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
w = 8 kN/mP = 25 kNABMA​ = ?3.5 m0.5 m1 m

कैंटिलीवर बीम A पर दीवार में स्थिर है। यह दीवार से 3.5 m तक समान वितरित भार w और दीवार से 4 m पर बिंदु भार P वहन करता है। दीवार पर प्रतिक्रिया आघूर्ण MA का परिमाण ज्ञात कीजिए।

L = 5 mP = 25 kN पर 4 mw = 8 kN/m, 0 से 3.5 m तक
MA = kN·m
2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन
w = 6 kN/mP = 45 kNABCRB​ = ?2 m2 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 2 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 = 45 kN पर 2 mw = 6 kN/m, 4 से 8 m तक
RB = kN
3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम
Ø 12 mmएल्युमिनियम3 mP = 75 kN

अक्षीय भार के अंतर्गत एल्युमिनियम छड़ का दीर्घीकरण δ ज्ञात कीजिए।

P = 75 kNd = 12 mmL = 3 mE = 70 GPa
δ = mm
4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन
20 kN12600 mm500 mmØ40Ø40σ2​ = ?

एक स्टील खंड (व्यास 40 mm, लंबाई 600 mm, E = 200 GPa) और पीतल का बना खंड (व्यास 40 mm, लंबाई 500 mm, E = 100 GPa) सिरे से सिरा जोड़कर दो दृढ़ दीवारों के बीच जकड़े हैं। जोड़ पर खंड 2 की ओर 20 kN का अक्षीय भार लगता है। खंड 2 में प्रतिबल σ2 का परिमाण ज्ञात कीजिए।

खंड 1: स्टील, Ø40 mm, 600 mm, E = 200 GPaखंड 2: पीतल, Ø40 mm, 500 mm, E = 100 GPaP = 20 kN
σ2 = MPa
5.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम
T = 250 N·md = 40 mmL = 0.8 mφ = ?

स्टील का एक ठोस शाफ़्ट दीवार में जड़ित है और मुक्त सिरे पर बलाघूर्ण T से मरोड़ा जाता है। मुक्त सिरे का मरोड़ कोण φ डिग्री में ज्ञात कीजिए।

T = 250 N·md = 40 mmL = 0.8 mG = 80 GPa
φ = °
6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन
Td = ?

एक ठोस शाफ़्ट को 1500 rpm पर 75 kW संचारित करना है, बिना अपरूपण प्रतिबल के 75 MPa से अधिक हुए। उपयुक्त सबसे छोटा व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 75 kWN = 1500 rpmτallow = 75 MPa
d = mm
7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम
w = 2 kN/mABखंड5 m5 m

आलंब A से x = 5 m पर खंड में बंकन आघूर्ण Mx ज्ञात कीजिए। नीचे के रेशों को खींचने वाले आघूर्ण और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण बल को धनात्मक लें।

L = 10 mw = 2 kN/m, 0 से 10 m तकx = 5 m
Mx = kN·m
8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन
60 kN40 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 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।

60 kN @ 12 m40 kN @ 6 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम
σx​ = −20σy​ = 120τxy​ = 50MPa

एक बिंदु पर σₓ = −20 MPa, σᵧ = 120 MPa और τₓᵧ = 50 MPa है (तनन धनात्मक)। अवयव को 30° दक्षिणावर्त घुमाया जाता है। घुमाए गए अवयव के उन फलकों पर अभिलंब प्रतिबल σy′ ज्ञात कीजिए जो घुमाई गई y′-अक्ष के लंबवत हैं।

σx = −20 MPaσy = 120 MPaτxy = 50 MPaθ = -30°
σy′ = MPa
10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन
σx​ = 70σy​ = 30τxy​ = −40MPa

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 70 MPa, σᵧ = 30 MPa और τₓᵧ = −40 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अभिलंब प्रतिबल σθ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 60° वामावर्त घुमाया गया है।

σx = 70 MPaσy = 30 MPaτxy = −40 MPaθ = 60°
σθ = MPa
11.बीम विक्षेपमध्यम
w = 12 kN/mδL = 4 m

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

w = 12 kN/mL = 4 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
12.बीम विक्षेपकठिन
w = 8 kN/mAB8 m

