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
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
एकसमान भार
परिणामी w·L भार के मध्य में
आघूर्ण
M = F·d

विधि

  1. मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ और हर आलंब को उसकी प्रतिक्रियाओं से बदलें।
  2. हर वितरित भार को उसके केंद्रक पर एक अकेले बल से बदलें।
  3. एक आलंब के परितः आघूर्ण लेकर दूसरे की प्रतिक्रिया ज्ञात करें।
  4. शेष प्रतिक्रिया ज्ञात करने के लिए ΣFy = 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
εT = 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

  1. ध्रुवीय क्षेत्र आघूर्ण ज्ञात करें: ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32।
  2. सतह पर अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J, जहाँ r बाहरी त्रिज्या है।
  3. ऐंठन कोण: रेडियन में φ = TL/(GJ)।
  4. 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/ymax
सरल आधारित, एकसमान भार
Mmax = wL²/8

विधि

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

मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

केंद्र
C = (σx + σy)/2
त्रिज्या
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
मुख्य प्रतिबल
σ1,2 = C ± R
मुख्य दिशा
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
झुका हुआ तल
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

विधि

  1. मोर वृत्त का केंद्र निकालें: C = (σx + σy)/2।
  2. त्रिज्या निकालें: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)।
  3. मुख्य प्रतिबल C ± R हैं और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है।
  4. 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
Pcr = π²EI/(KL)²
प्रभावी लंबाई गुणांक
K = 1 पिन–पिन, 0.5 स्थिर–स्थिर, 0.7 स्थिर–पिन, 2 स्थिर–मुक्त
क्रांतिक प्रतिबल
σcr = Pcr/A
पतलापन अनुपात
λ = KL/r, r = √(I/A)

प्रक्षेप्य गति

घटक
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
स्थिति
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
अधिकतम ऊँचाई
H = h + vy²/(2g)
परास (समतल भूमि)
R = v0²·sin 2θ/g

विधि

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

कार्य और ऊर्जा

गतिज ऊर्जा
Ek = ½mv²
स्थितिज ऊर्जा
Ep = mgh
ऊर्जा संतुलन
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
घर्षण का कार्य
W = μ·N·d
शक्ति
P = W/t

यांत्रिक कंपन

प्राकृतिक आवृत्ति
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
स्थैतिक विक्षेप से
ωn = √(g/δst)
क्रांतिक अवमंदन
cc = 2√(km) = 2mωn
अवमंदन अनुपात
ζ = c/cc
अवमंदित आवृत्ति
ωd = ωn√(1 − ζ²)
लघुगणकीय ह्रास
δ = (1/n)·ln(x0/xn), 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/QH = 1 − QC/QH
कार्नो दक्षता
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
रेफ्रिजरेटर का COP
COPR = QC/W
हीट पंप का COP
COPHP = QH/W = COPR + 1
ऊर्जा संतुलन
QH = W + QC

गैस शक्ति चक्र

समएन्ट्रॉपिक, आयतन अनुपात
T2/T1 = rk−1
समएन्ट्रॉपिक, दाब अनुपात
T2/T1 = rp(k−1)/k
ऑटो दक्षता
η = 1 − 1/rk−1
डीज़ल दक्षता
η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
ब्रेटन दक्षता
η = 1 − 1/rp(k−1)/k
दी गई ऊष्मा
ऑटो: cv(T3 − T2) डीज़ल, ब्रेटन: cp(T3 − T2)
ब्रेटन शुद्ध कार्य
w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
समएन्ट्रॉपिक दक्षताएँ
wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
ठंडी वायु
k = 1.4, cp = 1.005, cv = 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
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
लघु हानियाँ
hm = ΣK·V²/(2g)
K के सामान्य मान
प्रवेश 0.5, निकास 1.0, 90° मोड़ ≈ 0.3
दाब पात
Δp = ρ·g·hf
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
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
शाफ़्ट शक्ति
Pshaft = Ph/ηpump
विद्युत शक्ति
Pel = Pshaft/ηmotor
पंप शीर्ष
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
तंत्र हानियाँ
hL = (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 = ΔTtotal/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
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
सोपान A
ess = A/(1 + Kp)
रैंप A·t
ess = A/Kv
परवलय A·t²/2
ess = A/Ka
PID नियंत्रक
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
द्वितीय-कोटि लक्ष्य
s² + 2ζωns + ωn²
अतिलंघन और समय
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

विधि

  1. विवृत-लूप C(s)·G(s) के s = 0 पर ध्रुव गिनिए: वही तंत्र का प्रकार है।
  2. निवेश से मेल खाने वाला त्रुटि स्थिरांक निकालिए: सोपान के लिए Kp, रैंप के लिए Kv, परवलय के लिए Ka।
  3. ess = A/(1 + Kp), A/Kv या A/Ka लगाइए, या जिस लब्धि की आपको ज़रूरत है उसके लिए इसे हल कीजिए।
  4. 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
P = 60 kNM = 20 kN·mABRB​ = ?0.5 m4.5 m1 m

सरल आलंबित बीम में A पर पिन और B पर रोलर है। यह A से 5 m पर बिंदु भार P और A से 0.5 m पर एक वामावर्त बलयुग्म M वहन करता है। ऊपर की ओर को धनात्मक लेते हुए ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया RB ज्ञात कीजिए।

L = 6 mP = 60 kN पर 5 mM = 20 kN·m (वामावर्त) पर 0.5 m
RB = kN
2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन
w = 8 kN/mP = 40 kNABCRB​ = ?1 m3 m1 m3 m

बीम में A पर पिन और A से 5 m पर B पर रोलर है, और यह B से आगे मुक्त सिरे C तक ओवरहैंग करता है। यह A से 1 m पर बिंदु भार P और 4 m से 8 m पर मुक्त सिरे तक समान वितरित भार w वहन करता है। ऊपर की ओर को धनात्मक लेते हुए ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया RB ज्ञात कीजिए।

