15 °CT₃ = 4 °C

Q̇ = W

32.ऊष्मा चालनकठिन

100 mm लकड़ी और 25 mm विस्तारित पॉलीस्टाइरीन की दीवार 20 °C वाले कमरे को 0 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 6 W/(m²·K) और बाहर 20 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 8 m² है। दीवार से ऊष्मा हानि Q̇ ज्ञात कीजिए।

L₁ = 100 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0.035 W/(m·K)A = 8 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = 0 °C

Q̇ = W

33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

4 स्टार्ट वाला एक वर्म 2900 rpm पर घूमता है और 50 दाँतों वाले वर्म व्हील को चलाता है। व्हील की चाल n_w ज्ञात कीजिए।

z = 4N_w = 50n = 2900 rpm

n_w = rpm

34.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक खुला पट्टा 400 mm की घिरनी को 80 mm की चालक घिरनी से, जो 2880 rpm पर है, जोड़ता है; केंद्र 500 mm दूर हैं। घर्षण गुणांक 0.25 है और कसी हुई ओर का तनाव 600 N से अधिक नहीं हो सकता। पट्टा बिना फिसले जो सबसे बड़ी शक्ति P संचरित कर सकता है, kW में ज्ञात कीजिए (अपकेंद्री प्रभाव अनदेखा करें)।

d₁ = 80 mmn₁ = 2880 rpmd₂ = 400 mmC = 500 mmμ = 0.25T₁ = 600 N

P = kW

35.लाप्लास रूपांतरमध्यम

आंशिक भिन्नों से F(s) = 10/(s(s + 3)(s + 6)) के लिए f(t) ज्ञात कीजिए, और f(0.2) का मान निकालिए।

F(s) = 10/(s(s + 3)(s + 6))t = 0.2 s

f(0.2) =

36.लाप्लास रूपांतरकठिन

एक तंत्र y″ + 7y′ + 10y = 10·u(t) का पालन करता है, जहाँ y(0) = 4 और y′(0) = 0। t = 0 पर एक सोपान इनपुट u(t) = 5 लगाया जाता है। लाप्लास रूपांतर से y(0.4) ज्ञात कीजिए।

y″ + 7y′ + 10y = 10·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.4 s

y(0.4) =

37.ब्लॉक आरेखमध्यम

एक एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में G(s) = 7(s + 7)/((s + 1)(s + 4)) है। संदर्भ पर आकार 1 का सोपान लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था त्रुटि e_ss ज्ञात कीजिए।

G(s) = 7(s + 7)/((s + 1)(s + 4))R = 1

e_ss =

38.ब्लॉक आरेखकठिन

संयंत्र G(s) = 56/(s(s + 6)) सेंसर लब्धि H = 2 वाले ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में है। संवृत-लूप ध्रुव सम्मिश्र हैं। उनका काल्पनिक भाग ω_d (धनात्मक मान) rad/s में ज्ञात कीजिए।

G(s) = 56/(s(s + 6))H = 2

ω_d = rad/s

39.सोपान अनुक्रियामध्यम

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 7/(s² + s + 7) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। ध्रुव s = σ ± jω_d हैं। वास्तविक भाग σ ज्ञात कीजिए।

G(s) = 7/(s² + s + 7)

σ =

40.सोपान अनुक्रियाकठिन

एक एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में G(s) = 260/(s(s + 6)) है। t_s ≈ 4/(ζωₙ) का उपयोग करके संवृत-लूप सोपान अनुक्रिया का 2 % स्थिरीकरण समय t_s ज्ञात कीजिए।

G(s) = 260/(s(s + 6))

t_s = s

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम

एक प्रक्रम G(s) = 5/(10s + 1) को एकांक पुनर्निवेश लूप में आनुपातिक लब्धि K = 20 से नियंत्रित किया जाता है। सोपान के लिए स्थायी-अवस्था त्रुटि e_ss ज्ञात कीजिए, सोपान के आकार के प्रतिशत के रूप में।