एक टेकयुक्त कैंटिलीवर A पर स्थिर है और B पर सरल आलंबित (टेक लगा) है। यह अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w वहन करता है। EI स्थिर है। टेक पर प्रतिक्रिया RB ज्ञात कीजिए।

L = 8 mw = 8 kN/m
RB = kN
13.स्तंभ बकलिंगमध्यम
PL = 1.5 md = 20 mmअनुप्रस्थ काट

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

L = 1.5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 20 mm
Pcr = kN
14.स्तंभ बकलिंगकठिन
PL = 5 md = 60 mmअनुप्रस्थ काट

एल्युमिनियम 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 = 5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 60 mm
σcr = MPa
15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम
v0​ = 26 m/s40°परास

एक गेंद समतल ज़मीन से क्षैतिज से 40° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद के ज़मीन से टकराने तक उड़ान का समय t ज्ञात कीजिए।

v0 = 26 m/sθ = 40°g = 9.81 m/s²
t = s
16.प्रक्षेप्य गतिकठिन
h = 5 mv0​ = 11 m/s25°परास

एक गेंद 5 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से क्षैतिज से 25° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद के ज़मीन से टकराने तक उड़ान का समय t ज्ञात कीजिए।

v0 = 11 m/sθ = 25°h = 5 mg = 9.81 m/s²
t = s
17.कार्य और ऊर्जामध्यम
70 km/h

समतल सड़क पर 70 km/h से चल रही एक कार ज़ोर से ब्रेक लगाती है और पहिए जाम होकर फिसलते हुए रुक जाती है। टायरों और सड़क के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.4 है। रुकने की दूरी d ज्ञात कीजिए।

v = 70 km/hμ = 0.4g = 9.81 m/s²
d = m
18.कार्य और ऊर्जाकठिन
F = 70 N25°μ = 0.28 kg

एक 8 kg गुटका 25° की ढलान के तल पर विराम से शुरू होता है और ढलान के समांतर 70 N के स्थिर बल से ऊपर खींचा जाता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.2 है। ढलान पर 2 m ऊपर चलने के बाद गुटके की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 8 kgF = 70 Nθ = 25°μ = 0.2d = 2 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
19.यांत्रिक कंपनमध्यम
tx40 mm5 चक्र8.3 mm

एक अवमंदित द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र के मुक्त-कंपन परीक्षण में 40 mm के विस्थापन शिखर के 5 चक्र बाद 8.3 mm का शिखर आता है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

x0 = 40 mmx5 = 8.3 mmn = 5
ζ =
20.यांत्रिक कंपनकठिन
k1​ = 60k2​ = 60k3​ = 12m = 10 kg

एक 10 kg द्रव्यमान स्प्रिंग k₃ = 12 kN/m से लटका है। k₃ का ऊपरी सिरा एक दृढ़ छड़ से जुड़ा है जो अगल-बगल दो स्प्रिंगों k₁ = 60 kN/m और k₂ = 60 kN/m से लटकी है; छड़ समतल रहती है। अवमंदन तथा स्प्रिंगों और छड़ के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति fn Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 10 kgk1 = 60 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz
21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम
TH​ = 625 °CTL​ = 20 °CEQH​ = 1500 kJQL​W = ?

एक ऊष्मा इंजन 625 °C पर गर्म भंडार और 20 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। यह 1500 kJ ऊष्मा लेता है। यह अधिकतम कितना कार्य Wmax उत्पन्न कर सकता है, ज्ञात कीजिए।

TH = 625 °CTL = 20 °CQH = 1500 kJ
Wmax = kJ
22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन
TH​ = 55 °CTL​ = -5 °CHPQ̇H​ = 9 kWQ̇L​Ẇ = ?