AB = 5 mAC = 8 mP = 40 kN पर 1 mw = 8 kN/m, 4 से 8 m तक
RB = kN
3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम
P = ?12600 mm200 mmØ40Ø60δ = 0.2 mm

एक छड़ स्टील के खंड (व्यास 40 mm, लंबाई 600 mm, E = 200 GPa) से बनी है, जो एल्युमिनियम के बने खंड (व्यास 60 mm, लंबाई 200 mm, E = 70 GPa) से सिरे से सिरा जोड़कर जुड़ा है। वह एक सिरे पर स्थिर है और दूसरे पर खींची जाती है। वह अक्षीय भार P ज्ञात कीजिए जो उसे कुल 0.2 mm खींचता है।

खंड 1: स्टील, Ø40 mm, 600 mm, E = 200 GPaखंड 2: एल्युमिनियम, Ø60 mm, 200 mm, E = 70 GPaδ = 0.2 mm
P = kN
4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन
Ø 25 mmस्टील2 mØ 20 mmएल्युमिनियम1 mP = 15 kN

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

P = 15 kNखंड 1: Ø25 mm, 2 m, स्टील (E = 200 GPa)खंड 2: Ø20 mm, 1 m, एल्युमिनियम (E = 70 GPa)
δ = mm
5.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम
d1​ = 60 mmd2​ = 50 mmT = 100 N·mABC0.5 m1.5 m

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 1.5 m है। मुक्त सिरे C पर 100 N·m का बलाघूर्ण कार्य करता है। सिरे C का मरोड़ कोण φC डिग्री में ज्ञात कीजिए।

T = 100 N·md1 = 60 mm, L1 = 0.5 md2 = 50 mm, L2 = 1.5 mG = 26 GPa
φC = °
6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन
do​ = ?75 kW, 1000 rpm

एक खोखले शाफ़्ट को 1000 rpm पर 75 kW संचारित करना है। इसका भीतरी व्यास इसके बाहरी व्यास का 0.5 गुना होना है, और अपरूपण प्रतिबल 80 MPa से अधिक नहीं होना चाहिए। सबसे छोटा बाहरी व्यास do ज्ञात कीजिए।

P = 75 kWN = 1000 rpmdi/do = 0.5τallow = 80 MPa
do = mm
7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम
P1​ = 15 kNP2​ = 55 kNAB4 m3 m1 m

सरल आलंबित बीम दो बिंदु भार वहन करता है। बीम में अधिकतम बंकन आघूर्ण Mmax ज्ञात कीजिए।

L = 8 mP1 = 15 kN पर 4 mP2 = 55 kN पर 7 m
Mmax = kN·m
8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन
12 kN/m40 kN35 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

चिह्न A से G धरन को छह बराबर भागों में बाँटते हैं। किस चिह्न पर बंकन आघूर्ण परिमाण में सबसे बड़ा है, अधोमुखी या ऊर्ध्वमुखी? उसे आरेख में क्लिक करें।

40 kN @ 6 m35 kN @ 2 m12 kN/m, 0–5 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम
σx​ = 100σy​ = 60τxy​ = −40MPa

एक बिंदु पर σₓ = 100 MPa, σᵧ = 60 MPa और τₓᵧ = −40 MPa है (तनन धनात्मक)। अवयव को 25° वामावर्त घुमाया जाता है। घुमाए गए अवयव के उन फलकों पर अभिलंब प्रतिबल σy′ ज्ञात कीजिए जो घुमाई गई y′-अक्ष के लंबवत हैं।

σx = 100 MPaσy = 60 MPaτxy = −40 MPaθ = 25°
σy′ = MPa
10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन
σx​ = −10σy​ = −40τxy​ = 40MPa

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −10 MPa, σᵧ = −40 MPa और τₓᵧ = 40 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अभिलंब प्रतिबल σθ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 25° वामावर्त घुमाया गया है।

σx = −10 MPaσy = −40 MPaτxy = 40 MPaθ = 25°
σθ = MPa
11.बीम विक्षेपमध्यम
w = 8 kN/mABθ5 m

एक सरल आलंबित बीम अपने पूरे विस्तार पर समान वितरित भार w वहन करता है। आलंब A पर बीम की प्रवणता θA रेडियन में ज्ञात कीजिए।

w = 8 kN/mL = 5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)I = 12 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
12.बीम विक्षेपकठिन
w = 1.5 kN/mABδ4.5 m

आयताकार खंड वाला एक सरल आलंबित लकड़ी का बीम, 125 mm चौड़ा, अपने पूरे विस्तार पर समान वितरित भार w वहन करता है। उसका मध्य विक्षेप विस्तार/300 से अधिक नहीं हो सकता। खंड की न्यूनतम गहराई hreq ज्ञात कीजिए।

w = 1.5 kN/mL = 4.5 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)b = 125 mm
hreq = mm
13.स्तंभ बकलिंगमध्यम
PL = 2.5 m50 × 80 mmअनुप्रस्थ काट

एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक स्तंभ दोनों सिरों पर पिन किया हुआ है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार Pcr ज्ञात कीजिए।

L = 2.5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
14.स्तंभ बकलिंगकठिन
PL = 4 md = 25 mmअनुप्रस्थ काट

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

L = 4 mE = 200 GPa (स्टील)d = 25 mm
σcr = MPa
15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम
10 my = ?v0​ = 24 m/s30°

समतल ज़मीन से एक गेंद को 24 m/s से क्षैतिज से 30° ऊपर 10 m दूर एक दीवार की ओर किक मारी जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। गेंद किस ऊँचाई y पर दीवार से गुज़रती है?

v₀ = 24 m/sθ = 30°x = 10 mg = 9.81 m/s²
y = m
16.प्रक्षेप्य गतिकठिन
h = 45 mv0​ = 23 m/s25°v = ?