G(s) = 5/(10s + 1)K = 20

e_ss = %

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन

एक PI नियंत्रक C(s) = K_p + K_i/s संयंत्र G(s) = 4/(s + 2) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। संवृत-लूप में ωₙ = 3 rad/s और ζ = 1 होना चाहिए। आनुपातिक लब्धि K_p ज्ञात कीजिए।

G(s) = 4/(s + 2)ωₙ = 3 rad/sζ = 1

K_p =

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = 24.38 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।

ΣM_A = 0: R_B·4 = 45·1.5 + 10·3

R_B = 97.5/4 = 24.38 kN

ΣF_y = 0: R_A = 55 − 24.38 = 30.63 kN

उत्तर

R_B = 24.38 kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: M_A = 430 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।

त्रिभुजाकार भार का परिणामी

W = ½·15·10 = 75 kN

x̄ = L/3 = 3.333 m

दीवार के परितः आघूर्ण

M_A = W·x̄ + P·a = 75·3.333 + 60·3 = 430 kN·m

उत्तर

M_A = 430 kN·m

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: ε = 4421 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·12²/4 = 113.1 mm²

σ = P/A = 50·1000/113.1 = 442.1 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for पीतल = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 442.1/100000 = 0.004421 = 4421 µε

उत्तर

ε = 4421 µε

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: σ₂ = 31.56 MPa

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।

कठोरताएँ

k₁ = 200000·314.2/500 = 125664 N/mm

k₂ = 110000·1963/500 = 431969 N/mm

खंड 2 का हिस्सा

F₂ = 80000·431969/557633 = 61972 N

प्रतिबल

σ₂ = 61972/1963 = 31.56 MPa (संपीडन)

उत्तर

σ₂ = 31.56 MPa

5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: τ_max = 8.149 MPa

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।

हर खंड में प्रतिबल

T = 200 N·m = 200000 N·mm

τ_AB = 16·200000/(π·60³) = 4.716 MPa

τ_BC = 16·200000/(π·50³) = 8.149 MPa

उत्तर

τ_max = 8.149 MPa

6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d = 18.25 mm

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s

T = P/ω = 15000/314.2 = 47.75 N·m

अनुमेय प्रतिबल से व्यास

d = ∛(16T/(π·τ_allow)) = ∛(16·47746/(π·40)) = 18.25 mm

उत्तर

d = 18.25 mm

व्यवहार में आप अगले मानक आकार तक पूर्णांकित करेंगे।

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 40.5 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।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 12·6 = 72 kN, x̄ = 3 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·6 = 12·6·3

R_B = 216/6 = 36 kN

ΣF_y = 0: R_A = 72 − 36 = 36 kN

x = 4.5 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।

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

M_x = 36·4.5 − 12·4.5·2.25 = 40.5 kN·m

उत्तर

M_x = 40.5 kN·m

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_max = 13.13 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 = 2·4 = 8 kN, x̄ = 2 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·4 = 10·2.5 + 2·4·2

R_B = 41/4 = 10.25 kN

ΣF_y = 0: R_A = 18 − 10.25 = 7.75 kN

V = 0 कहाँ है?

V(2.5⁻) = R_A − w·2.5 = 2.75 kN

V(2.5⁺) = 2.75 − 10 = −7.25 kN

भार पर अपरूपण का चिह्न बदलता है, इसलिए अधिकतम भार के नीचे है।

अधिकतम आघूर्ण

M_max = R_A·2.5 − w·2.5²/2 = 7.75·2.5 − 2·2.5²/2 = 13.13 kN·m

उत्तर

M_max = 13.13 kN·m

यह A से x = 2.5 m पर होता है।

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_max = 14.14 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 = √(((70 − 50)/2)² + −10²) = 14.14 MPa

उत्तर

τ_max = 14.14 MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_θ = −25 MPa

रूपांतरण समीकरण

σ_θ = −35 + 45·0 + −10·−1 = −25 MPa

उत्तर

σ_θ = −25 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_max = 8.158 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।

w = 4 N/mm, L = 5000 mm

EI = 3.99 × 10¹² N·mm²

विक्षेप

δ_max = 5wL⁴/(384EI) = 5·4·5000⁴/(384·3.99 × 10¹²) = 8.158 mm

उत्तर

δ_max = 8.158 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: M_A = 37.5 kN·m