एक ऊष्मा पंप -5 °C वाले स्रोत से ऊष्मा लेकर 55 °C वाले तापन तंत्र को 9 kW ऊष्मा देता है। इसका वास्तविक COP इन तापमानों के बीच कार्नो COP का 55% है। इसके द्वारा ली गई विद्युत शक्ति Ẇ ज्ञात कीजिए।

TH = 55 °CTL = -5 °CηII = 55%Q̇H = 9 kW
Ẇ = kW
23.गैस शक्ति चक्रमध्यम
vP1234qin​qout​

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 18 और कटऑफ़ अनुपात rc = v₃/v₂ = 3 है। संपीडन की शुरुआत में वायु 310 K पर 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)। ऊष्मा योग के अंत में तापमान T3 K में ज्ञात कीजिए।

r = 18rc = 3T1 = 310 Kk = 1.4
T3 = K
24.गैस शक्ति चक्रकठिन
vP1234qin​qout​

एक गैस-टरबाइन संयंत्र 14 संपीडक दाब अनुपात वाले ब्रेटन चक्र पर चलता है। वायु 295 K पर संपीडक में और 1400 K पर टरबाइन में प्रवेश करती है। संपीडक की समएन्ट्रॉपिक दक्षता 80% और टरबाइन की 88% 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)। प्रति किलोग्राम वायु शुद्ध कार्य निर्गत wnet kJ/kg में ज्ञात कीजिए।

rp = 14T1 = 295 KT3 = 1400 Kηc = 80%ηt = 88%k = 1.4cp = 1.005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg
25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम
d1​ = 100 mmd2​ = 50 mm12p1​ − p2​ = 40 kPaQ = ?

पानी एक क्षैतिज वेंचुरी मीटर से बहता है जिसका प्रवेश व्यास 100 mm और कंठ व्यास 50 mm है। प्रवेश पर दाब कंठ की तुलना में 40 kPa अधिक है। हानियों को नगण्य मानते हुए प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए।

d1 = 100 mmd2 = 50 mmp1 − p2 = 40 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
26.सांतत्य और बर्नूलीकठिन
d1​ = 150 mmd2​ = 100 mm12Δh = 140 mmपाराQ = ?

एक क्षैतिज वेंचुरी मीटर (प्रवेश 150 mm, कंठ 100 mm) पानी ले जाता है। प्रवेश और कंठ के बीच जुड़ा पारे का U-नली मैनोमीटर 140 mm का स्तर अंतर दिखाता है। निस्सरण गुणांक 0.99 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 = 150 mmd2 = 100 mmΔh = 140 mmCd = 0.99ρHg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²
Q = L/s
27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम
V = 2.7 m/sD = 250 mmL = 500 mf = 0.025

जल 250 mm आंतरिक व्यास वाले 500 m लंबे पाइप से 2.7 m/s के औसत वेग से बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.025 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि hf ज्ञात कीजिए।

V = 2.7 m/sL = 500 mD = 250 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²
hf = m
28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन
K = 10मुक्त निकासH = ?L = 200 m, D = 100 mm, f = 0.0154× मोड़ (K = 0.3)

100 mm आंतरिक व्यास (डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015) 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), 4 मोड़ (हर एक K = 0.3) और एक वाल्व (K = 10)। g = 9.81 m/s² लें। 25 L/s की प्रवाह दर के लिए जलाशय की सतह पाइप निकास से कितनी H ऊपर होनी चाहिए?

Q = 25 L/sL = 200 mD = 100 mmf = 0.015Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×4)Kvalve = 10
H = m
29.पंप और पंप शक्तिमध्यम
PQ = 25 L/sH = 62 m

एक पंप 62 m शीर्ष के विरुद्ध 25 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। पंप दक्षता 85% है और उसे चलाने वाली विद्युत मोटर की दक्षता 92% है। g = 9.81 m/s² लें। मोटर द्वारा ली गई विद्युत शक्ति Pel kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 25 L/sH = 62 mηpump = 85%ηmotor = 92%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
30.पंप और पंप शक्तिकठिन
PQ = 120 L/sΔz = 15 mL = 400 m, D = 250 mm, f = 0.015, ΣK = 8

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 15 m ऊँची है। पाइप 400 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 250 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 8 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। पंप दक्षता 85% है। शाफ़्ट शक्ति Pshaft kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 120 L/sΔz = 15 mL = 400 mD = 250 mmf = 0.015ΣK = 8η = 85%
Pshaft = kW
31.ऊष्मा चालनमध्यम
विस्तारित पॉलीस्टाइरीन, k = 0.035150 mmजिप्सम बोर्ड, k = 0.17100 mm25 °C-13 °CTi​ = ?Q̇