एक 45 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 23 m/s से क्षैतिज से 25° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। वह चाल v ज्ञात कीजिए जिससे यह ज़मीन से टकराती है।

v₀ = 23 m/sθ = 25°h = 45 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
17.कार्य और ऊर्जामध्यम
40°d = 6 mμ = 0.3

एक गुटका क्षैतिज से 40° पर झुकी ढलान पर विराम से फिसलता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.3 है। ढलान के साथ 6 m फिसलने के बाद उसकी चाल v ज्ञात कीजिए।

θ = 40°μ = 0.3d = 6 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
18.कार्य और ऊर्जाकठिन
h = 2 mL = 2.5 mμ = 0.3k = 5000 N/m

4 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 2 m ऊँचाई से विराम से छोड़ा जाता है। नीचे वह 2.5 m लंबी खुरदरी क्षैतिज पट्टी (μ = 0.3) पार करता है और फिर चिकनी सतह पर एक स्प्रिंग (k = 5000 N/m) से टकराता है। स्प्रिंग तक पहुँचने पर गुटके की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 4 kgh = 2 mL = 2.5 mμ = 0.3k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
19.यांत्रिक कंपनमध्यम
k = 40 kN/mζ = 0.7m = 100 kg

40 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग पर एक 100 kg द्रव्यमान के साथ एक श्यान अवमंदक है जो 0.7 का अवमंदन अनुपात देता है। इसके मुक्त कंपन की अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति fd Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 100 kgk = 40 kN/mζ = 0.7
fd = Hz
20.यांत्रिक कंपनकठिन
k1​ = 80k2​ = 30m = 25 kg

एक 25 kg द्रव्यमान अगल-बगल (समांतर में) दो स्प्रिंगों से लटका है, जिनकी दृढ़ताएँ k₁ = 80 kN/m और k₂ = 30 kN/m हैं। द्रव्यमान समतल रहता है। अवमंदन और स्प्रिंगों के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति fn Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 25 kgk1 = 80 kN/mk2 = 30 kN/m
fn = Hz
21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम
TH​ = 225 °CTL​ = 25 °CEQH​ = 4300 kJQL​W = ?

एक ऊष्मा इंजन 225 °C पर गर्म भंडार और 25 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। यह 4300 kJ ऊष्मा लेता है। यह अधिकतम कितना कार्य Wmax उत्पन्न कर सकता है, ज्ञात कीजिए।

TH = 225 °CTL = 25 °CQH = 4300 kJ
Wmax = kJ
22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन
TH​ = 20 °CTL​ = -5 °CHPQ̇H​ = 15 kWQ̇L​Ẇ = ?

एक ऊष्मा पंप बाहर -5 °C होने पर घर को 20 °C पर रखता है, और घर को 15 kW ऊष्मा देता है। न्यूनतम शक्ति निवेश Ẇmin ज्ञात कीजिए।

TH = 20 °CTL = -5 °CQ̇H = 15 kW
Ẇmin = kW
23.गैस शक्ति चक्रमध्यम
vP1234qin​qout​

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 14 और कटऑफ़ अनुपात rc = v₃/v₂ = 1.8 है। ठंडी-वायु-मानक मान्यताओं का उपयोग करें: वायु नियत विशिष्ट ऊष्माओं वाली आदर्श गैस है, k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) और cv = 0.718 kJ/(kg·K)। इसकी ऊष्मीय दक्षता η प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

r = 14rc = 1.8k = 1.4
η = %
24.गैस शक्ति चक्रकठिन
vP1234qin​qout​

एक गैस-टरबाइन संयंत्र 10 संपीडक दाब अनुपात वाले ब्रेटन चक्र पर चलता है। वायु 300 K पर संपीडक में और 1100 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, cp = 1.005 kJ/(kg·K) और cv = 0.718 kJ/(kg·K)। प्रति किलोग्राम वायु शुद्ध कार्य निर्गत wnet kJ/kg में ज्ञात कीजिए।

rp = 10T1 = 300 KT3 = 1100 Kk = 1.4cp = 1.005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg
25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम
v = ?p0​pp0​ − p = 900 Paअवरोध बिंदु

पवन सुरंग में एक पिटो-स्थैतिक नली अवरोध दाब और स्थैतिक दाब के बीच 900 Pa का अंतर दिखाती है। वायु घनत्व 1.2 kg/m³ है। वायु चाल v ज्ञात कीजिए।

p0 − p = 900 Paρ = 1.2 kg/m³
v = m/s
26.सांतत्य और बर्नूलीकठिन
d1​ = 100 mmd2​ = 50 mm12Δh = 90 mmपाराQ = ?

एक क्षैतिज वेंचुरी मीटर (प्रवेश 100 mm, कंठ 50 mm) पानी ले जाता है। प्रवेश और कंठ के बीच जुड़ा पारे का U-नली मैनोमीटर 90 mm का स्तर अंतर दिखाता है। निस्सरण गुणांक 0.95 है। प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए। पानी के लिए ρ = 1000 kg/m³, पारे के लिए 13 600 kg/m³ और g = 9.81 m/s² लें।

d1 = 100 mmd2 = 50 mmΔh = 90 mmCd = 0.95ρHg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²
Q = L/s
27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम
V = 3 m/sD = 200 mmL = 200 mf = 0.018

जल (ρ = 1000 kg/m³) 200 mm आंतरिक व्यास वाले 200 m लंबे क्षैतिज पाइप से 3 m/s पर बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.018 और g = 9.81 m/s² लें। पाइप पर दाब पात Δp kPa में ज्ञात कीजिए।

V = 3 m/sL = 200 mD = 200 mmf = 0.018ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन
K = 5मुक्त निकासH = ?L = 500 m, D = 300 mm, f = 0.0183× मोड़ (K = 0.3)