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)। स्थैतिक रूप से अनिर्धार्य बीम के लिए एक अतिरिक्त (रिडंडेंट) आलंब हटाएँ और वहाँ विक्षेप को शून्य रखें (संगतता)।

टेक हटाएँ

टेक के बिना बीम एक कैंटिलीवर है। उसका मुक्त सिरा भार के नीचे विक्षेपित होगा।

δ_load = P(L/2)²(3L − L/2)/(6EI) = 5PL³/(48EI)

टेक पर संगतता

अकेला टेक बल R_B मुक्त सिरे को R_BL³/(3EI) ऊपर उठाता है। टेक B को शून्य विक्षेप पर रखता है, इसलिए दोनों को एक-दूसरे को निरस्त करना होगा। EI कट जाता है।

R_B·L³/(3EI) = 5PL³/(48EI) → R_B = 5P/16 = 5·40/16 = 12.5 kN

स्थिर सिरे पर आघूर्ण

भारों और टेक बल के A के परितः आघूर्ण।

M_A = P·L/2 − R_B·L = 100 − 62.5 = 37.5 kN·m

उत्तर

M_A = 37.5 kN·m

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 17.27 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 = 60·50³/12 = 625000 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 2·2500 = 5000 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·70000·625000/5000² = 17272 N = 17.27 kN

उत्तर

P_cr = 17.27 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: d = 51.47 mm

आवश्यक क्रांतिक भार

P_cr = n·P = 2·85000 = 170000 N

KL = 0.5·4000 = 2000 mm

व्यास के लिए हल करें

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·170000·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 51.47 mm

उत्तर

d = 51.47 mm

जाँच: तनुता KL/r = 155.4 है, इसलिए स्तंभ पतला है और ऑयलर लागू होता है।

15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: θ = 17.13 °

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 = 9.81·45/28² = 0.5631

कोण

2θ = 34.27° → θ = 17.13°

उत्तर

θ = 17.13°

दूसरा हल 90° − θ = 72.87° है।

16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: α = 63.44 °

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 = 28·cos 45° = 19.8 m/s

v_y0 = 28·sin 45° = 19.8 m/s

टकराने पर ऊर्ध्वाधर चाल

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

v_y = √(19.8² + 2·9.81·60) = 39.61 m/s

टकराने का कोण

tan α = v_y/v_x = 39.61/19.8 → α = 63.44°

उत्तर

α = 63.44°

17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: P = 10.11 kW

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)। शक्ति बल गुणा चाल है: P = F·v।

चालक बल

m·g = 800·9.81 = 7848 N

mg·sin θ = 7848·sin 3° = 410.7 N

F = 410.7 + 600 = 1011 N

शक्ति

v = 36/3.6 = 10 m/s

P = F·v = 1011·10 = 10107 W = 10.11 kW

उत्तर

P = 10.11 kW

18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 5.635 m/s

ढलान के अनुदिश बल

m·g = 20·9.81 = 196.2 N

mg·sin θ = 98.1 N

μ·mg·cos θ = 33.98 N

कार्य–ऊर्जा

½mv² = (185 − 132.1)·6 = 317.5 J

v = √(2·317.5/20) = 5.635 m/s

उत्तर

v = 5.635 m/s

19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: ζ = 0.1493

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 = (1/2)·ln(12/1.8) = 0.9486

अवमंदन अनुपात

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.9486/√(39.48 + 0.8998) = 0.1493

उत्तर

ζ = 0.1493

20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: k_eq = 90 kN/m

तुल्य दृढ़ता

अगल-बगल के स्प्रिंग विक्षेप साझा करते हैं और उनके बल जुड़ते हैं, इसलिए उनकी दृढ़ताएँ सीधे जुड़ती हैं: k = k₁ + k₂।

k_eq = 10 + 80 = 90 kN/m

उत्तर

k_eq = 90 kN/m

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: T_L = 9.91 °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.