एक दीवार विस्तारित पॉलीस्टाइरीन की 150 mm और जिप्सम बोर्ड की 100 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 12 m²। बाहरी फलक 25 °C और -13 °C पर हैं। दोनों परतों के अंतरापृष्ठ पर तापमान Ti ज्ञात कीजिए।

L1 = 150 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 25 °CT3 = -13 °C
Ti = °C
32.ऊष्मा चालनकठिन
ईंट, k = 0.72150 mmकाँच, k = 0.9675 mmकमरा 22 °Cबाहर -6 °CQ̇ = ?

150 mm ईंट और 75 mm काँच की दीवार 22 °C वाले कमरे को -6 °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 15 m² है। दीवार से ऊष्मा हानि Q̇ ज्ञात कीजिए।

L1 = 150 mm, k1 = 0.72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.96 W/(m·K)A = 15 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -6 °C
Q̇ = W
33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम
d1​ = 120 mmd2​ = 200 mm960 rpmT1​ = 500 NT2​ = 150 NP = ?

एक पट्टा 120 mm की चालक घिरनी पर 960 rpm पर चलता है। कसी हुई ओर तनाव 500 N और ढीली ओर 150 N है। संचरित शक्ति P kW में ज्ञात कीजिए।

d1 = 120 mmn1 = 960 rpmT1 = 500 NT2 = 150 N
P = kW
34.गियर और गियर ट्रेनकठिन
A = 25B = 36C = 40D = 80

एक संयुक्त गियर ट्रेन में, 1450 rpm पर घूम रहे निवेश शाफ़्ट पर लगा गियर A (25 दाँत) गियर B (36 दाँत) को चलाता है। गियर C (40 दाँत) B वाले शाफ़्ट पर ही लगा है और निर्गत शाफ़्ट पर लगे गियर D (80 दाँत) को चलाता है। निर्गत चाल nout ज्ञात कीजिए।

nin = 1450 rpmA = 25B = 36C = 40D = 80
nout = rpm
35.लाप्लास रूपांतरमध्यम
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = 6/(s² + 9s + 14)। इसका प्रतिलोम रूपांतर f(t) = A·e−2t + B·e−7t के रूप का है। आंशिक भिन्नों से गुणांक A ज्ञात कीजिए।

F(s) = 6/(s² + 9s + 14)
A =
36.लाप्लास रूपांतरकठिन
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

एक तंत्र y″ + 6y′ + 5y = 15·u(t) का पालन करता है, जहाँ y(0) = 6 और y′(0) = 0। t = 0 पर एक सोपान इनपुट u(t) = 4 लगाया जाता है। लाप्लास रूपांतर से y(0.3) ज्ञात कीजिए।

y″ + 6y′ + 5y = 15·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 4t = 0.3 s
y(0.3) =
37.ब्लॉक आरेखमध्यम
R(s)+3K+5s + 1G(s)C(s)0.5H₁−−

संयंत्र G(s) = 5/(s + 1) में लब्धि H₁ = 0.5 वाला एक भीतरी (गौण) ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप है। नियंत्रक लब्धि K = 3 और एक बाहरी एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप तंत्र को बंद करते हैं। संवृत-लूप DC लब्धि T(0) ज्ञात कीजिए।

G(s) = 5/(s + 1)H₁ = 0.5K = 3
T(0) =
38.ब्लॉक आरेखकठिन
R(s)+Ks(s + 5)(s + 9)G(s)C(s)−

संयंत्र G(s) = K/(s(s + 5)(s + 9)) 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 + 5)(s + 9))एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश
Kmax =
39.सोपान अनुक्रियामध्यम
t (s)y(t)0.5ts​ = ?