300 mm आंतरिक व्यास (डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.018) वाला 500 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), 3 मोड़ (हर एक K = 0.3) और एक वाल्व (K = 5)। 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 = 500 mD = 300 mmf = 0.018Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 5
H = m
29.पंप और पंप शक्तिमध्यम
PQ = 80 L/sH = 24 m

एक पंप 24 m शीर्ष के विरुद्ध 80 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। पंप दक्षता 82% है और उसे चलाने वाली विद्युत मोटर की दक्षता 95% है। g = 9.81 m/s² लें। मोटर द्वारा ली गई विद्युत शक्ति Pel kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 80 L/sH = 24 mηpump = 82%ηmotor = 95%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
30.पंप और पंप शक्तिकठिन
PQ = 30 L/sΔz = 7 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0.022, ΣK = 5

एक पंप 30 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 7 m ऊँची है। पाइप 100 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 150 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.022 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 5 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। पंप दक्षता 82% है। शाफ़्ट शक्ति Pshaft kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 30 L/sΔz = 7 mL = 100 mD = 150 mmf = 0.022ΣK = 5η = 82%
Pshaft = kW
31.ऊष्मा चालनमध्यम
जिप्सम बोर्ड, k = 0.1750 mmखनिज ऊन, k = 0.04150 mm15 °C-7 °CTi​ = ?Q̇

एक दीवार जिप्सम बोर्ड की 50 mm और खनिज ऊन की 150 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 6 m²। बाहरी फलक 15 °C और -7 °C पर हैं। दोनों परतों के अंतरापृष्ठ पर तापमान Ti ज्ञात कीजिए।

L1 = 50 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 15 °CT3 = -7 °C
Ti = °C
32.ऊष्मा चालनकठिन
लकड़ी, k = 0.17250 mmखनिज ऊन, k = 0.04100 mmकमरा 22 °Cबाहर -3 °CQ̇

250 mm लकड़ी और 100 mm खनिज ऊन की दीवार 22 °C वाले कमरे को -3 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 8 W/(m²·K) और बाहर 20 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 4 m² है। दीवार का समग्र ऊष्मा अंतरण गुणांक U ज्ञात कीजिए।

L1 = 250 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 4 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -3 °C
U = W/(m²·K)
33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम
N1​N2​ = ?

दो समांतर शाफ़्ट 150 mm दूर हैं। इन्हें 2.5 mm मॉड्यूल और 4 : 1 चाल अपचयन वाले स्पर गियरों की एक जोड़ी से जोड़ना है। गियर में कितने दाँत N2 होने चाहिए?

a = 150 mmm = 2.5 mmi = 4
N2 =
34.गियर और गियर ट्रेनकठिन
A = 18B = 72C = 18D = 48

एक संयुक्त गियर ट्रेन में, 1500 rpm पर घूम रहे निवेश शाफ़्ट पर लगा गियर A (18 दाँत) गियर B (72 दाँत) को चलाता है। गियर C (18 दाँत) B वाले शाफ़्ट पर ही लगा है और निर्गत शाफ़्ट पर लगे गियर D (48 दाँत) को चलाता है। निर्गत चाल nout ज्ञात कीजिए।

nin = 1500 rpmA = 18B = 72C = 18D = 48
nout = rpm
35.लाप्लास रूपांतरमध्यम
t (s)f(t)t = 0.8f(0.8) = ?

F(s) = (s + 10)/(s² + 2s + 1) के लिए f(t) ज्ञात कीजिए और f(0.8) का मान निकालिए।

F(s) = (s + 10)/(s² + 2s + 1)t = 0.8 s
f(0.8) =
36.लाप्लास रूपांतरकठिन
t (s)y(t)t = 0.4y(0.4) = ?

लाप्लास रूपांतर से y(0) = 10 और y′(0) = 7 के साथ y″ + 4y′ + 3y = 0 हल कीजिए, और y(0.4) ज्ञात कीजिए।

y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = 10y′(0) = 7t = 0.4 s
y(0.4) =
37.ब्लॉक आरेखमध्यम
R(s)+K(s + 5)(s + 10)G(s)C(s)−

संयंत्र G(s) = K/((s + 5)(s + 10)) 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 + 5)(s + 10))एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश
K =
38.ब्लॉक आरेखकठिन
R(s)+Ks(s + 4)(s + 8)G(s)C(s)−

संयंत्र G(s) = K/(s(s + 4)(s + 8)) एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में है। राउथ–हर्विट्ज़ मानदंड से वह अधिकतम लब्धि Kmax ज्ञात कीजिए जिसके लिए संवृत लूप स्थायी है।

G(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश
Kmax =
39.सोपान अनुक्रियामध्यम
t (s)y(t)1

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 60/(s² + 3s + 60) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। ध्रुव s = σ ± jωd हैं। वास्तविक भाग σ ज्ञात कीजिए।

G(s) = 60/(s² + 3s + 60)
σ =
40.सोपान अनुक्रियाकठिन
+−5 VR = 18 ΩL = 10 mHC = 47 µFvC​

R = 18 Ω, L = 10 mH और C = 47 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। शिखर संधारित्र वोल्टता vC,max ज्ञात कीजिए।

R = 18 ΩL = 10 mHC = 47 µFV = 5 V
vC,max = V
41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम
R(s)+K(s + 1)(s + 4)C(s)−

एक एकांक पुनर्निवेश लूप में G(s) = K/((s + 1)(s + 4)) है। वह लब्धि K ज्ञात कीजिए जो सोपान निवेश के लिए 20 % की स्थायी-अवस्था त्रुटि दे।

G(s) = K/((s + 1)(s + 4))ess = 20 %
K =
42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 5C(s)−

एक PI नियंत्रक C(s) = Kp + Ki/s संयंत्र G(s) = 5/(s + 5) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। संवृत-लूप में ωₙ = 6 rad/s और ζ = 0.7 होना चाहिए। आनुपातिक लब्धि Kp ज्ञात कीजिए।