स्रोत का परम तापमान

T_H = 700 + 273.15 = 973.1 K

उत्क्रमणीय ऊष्मा अनुपात

T_L = T_H·Q_L/Q_H = 973.1·669/2300 = 283.1 K = 9.91 °C

उत्तर

T_L = 9.91 °C

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Ẇ_min = 0.2217 kW

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 = 20 + 273.15 = 293.1 K

T_L = 7 + 273.15 = 280.1 K

सर्वोत्तम संभव COP

COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L) = 293.1/(293.1 − 280.1) = 22.55

न्यूनतम शक्ति

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

Ẇ_min = Q̇_H/COP = 5/22.55 = 0.2217 kW

उत्तर

Ẇ_min = 0.2217 kW

23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: η = 63.95 %

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

(2^1.4 − 1)/(1.4·(2 − 1)) = 1.171

तापीय दक्षता

η = 1 − 0.308·1.171 = 63.95%

उत्तर

η = 63.95%

24.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: w_net = 362.7 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 = 290·16^0.2857 = 640.4 K

T₄ = 1300/16^0.2857 = 588.7 K

संपीडक और टरबाइन कार्य

w_c = 1.005·(640.4 − 290) = 352.1 kJ/kg

w_t = 1.005·(1300 − 588.7) = 714.8 kJ/kg

शुद्ध कार्य

w_net = 714.8 − 352.1 = 362.7 kJ/kg

उत्तर

w_net = 362.7 kJ/kg

बैक-वर्क अनुपात: w_c/w_t = 49.26%।

25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: p₁ = 260.9 kPa

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.

वेग

v₁ = Q/A₁ = 0.011/0.03142 = 0.3501 m/s

v₂ = Q/A₂ = 0.011/0.007854 = 1.401 m/s

बर्नूली

p₁ = p₂ + ½ρ(v₂² − v₁²) = 260 + ½·1000·(1.401² − 0.3501²)/1000 = 260 + 0.9195 = 260.9 kPa

उत्तर

p₁ = 260.9 kPa

26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: p₂ = 115.4 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 = 2.75·(150/100)² = 6.188 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(2.75² − 6.188²)/1000 = −15.36 kPa

ρgΔz = 1000·9.81·4/1000 = 39.24 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) − ρgΔz = 170 + (−15.36) − 39.24 = 115.4 kPa

उत्तर

p₂ = 115.4 kPa

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: h_f = 1.142 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·0.25²/4 = 0.04909 m²

V = Q/A = 0.06/0.04909 = 1.222 m/s

वेग शीर्ष

V²/(2g) = 1.222²/(2·9.81) = 0.07615 m

डार्सी–वाइसबाख

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(150/0.25)·1.222²/(2·9.81) = 1.142 m

उत्तर

h_f = 1.142 m

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: H = 13.48 m

वेग

V = Q/A = 0.1/0.03142 = 3.183 m/s

V²/(2g) = 0.5164 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.022·200/0.2 = 22

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 2 = 3.1

ऊर्जा समीकरण

निकास जेट अभी भी अपना वेग शीर्ष वहन करता है; यह हानि नहीं है, पर इसे देना पड़ता है।

H = (1 + 22 + 3.1)·0.5164 = 13.48 m

उत्तर

H = 13.48 m

29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_shaft = 32.32 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 = 1000·9.81·0.1·28 = 27.47 kW

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = P_h/η = 27.47/0.85 = 32.32 kW

उत्तर

P_shaft = 32.32 kW

30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 36.86 m

वेग

V = Q/A = 0.02/0.007854 = 2.546 m/s

V²/(2g) = 0.3305 m

शीर्ष हानियाँ

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (40 + 8)·0.3305 = 15.86 m

पंप शीर्ष

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

H = Δz + h_L = 21 + 15.86 = 36.86 m

उत्तर

H = 36.86 m

31.ऊष्मा चालन

उत्तर: Q̇ = 33.79 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) = (100/1000)/(0.04·8) = 0.3125 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0.72·8) = 0.01302 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 11/0.3255 = 33.79 W