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 22.5/(s² + 7s + 45) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। ts ≈ 4/(ζωₙ) का उपयोग करके सोपान अनुक्रिया का 2 % स्थिरीकरण समय ts ज्ञात कीजिए।

G(s) = 22.5/(s² + 7s + 45)
ts = s
40.सोपान अनुक्रियाकठिन
k = 200 N/mc = 48 N·s/mm = 8 kgF = 20 Nx(t)

एक द्रव्यमान m = 8 kg एक स्प्रिंग k = 200 N/m पर एक श्यान अवमंदक c = 48 N·s/m के साथ लटका है (m·x″ + c·x′ + k·x = F)। संतुलन में विराम की अवस्था में अचानक एक स्थिर बल F = 20 N लगाया जाता है। वह समय tp ज्ञात कीजिए जिस पर विस्थापन सबसे बड़ा है।

m = 8 kgk = 200 N/mc = 48 N·s/mF = 20 N
tp = s
41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम
r(t) = 10 + 5t+4(s + 1)s(s + 1)C(s)−

निवेश r(t) = 10 + 5t (एक सोपान और एक रैंप का योग) G(s) = 4(s + 1)/(s(s + 1)) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप पर लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था त्रुटि ess ज्ञात कीजिए।

G(s) = 4(s + 1)/(s(s + 1))r(t) = 10 + 5t
ess =
42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन
R(s)+Kp​ + Ki​/s4s + 2C(s)−

एक PI नियंत्रक C(s) = Kp + Ki/s संयंत्र G(s) = 4/(s + 2) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। संवृत-लूप में ωₙ = 10 rad/s और ζ = 0.7 होना चाहिए। आनुपातिक लब्धि Kp ज्ञात कीजिए।

G(s) = 4/(s + 2)ωₙ = 10 rad/sζ = 0.7
Kp =

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: MA = 149 kN·m

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

वितरित भार का परिणामी

W = 8·3.5 = 28 kN, x̄ = 1.75 m

दीवार के परितः आघूर्ण

MA = P·a + W·x̄ = 25·4 + 28·1.75 = 149 kN·m

उत्तर

MA = 149 kN·m
2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: RB = 46.8 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 = 6·4 = 24 kN, x̄ = (4 + 8)/2 = 6 m

संतुलन

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

ΣMA = 0: RB·5 = 45·2 + 24·6
RB = 234/5 = 46.8 kN
RA = 69 − 46.8 = 22.2 kN

उत्तर

RB = 46.8 kN
3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 28.42 mm

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 = 75·1000/113.1 = 663.1 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for एल्युमिनियम = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 663.1/70000 = 0.009474 = 9474 µε

दीर्घीकरण

δ = ε·L = 0.009474·3000 mm = 28.42 mm

उत्तर

δ = 28.42 mm
4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: σ2 = 5.968 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, 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।

कठोरताएँ

k₁ = 200000·1257/600 = 418879 N/mm
k₂ = 100000·1257/500 = 251327 N/mm

खंड 2 का हिस्सा

F2 = 20000·251327/670206 = 7500 N

प्रतिबल

σ2 = 7500/1257 = 5.968 MPa (संपीडन)

उत्तर

σ2 = 5.968 MPa
5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ = 0.5699 °

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 जड़त्व आघूर्ण

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

मरोड़ कोण

φ = TL/(GJ) = 250·1000·800/(80000·251327) = 0.009947 rad
φ = 0.009947·180/π = 0.5699°

उत्तर

φ = 0.5699°
6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d = 31.89 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·1500/60 = 157.1 rad/s
T = P/ω = 75000/157.1 = 477.5 N·m

अनुमेय प्रतिबल से व्यास

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·477465/(π·75)) = 31.89 mm

उत्तर

d = 31.89 mm

व्यवहार में आप अगले मानक आकार तक पूर्णांकित करेंगे।

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: Mx = 25 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 = 2·10 = 20 kN, x̄ = 5 m पर कार्य करता है
ΣMA = 0: RB·10 = 2·10·5
RB = 100/10 = 10 kN
ΣFy = 0: RA = 20 − 10 = 10 kN
w = 2 kN/mABRA​ = 10RB​ = 10खंड5 m5 m

x = 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 = RA·x − (कट के बाईं ओर हर भार × कट से उसकी दूरी)
Mx = 10·5 − 2·5·2.5 = 25 kN·m

उत्तर

Mx = 25 kN·m
8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: F (x = 10 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 = 4 kN, R2 = 96 kN