G(s) = 5/(s + 5)ωₙ = 6 rad/sζ = 0.7
Kp =

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: RB = 46.67 kN

स्थैतिक संतुलन: विराम में पिंड के लिए ΣFx = 0, ΣFy = 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।

A के परितः आघूर्ण

वामावर्त धनात्मक।

ΣMA = 0: RB·6 − 60·5 + 20 = 0
RB = 280/6 = 46.67 kN

ऊर्ध्वाधर संतुलन

RA = 60 − 46.67 = 13.33 kN

उत्तर

RB = 46.67 kN

ऋणात्मक प्रतिक्रिया नीचे की ओर कार्य करती है।

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: RB = 46.4 kN

स्थैतिक संतुलन: विराम में पिंड के लिए ΣFx = 0, ΣFy = 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।

वितरित भार का परिणामी

W = 8·4 = 32 kN, x̄ = (4 + 8)/2 = 6 m

संतुलन

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

ΣMA = 0: RB·5 = 40·1 + 32·6
RB = 232/5 = 46.4 kN
RA = 72 − 46.4 = 25.6 kN

उत्तर

RB = 46.4 kN
3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: P = 58.86 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, Pi = P·EiAi/ΣEA, और σi = Ei·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

A₁ = 1257 mm², A₂ = 2827 mm²

नम्यताएँ

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·1257) = 2.387 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 200/(70000·2827) = 1.011 × 10⁻⁶ mm/N

भार

P = 0.2/3.398 × 10⁻⁶ = 58861 N = 58.86 kN

उत्तर

P = 58.86 kN
4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 0.9877 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·25²/4 = 490.9 mm², A2 = π·20²/4 = 314.2 mm²
σ1 = 30.56 MPa
σ2 = 47.75 MPa

खंडों का दीर्घीकरण जोड़ें

δ1 = σ1L1/E1 = 30.56·2000/200000 = 0.3056 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 47.75·1000/70000 = 0.6821 mm
δ = δ1 + δ2 = 0.9877 mm

उत्तर

δ = 0.9877 mm
5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φC = 0.6253 °

वृत्ताकार शाफ़्ट का मरोड़: अपरूपण प्रतिबल केंद्र पर शून्य से सतह पर τmax = T·r/J तक रैखिक रूप से बढ़ता है, ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32 और खोखले के लिए J = π(do⁴ − di⁴)/32। मरोड़ कोण रेडियन में φ = TL/(GJ) है। शक्ति और बलाघूर्ण P = T·ω से जुड़े हैं।

ध्रुवीय आघूर्ण

J1 = π·60⁴/32 = 1.272 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

हर खंड का मरोड़

T = 100 N·m = 100000 N·mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = 100000·500/(26000·1.272 × 10⁶) = 0.001511 rad
φBC = 100000·1500/(26000·613592) = 0.009402 rad

कुल मरोड़

φC = 0.001511 + 0.009402 = 0.01091 rad = 0.6253°

उत्तर

φC = 0.6253°
6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: do = 36.5 mm

वृत्ताकार शाफ़्ट का मरोड़: अपरूपण प्रतिबल केंद्र पर शून्य से सतह पर τmax = T·r/J तक रैखिक रूप से बढ़ता है, ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32 और खोखले के लिए J = π(do⁴ − di⁴)/32। मरोड़ कोण रेडियन में φ = TL/(GJ) है। शक्ति और बलाघूर्ण P = T·ω से जुड़े हैं।

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·1000/60 = 104.7 rad/s
T = P/ω = 75000/104.7 = 716.2 N·m

स्वीकार्य प्रतिबल से बाहरी व्यास

T = 716.2 N·m = 716197 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0.5⁴ = 0.9375
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·716197/(π·80·0.9375)) = 36.5 mm
di = 0.5·36.5 = 18.25 mm

उत्तर

do = 36.5 mm

ठोस शाफ़्ट को d = 35.72 mm चाहिए होता; खोखला थोड़ा बड़ा है पर बहुत हल्का है।

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: Mmax = 57.5 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। 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।

ΣMA = 0: RB·8 = 15·4 + 55·7
RB = 445/8 = 55.63 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 55.63 = 14.38 kN

हर भार के नीचे आघूर्ण

हर भार के बाईं ओर का भाग रखें।

भार P1: M = RA·4 = 14.38·4 = 57.5 kN·m
भार P2: M = RB·1 = 55.63·1 = 55.63 kN·m

सबसे बड़ा मान

Mmax = 57.5 kN·m (भार P1)

उत्तर

Mmax = 57.5 kN·m
8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: C (x = 2 m)

सबसे बड़ा बंकन आघूर्ण: जहाँ भी अपरूपण बल बदलता है वहाँ M का ढाल बदलता है, इसलिए उसके शिखर वहाँ होते हैं जहाँ अपरूपण बल शून्य को पार करता है: बिंदु भार के नीचे, वितरित भार के भीतर, या ओवरहैंग वाले आधार के ऊपर। कैंटिलीवर के जड़े आधार पर आघूर्ण दीवार पर सबसे अधिक होता है। उन स्थानों पर M के परिमाण की तुलना करें, अधोमुखी या ऊर्ध्वमुखी।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

एक आधार के परितः आघूर्ण लें, फिर ऊर्ध्वाधर बल संतुलन का उपयोग करें।

R1 = 43 kN, R2 = 92 kN

हर चिह्न पर बंकन आघूर्ण

कट की एक ओर के सभी बलों के आघूर्ण जोड़ें। अधोमुखी धनात्मक है, ऊर्ध्वमुखी ऋणात्मक।