उत्तर

Q̇ = 33.79 W

32.ऊष्मा चालन

उत्तर: Q̇ = 105.3 W

श्रेणी प्रतिरोध

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·8) = 0.02083 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (100/1000)/(0.17·8) = 0.07353 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0.035·8) = 0.08929 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·8) = 0.00625 K/W

ΣR = 0.1899 K/W

ऊष्मा हानि

Q̇ = (20 − (0))/0.1899 = 105.3 W

उत्तर

Q̇ = 105.3 W

33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n_w = 232 rpm

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

व्हील की चाल

n_w = n·z/N_w = 2900·4/50 = 232 rpm

उत्तर

n_w = 232 rpm

34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: P = 3.354 kW

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।

लपेट कोण

θ = 2.49 rad

ढीली ओर का तनाव

e^μθ = e^0.6225 = 1.864, T₂ = 600/1.864 = 321.9 N

शक्ति

P = (600 − 321.9)·12.06 = 3.354 kW

उत्तर

P = 3.354 kW

35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: f(0.2) = 0.1131

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)।

आंशिक भिन्न

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 6)

A = 10/(3·6) = 0.5556

B = 10/((−3)·3) = −1.111

C = 10/((−6)·(−3)) = 0.5556

प्रतिलोम रूपांतर

f(t) = 0.5556 − 1.111·e^−3t + 0.5556·e^−6t

मान निकालें

f(0.2) = 0.5556 − 1.111·e^−3·0.2 + 0.5556·e^−6·0.2 = 0.1131

उत्तर

f(0.2) = 0.1131

36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.4) = 4.341

समीकरण का रूपांतर करें

(s² + 7s + 10)·Y(s) = 4s + 28 + 50/s

Y(s) = (4s² + 28s + 50)/(s(s + 2)(s + 5))

आंशिक भिन्न

A = 50/(2·5) = 5

B = 10/((−2)·3) = −1.667

C = 10/((−5)·(−3)) = 0.6667

परिणाम

y(t) = 5 − 1.667·e^−2t + 0.6667·e^−5t

y(0.4) = 4.341

उत्तर

y(0.4) = 4.341

जाँच: y(0) = A + B + C = 4।

37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: e_ss = 0.07547

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)।

स्थिति त्रुटि स्थिरांक

Kₚ = G(0) = 7·7/(1·4) = 12.25

स्थायी-अवस्था त्रुटि

e_ss = A/(1 + Kₚ) = 1/(1 + 12.25) = 0.07547

उत्तर

e_ss = 0.07547

38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: ω_d = 10.15 rad/s

अभिलाक्षणिक समीकरण

s(s + 6) + 56·2 = 0 → s² + 6s + 112 = 0

मूल

s = −3 ± j·√(112 − 9) = −3 ± j10.15

ω_d = 10.15 rad/s

उत्तर

ω_d = 10.15 rad/s

39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: σ = −0.5

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 = 7 → ωₙ = 2.646 rad/s

2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2.646) = 0.189

परिणाम

σ = −ζωₙ = −1/2 = −0.5

उत्तर

σ = −0.5

40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: t_s = 1.333 s

संवृत-लूप अंतरण फलन

T(s) = 260/(s² + 6s + 260): ωₙ = 16.12 rad/s, ζ = 0.1861

स्थिरीकरण समय

ζωₙ = 6/2 = 3

t_s ≈ 4/(ζωₙ) = 1.333 s

उत्तर

t_s = 1.333 s

इस लूप के लिए K जो भी हो, ζωₙ = a/2: K बढ़ाने से अतिलंघन बढ़ता है पर स्थिरीकरण समय छोटा नहीं होता।

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: e_ss = 0.9901 %

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।

स्थिति स्थिरांक

K_p = 20·5 = 100

सोपान त्रुटि

e_ss = 100/(1 + 100) = 0.9901 %

उत्तर

e_ss = 0.9901 %

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: K_p = 1

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 + 2) से गुणा किया गया है।

s² + (2 + 4K_p)s + 4K_i

लक्ष्य बहुपद

s² + 2·1·3s + 3² = s² + 6s + 9

गुणांक मिलाइए

2 + 4K_p = 6 → K_p = 1

उत्तर

K_p = 1

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