हर चिह्न पर बंकन आघूर्ण

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

MA = 0, MB = 8, MC = 16, MD = 24, ME = −48, MF = −120 kN·m, MG = 0

उत्तर

चिह्न F: MF = −120 kN·m
9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σy′ = 128.3 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′ = 50 − (−70)·0.5 − 50·(−0.866) = 128.3 MPa

जाँच

घुमाने से अभिलंब प्रतिबलों का योग नहीं बदलता।

σx′ = −28.3 MPa, σx′ + σy′ = 100 = σx + σy

उत्तर

σy′ = 128.3 MPa
10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σθ = 5.359 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 = 50 + 20·−0.5 + −40·0.866 = 5.359 MPa

उत्तर

σθ = 5.359 MPa
11.बीम विक्षेप

उत्तर: δmax = 30.3 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 = 12 N/mm, L = 4000 mm
EI = 1.32 × 10¹² N·mm²

विक्षेप

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·12·4000⁴/(384·1.32 × 10¹²) = 30.3 mm

उत्तर

δmax = 30.3 mm
12.बीम विक्षेप

उत्तर: RB = 24 kN

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।

δload = wL⁴/(8EI)

टेक पर संगतता

अकेला टेक बल RB मुक्त सिरे को RBL³/(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।

RB·L³/(3EI) = wL⁴/(8EI) → RB = 3wL/8 = 3·8·8/8 = 24 kN

उत्तर

RB = 24 kN
13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: Pcr = 9.646 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

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

I = πd⁴/64 = π·20⁴/64 = 7854 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 0.5·1500 = 750 mm

क्रांतिक भार

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·7854/750² = 9646 N = 9.646 kN

उत्तर

Pcr = 9.646 kN
14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σcr = 24.87 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0.5·5000 = 2500 mm
KL/r = 2500/15 = 166.7

क्रांतिक प्रतिबल

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/166.7² = 24.87 MPa

उत्तर

σcr = 24.87 MPa
15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: t = 3.407 s

प्रक्षेप्य गति: वायु प्रतिरोध के बिना x = vxt और y = h + vyt − 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।

vx = v0·cos θ = 26·cos 40° = 19.92 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 40° = 16.71 m/s

उड़ान का समय

समान ऊँचाई से प्रक्षेपण और उसी ऊँचाई पर उतरना: t = 2vy/g।

t = 2·16.71/9.81 = 3.407 s

उत्तर

t = 3.407 s
16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: t = 1.589 s

प्रक्षेप्य गति: वायु प्रतिरोध के बिना x = vxt और y = h + vyt − 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।

vx = v0·cos θ = 11·cos 25° = 9.969 m/s
vy = v0·sin θ = 11·sin 25° = 4.649 m/s

उड़ान का समय

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

0 = 5 + 4.649·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (4.649 + √(21.61 + 98.1))/9.81 = 1.589 s

उत्तर

t = 1.589 s
17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: d = 48.18 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)।

मूल इकाइयों में चाल

v = 70/3.6 = 19.44 m/s

ऊर्जा संतुलन

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 19.44²/(2·0.4·9.81) = 48.18 m

उत्तर

d = 48.18 m

चाल दोगुनी करने से रुकने की दूरी चार गुना हो जाती है।

18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 3.362 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 अनुदिश बल

m·g = 8·9.81 = 78.48 N
mg·sin θ = 33.17 N
μ·mg·cos θ = 14.23 N

कार्य–ऊर्जा

½mv² = (70 − 47.39)·2 = 45.22 J
v = √(2·45.22/8) = 3.362 m/s

उत्तर

v = 3.362 m/s
19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: ζ = 0.05

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।

लघुगणकीय ह्रास

δ = (1/5)·ln(40/8.3) = 0.3145

अवमंदन अनुपात

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3145/√(39.48 + 0.09893) = 0.05

उत्तर

ζ = 0.05
20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: fn = 5.257 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

केवल k1 और k2 समांतर में हैं। वह जोड़ी k3 के श्रेणी में है, इसलिए उन्हें व्युत्क्रम के रूप में मिलाएँ।

k12 = 60 + 60 = 120 kN/m
keq = 120·12/(120 + 12) = 10.91 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ωn = √(10909/10) = 33.03 rad/s
fn = 33.03/(2π) = 5.257 Hz