MA = 0, MB = 37, MC = 62 kN·m, MD = 40, ME = 6, MF = −40, MG = 0

उत्तर

चिह्न C: MC = 62 kN·m
9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σy′ = 97.79 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।

y′ फलक के लिए रूपांतरण समीकरण

σy′ = 80 − 20·0.6428 − (−40)·0.766 = 97.79 MPa

जाँच

घुमाने से अभिलंब प्रतिबलों का योग नहीं बदलता।

σx′ = 62.21 MPa, σx′ + σy′ = 160 = σx + σy

उत्तर

σy′ = 97.79 MPa
10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σθ = 15.28 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।

रूपांतरण समीकरण

σθ = −25 + 15·0.6428 + 40·0.766 = 15.28 MPa

उत्तर

σθ = 15.28 MPa
11.बीम विक्षेप

उत्तर: θA = 0.0496 rad

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)। प्रवणता θ = dv/dx, M/(EI) का प्रथम समाकल है; संगत इकाइयों में यह रेडियन में आती है।

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 = 5000 mm
EI = 8.4 × 10¹¹ N·mm²

सिरा प्रवणता

θA = wL³/(24EI) = 8·5000³/(24·8.4 × 10¹¹) = 0.0496 rad

उत्तर

θA = 0.0496 rad

यह 2.842° है।

12.बीम विक्षेप

उत्तर: hreq = 167 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 = 1.5 N/mm, L = 4500 mm, E = 11000 N/mm²

विक्षेप सीमा

δallow = L/300 = 4500/300 = 15 mm

आवश्यक जड़त्व आघूर्ण

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·1.5·4500⁴/(384·11000·15) = 4.854 × 10⁷ mm⁴

आवश्यक गहराई

bh³/12 = Ireq → h = (12·4.854 × 10⁷/125)1/3 = 167 mm

उत्तर

hreq = 167 mm

व्यवहार में, इस मान से ऊपर की अगली मानक गहराई चुनें।

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: Pcr = 92.12 kN

ऑयलर बकलिंग: पतला स्तंभ Pcr = 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।

Imin = h·b³/12 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 1·2500 = 2500 mm

क्रांतिक भार

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·833333/2500² = 92116 N = 92.12 kN

उत्तर

Pcr = 92.12 kN
14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σcr = 19.28 MPa

ऑयलर बकलिंग: पतला स्तंभ Pcr = 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 490.9 mm²
r = √(I/A) = √(19175/490.9) = 6.25 mm
KL = 0.5·4000 = 2000 mm
KL/r = 2000/6.25 = 320

क्रांतिक प्रतिबल

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/320² = 19.28 MPa

उत्तर

σcr = 19.28 MPa
15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: y = 4.638 m

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

दीवार तक समय

vx = 24·cos 30° = 20.78 m/s
t = x/vx = 10/20.78 = 0.4811 s

उस समय ऊँचाई

y = 12·0.4811 − ½·9.81·0.4811² = 4.638 m

उत्तर

y = 4.638 m

दीवार पर गेंद अभी ऊपर उठ रही है।

16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: v = 37.58 m/s

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

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

vx = 23·cos 25° = 20.85 m/s
vy0 = 23·sin 25° = 9.72 m/s

टकराने पर ऊर्ध्वाधर चाल

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

vy = √(9.72² + 2·9.81·45) = 31.26 m/s

टकराने की चाल

v = √(20.85² + 31.26²) = 37.58 m/s

उत्तर

v = 37.58 m/s

ऊर्जा से जाँचें: v² = v₀² + 2gh।

17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 6.972 m/s

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)।

ढलान के साथ ऊर्जा संतुलन

गुटका d·sin θ ऊँचाई गिरता है जबकि घर्षण μmg·cos θ·d हटाता है। द्रव्यमान कट जाता है।

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·6·(0.6428 − 0.3·0.766)) = 6.972 m/s

उत्तर

v = 6.972 m/s
18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 4.952 m/s

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)।

खुरदरी पट्टी के बाद शेष ऊर्जा

रैम्प चिकना है, इसलिए केवल पट्टी ऊर्जा हटाती है।

mgh − μmgL = 39.24·(2 − 0.3·2.5) = 49.05 J

स्प्रिंग पर चाल

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·1.25) = 4.952 m/s

उत्तर

v = 4.952 m/s
19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: fd = 2.273 Hz

द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र का मुक्त कंपन: अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति rad/s में ωn = √(k/m) है, और Hz में fn = ωn/(2π)। एक श्यान अवमंदक c अवमंदन अनुपात ζ = c/cc देता है, जहाँ क्रांतिक अवमंदन cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn। अल्प-अवमंदित तंत्र (ζ < 1) ωd = ωn·√(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

ωn = √(40000/100) = 20 rad/s
fn = 20/(2π) = 3.183 Hz

अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

fd = fn·√(1 − ζ²) = 3.183·√(1 − 0.7²) = 2.273 Hz

उत्तर

fd = 2.273 Hz
20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: fn = 10.56 Hz

द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र का मुक्त कंपन: अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति rad/s में ωn = √(k/m) है, और Hz में fn = ωn/(2π)। एक श्यान अवमंदक c अवमंदन अनुपात ζ = c/cc देता है, जहाँ क्रांतिक अवमंदन cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn। अल्प-अवमंदित तंत्र (ζ < 1) ωd = ωn·√(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।

तुल्य दृढ़ता

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

keq = 80 + 30 = 110 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ωn = √(110000/25) = 66.33 rad/s
fn = 66.33/(2π) = 10.56 Hz

उत्तर

fn = 10.56 Hz
21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Wmax = 1726 kJ

द्वितीय नियम की सीमाएँ: परम तापमान TH और TL वाले भंडारों के बीच कोई भी चक्र उत्क्रमणीय (कार्नो) चक्र से बेहतर नहीं हो सकता: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) और COPHP,max = TH/(TH − TL)। ऊर्जा हमेशा संरक्षित रहती है: QH = W + QL।