उत्तर

fn = 5.257 Hz
21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Wmax = 1010 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 = 625 + 273.15 = 898.1 K
TL = 20 + 273.15 = 293.1 K

कार्नो दक्षता

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 293.1/898.1 = 67.36 %

अधिकतम कार्य

Wmax = ηmax·QH = 0.6736·1500 = 1010 kJ

उत्तर

Wmax = 1010 kJ
22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Ẇ = 2.992 kW

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

परम तापमान

TH = 55 + 273.15 = 328.1 K
TL = -5 + 273.15 = 268.1 K

कार्नो और वास्तविक COP

COPmax = 328.1/(328.1 − 268.1) = 5.469
COP = 0.55·5.469 = 3.008

निवेश शक्ति

Ẇ = Q̇H/COP = 9/3.008 = 2.992 kW

उत्तर

Ẇ = 2.992 kW
23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: T3 = 2955 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 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))।

संपीडन का अंत

T2 = 310·180.4 = 985.1 K

नियत दाब पर ऊष्मा का योग

T3 = rc·T2 = 3·985.1 = 2955 K

उत्तर

T3 = 2955 K
24.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: wnet = 238.5 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

T2s = 295·140.2857 = 627 K
T4s = 1400/140.2857 = 658.7 K

संपीडक और टरबाइन कार्य

wc = 1.005·(627 − 295)/0.8 = 417.1 kJ/kg
wt = 0.88·1.005·(1400 − 658.7) = 655.6 kJ/kg

शुद्ध कार्य

wnet = 655.6 − 417.1 = 238.5 kJ/kg

उत्तर

wnet = 238.5 kJ/kg

बैक-वर्क अनुपात: wc/wt = 63.62%।

25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 18.14 L/s

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

सांतत्य

v1 = v2·(50/100)² = 0.25·v2

प्रवेश और कंठ के बीच बर्नूली

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

p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·40000/(1000·(1 − 0.0625))) = 9.238 m/s
v1 = 2.309 m/s

प्रवाह दर

Q = A2·v2 = 0.001963·9.238 = 0.01814 m³/s = 18.14 L/s

उत्तर

Q = 18.14 L/s
26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 51.06 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)·9.81·0.14 = 17305 Pa

कंठ वेग

सांतत्य और बर्नूली मिलकर आदर्श कंठ वेग देते हैं।

β = 100/150 = 0.6667
v2 = √(2·17305/(1000·(1 − 0.1975))) = 6.567 m/s

वास्तविक प्रवाह दर

Q = Cd·A2·v2 = 0.99·0.007854·6.567 = 0.05106 m³/s = 51.06 L/s

उत्तर

Q = 51.06 L/s
27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: hf = 18.58 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 शीर्ष

V²/(2g) = 2.7²/(2·9.81) = 0.3716 m

डार्सी–वाइसबाख

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(500/0.25)·2.7²/(2·9.81) = 18.58 m

उत्तर

hf = 18.58 m
28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: H = 22.05 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 = 0.025/0.007854 = 3.183 m/s
V²/(2g) = 0.5164 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.015·200/0.1 = 30
ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 = 11.7

ऊर्जा समीकरण

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

H = (1 + 30 + 11.7)·0.5164 = 22.05 m

उत्तर

H = 22.05 m
29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: Pel = 19.44 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 = 1000·9.81·0.025·62 = 15.21 kW

शाफ़्ट शक्ति

Pshaft = 15.21/0.85 = 17.89 kW

विद्युत शक्ति

Pel = 17.89/0.92 = 19.44 kW

उत्तर

Pel = 19.44 kW
30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: Pshaft = 34.27 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 = 0.12/0.04909 = 2.445 m/s
V²/(2g) = 0.3046 m

शीर्ष हानियाँ

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (24 + 8)·0.3046 = 9.747 m

पंप शीर्ष

H = Δz + hL = 15 + 9.747 = 24.75 m

शाफ़्ट शक्ति

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.12·24.75/0.85 = 34.27 kW

उत्तर

Pshaft = 34.27 kW
31.ऊष्मा चालन

उत्तर: Ti = −8.414 °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) = (150/1000)/(0.035·12) = 0.3571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0.17·12) = 0.04902 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 38/0.4062 = 93.56 W