परम तापमान

TH = 225 + 273.15 = 498.1 K
TL = 25 + 273.15 = 298.1 K

कार्नो दक्षता

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 298.1/498.1 = 40.15 %

अधिकतम कार्य

Wmax = ηmax·QH = 0.4015·4300 = 1726 kJ

उत्तर

Wmax = 1726 kJ
22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Ẇmin = 1.279 kW

द्वितीय नियम की सीमाएँ: परम तापमान TH और TL वाले भंडारों के बीच कोई भी चक्र उत्क्रमणीय (कार्नो) चक्र से बेहतर नहीं हो सकता: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) और COPHP,max = TH/(TH − TL)। ऊर्जा हमेशा संरक्षित रहती है: QH = W + QL।

परम तापमान

TH = 20 + 273.15 = 293.1 K
TL = -5 + 273.15 = 268.1 K

सर्वोत्तम संभव COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 293.1/(293.1 − 268.1) = 11.73

न्यूनतम शक्ति

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

Ẇmin = Q̇H/COP = 15/11.73 = 1.279 kW

उत्तर

Ẇmin = 1.279 kW
23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: η = 60.32 %

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 rc = v₃/v₂ के साथ: T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) और η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1))।

कटऑफ़ पद

(1.81.4 − 1)/(1.4·(1.8 − 1)) = 1.14

तापीय दक्षता

η = 1 − 0.348·1.14 = 60.32%

उत्तर

η = 60.32%
24.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: wnet = 252.3 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 rp = P₂/P₁ के साथ: T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k और η = 1 − 1/rp(k−1)/k। शुद्ध कार्य w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]। समएन्ट्रॉपिक दक्षताओं के साथ संपीडक को ws/ηc चाहिए और टरबाइन ηt·ws देती है।

समएन्ट्रॉपिक तापमान

T2 = 300·100.2857 = 579.2 K
T4 = 1100/100.2857 = 569.7 K

संपीडक और टरबाइन कार्य

wc = 1.005·(579.2 − 300) = 280.6 kJ/kg
wt = 1.005·(1100 − 569.7) = 532.9 kJ/kg

शुद्ध कार्य

wnet = 532.9 − 280.6 = 252.3 kJ/kg

उत्तर

wnet = 252.3 kJ/kg

बैक-वर्क अनुपात: wc/wt = 52.66%।

25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: v = 38.73 m/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.

अवरोध बिंदु तक बर्नूली

प्रवाह सिरे पर विराम में आता है, इसलिए उसकी गतिज ऊर्जा अतिरिक्त दाब के रूप में दिखती है।

p0 − p = ½ρv²
v = √(2·900/1.2) = 38.73 m/s

उत्तर

v = 38.73 m/s
26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 9.087 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.

मैनोमीटर से दाबांतर

Δp = (13600 − 1000)·9.81·0.09 = 11125 Pa

कंठ वेग

सांतत्य और बर्नूली मिलकर आदर्श कंठ वेग देते हैं।

β = 50/100 = 0.5
v2 = √(2·11125/(1000·(1 − 0.0625))) = 4.872 m/s

वास्तविक प्रवाह दर

Q = Cd·A2·v2 = 0.95·0.001963·4.872 = 0.009087 m³/s = 9.087 L/s

उत्तर

Q = 9.087 L/s
27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Δp = 81 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 hf = f·(L/D)·V²/(2g) होती है। फ़िटिंग, वाल्व, प्रवेश और निकास लघु हानियाँ hm = ΣK·V²/(2g) जोड़ते हैं। दो खुले जलाशय सतहों के बीच ऊर्जा समीकरण Δz = hf + hm देता है, जिसमें निकास हानि K = 1 शामिल है।

शीर्ष हानि

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.018·(200/0.2)·3²/(2·9.81) = 8.257 m

दाब पात

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

Δp = ρ·g·hf = 1000·9.81·8.257 = 81000 Pa = 81 kPa

उत्तर

Δp = 81 kPa
28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: H = 3.815 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 hf = f·(L/D)·V²/(2g) होती है। फ़िटिंग, वाल्व, प्रवेश और निकास लघु हानियाँ hm = ΣK·V²/(2g) जोड़ते हैं। दो खुले जलाशय सतहों के बीच ऊर्जा समीकरण Δz = hf + hm देता है, जिसमें निकास हानि K = 1 शामिल है।

वेग

V = Q/A = 0.1/0.07069 = 1.415 m/s
V²/(2g) = 0.102 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.018·500/0.3 = 30
ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 5 = 6.4

ऊर्जा समीकरण

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

H = (1 + 30 + 6.4)·0.102 = 3.815 m

उत्तर

H = 3.815 m
29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: Pel = 24.18 kW

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

द्रवीय शक्ति

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.08·24 = 18.84 kW

शाफ़्ट शक्ति

Pshaft = 18.84/0.82 = 22.97 kW

विद्युत शक्ति

Pel = 22.97/0.95 = 24.18 kW

उत्तर

Pel = 24.18 kW
30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: Pshaft = 3.549 kW

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

वेग

V = Q/A = 0.03/0.01767 = 1.698 m/s
V²/(2g) = 0.1469 m

शीर्ष हानियाँ

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (14.67 + 5)·0.1469 = 2.889 m

पंप शीर्ष

H = Δz + hL = 7 + 2.889 = 9.889 m

शाफ़्ट शक्ति

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.03·9.889/0.82 = 3.549 kW

उत्तर

Pshaft = 3.549 kW
31.ऊष्मा चालन

उत्तर: Ti = 13.4 °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) = (50/1000)/(0.17·6) = 0.04902 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.04·6) = 0.625 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 22/0.674 = 32.64 W

अंतरापृष्ठ तापमान

पहली परत में तापमान Q̇·R₁ घटता है।

Ti = T1 − Q̇·R1 = 15 − 32.64·0.04902 = 13.4 °C

उत्तर

Ti = 13.4 °C
32.ऊष्मा चालन

उत्तर: U = 0.2412 W/(m²·K)

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।

श्रेणी प्रतिरोध

Ri = 1/(hiA) = 1/(8·4) = 0.03125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.17·4) = 0.3676 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0.04·4) = 0.625 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0.0125 K/W
ΣR = 1.036 K/W

समग्र गुणांक

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·1.036) = 0.2412 W/(m²·K)

उत्तर

U = 0.2412 W/(m²·K)
33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: N2 = 96

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: Ft = 2T/d.

दाँतों की कुल संख्या

N1 + N2 = 2a/m = 2·150/2.5 = 120

अनुपात से बाँटें

N1 = 120/(1 + 4) = 24
N2 = 4·24 = 96

उत्तर

N2 = 96
34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: nout = 140.6 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

nB = 1500·18/72 = 375 rpm = nC

दूसरा चरण

nout = 375·18/48 = 140.6 rpm

उत्तर

nout = 140.6 rpm

कुल अनुपात = 10.67 : 1

35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: f(0.8) = 3.684

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(∞) = lims→0 s·F(s), केवल तभी मान्य जब s·F(s) के सभी ध्रुव बाएँ अर्ध-तल में हों। प्रारंभिक मान प्रमेय: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)।

हर का गुणनखंड करें

s² + 2s + 1 = (s + 1)²

आंशिक भिन्न

s + 10 = 1(s + 1) + 9
F(s) = 1/(s + 1) + 9/(s + 1)²

प्रतिलोम रूपांतर

f(t) = e−t + 9·t·e−t
f(0.8) = (1 + 9·0.8)·e−0.8 = 3.684

उत्तर

f(0.8) = 3.684
36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.4) = 9.841

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(∞) = lims→0 s·F(s), केवल तभी मान्य जब s·F(s) के सभी ध्रुव बाएँ अर्ध-तल में हों। प्रारंभिक मान प्रमेय: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)।

समीकरण का रूपांतर करें

s²Y − 10s − 7 + 4(sY − 10) + 3Y = 0
Y(s) = (10s + 47)/((s + 1)(s + 3))

आंशिक भिन्न

A = 37/2 = 18.5
B = 17/(−2) = −8.5

परिणाम

y(t) = 18.5·e−t − 8.5·e−3t
y(0.4) = 9.841

उत्तर

y(0.4) = 9.841

जाँच: y(0) = A + B = 10।

37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: K = 6.25

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 + Kp) है, जहाँ Kp = G(0)।

अभिलाक्षणिक समीकरण

1 + K/((s + 5)(s + 10)) = 0 → s² + 15s + 50 + K = 0

दोहराया गया मूल

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

15² = 4(50 + K) → K = 225/4 − 50 = 6.25

उत्तर

K = 6.25
तब दोनों संवृत-लूप ध्रुव s = −7.5 पर हैं।
38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: Kmax = 384

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 + Kp) है, जहाँ Kp = G(0)।

अभिलाक्षणिक समीकरण

s³ + 12s² + 32s + K = 0

राउथ सारणी

s³ | 1 32
s² | 12 K
s¹ | (12·32 − K)/12
s⁰ | K

स्थायित्व सीमा

पहले स्तंभ की सभी प्रविष्टियाँ धनात्मक होनी चाहिए।

Kmax = 12·32 = 384

उत्तर

Kmax = 384
39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: σ = −1.5

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 ± jωd हैं, जहाँ ωd = ωₙ√(1 − ζ²)। 0 < ζ < 1 के लिए सोपान अनुक्रिया अतिलंघन करती है: प्रतिशत अतिलंघन %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), शिखर समय tp = π/ωd, और 2 % स्थिरीकरण समय ts ≈ 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 = 60 → ωₙ = 7.746 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·7.746) = 0.1936

परिणाम

σ = −ζωₙ = −3/2 = −1.5

उत्तर

σ = −1.5
40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: vC,max = 5.426 V

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 ± jωd हैं, जहाँ ωd = ωₙ√(1 − ζ²)। 0 < ζ < 1 के लिए सोपान अनुक्रिया अतिलंघन करती है: प्रतिशत अतिलंघन %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), शिखर समय tp = π/ωd, और 2 % स्थिरीकरण समय ts ≈ 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)।

प्राकृतिक आवृत्ति और अवमंदन अनुपात

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.01·4.7 × 10⁻⁵) = 1459 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (18/2)·√(4.7 × 10⁻⁵/0.01) = 0.617

परिणाम

%OS = 8.517 %
vC,max = 5·(1 + 0.08517) = 5.426 V

उत्तर

vC,max = 5.426 V
41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: K = 16

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 ess = lims→0 s·E(s)। तंत्र का प्रकार G(s) के s = 0 पर ध्रुवों की संख्या है। त्रुटि स्थिरांक Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) और Ka = lim s²·G(s) हैं, सभी s → 0 के लिए। आकार A का सोपान ess = A/(1 + Kp) देता है, रैंप A·t से A/Kv और परवलय A·t²/2 से A/Ka 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 + Kp) = 0.2 → Kp = 4

लब्धि

K/4 = 4 → K = 16

उत्तर

K = 16

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: Kp = 0.68

P, PI और PID नियंत्रण: नियंत्रक C(s) = Kp + Ki/s + Kd·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 + 2ζωns + ωn² से कीजिए। तब %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, जहाँ ωd = ωn√(1 − ζ²), और ts ≈ 4/(ζωn)।

अभिलाक्षणिक बहुपद

1 + C(s)G(s) = 0, जिसे s(s + 5) से गुणा किया गया है।

s² + (5 + 5Kp)s + 5Ki

लक्ष्य बहुपद

s² + 2·0.7·6s + 6² = s² + 8.4s + 36

गुणांक मिलाइए

5 + 5Kp = 8.4 → Kp = 0.68

उत्तर

Kp = 0.68

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

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