अंतरापृष्ठ तापमान

पहली परत में तापमान Q̇·R₁ घटता है।

Ti = T1 − Q̇·R1 = 25 − 93.56·0.3571 = −8.414 °C

उत्तर

Ti = −8.414 °C
32.ऊष्मा चालन

उत्तर: Q̇ = 1000 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।

श्रेणी प्रतिरोध

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·15) = 0.006667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0.72·15) = 0.01389 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.96·15) = 0.005208 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·15) = 0.002222 K/W
ΣR = 0.02799 K/W

ऊष्मा हानि

Q̇ = (22 − (-6))/0.02799 = 1000 W

उत्तर

Q̇ = 1000 W
33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: P = 2.111 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 = eμθ, जहाँ θ छोटी घिरनी पर लपेट कोण रेडियन में है; खुले पट्टे के लिए θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)), जहाँ C केंद्र दूरी है।

पट्टे की चाल

v = 6.032 m/s

शक्ति

P = (500 − 150)·6.032 = 2111 W = 2.111 kW

उत्तर

P = 2.111 kW
34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: nout = 503.5 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 = 1450·25/36 = 1007 rpm = nC

दूसरा चरण

nout = 1007·40/80 = 503.5 rpm

उत्तर

nout = 503.5 rpm

कुल अनुपात = 2.88 : 1

35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: A = 1.2

लाप्लास रूपांतर: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt अवकलजों को s से गुणा में बदल देता है: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)। मानक युग्म: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), और विस्थापन s → s + σ समय फलन को e−σt से गुणा करता है। परिमेय F(s) का प्रतिलोम लेने के लिए उसे आंशिक भिन्नों में बाँटें: सरल ध्रुव p का अवशेष A = [(s − p)·F(s)], s = p पर है। अंतिम मान प्रमेय: f(∞) = 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 + 9s + 14 = (s + 2)(s + 7)
F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 7)

कवर-अप नियम

(s + 2) से गुणा करें और s = −2 रखें: B-पद लुप्त हो जाता है।

A = 6/(s + 7) |s = −2 = 6/5 = 1.2

उत्तर

A = 1.2
(B = −1.2, इसलिए f(t) = 1.2·e−2t − 1.2·e−7t)
36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.3) = 6.779

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

(s² + 6s + 5)·Y(s) = 6s + 36 + 60/s
Y(s) = (6s² + 36s + 60)/(s(s + 1)(s + 5))

आंशिक भिन्न

A = 60/(1·5) = 12
B = 30/((−1)·4) = −7.5
C = 30/((−5)·(−4)) = 1.5

परिणाम

y(t) = 12 − 7.5·e−t + 1.5·e−5t
y(0.3) = 6.779

उत्तर

y(0.3) = 6.779

जाँच: y(0) = A + B + C = 6।

37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: T(0) = 0.8108

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)।

भीतरी लूप

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 5/(s + 1 + 5·0.5) = 5/(s + 3.5)

बाहरी लूप

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 15/(s + 3.5 + 15) = 15/(s + 18.5)

परिणाम

T(0) = 15/18.5 = 0.8108

उत्तर

T(0) = 0.8108
38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: Kmax = 630

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 + 14s² + 45s + K = 0

राउथ सारणी

s³ | 1 45
s² | 14 K
s¹ | (14·45 − K)/14
s⁰ | K

स्थायित्व सीमा

पहले स्तंभ की सभी प्रविष्टियाँ धनात्मक होनी चाहिए।

Kmax = 14·45 = 630

उत्तर

Kmax = 630
39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: ts = 1.143 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 ± 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 = 45 → ωₙ = 6.708 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·6.708) = 0.5217

परिणाम

ζωₙ = 3.5 → ts ≈ 4/3.5 = 1.143 s

उत्तर

ts = 1.143 s
40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: tp = 0.7854 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 ± 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 = √(k/m) = √(200/8) = 5 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 48/(2·√(200·8)) = 0.6

परिणाम

ωd = 4 rad/s
tp = π/ωd = 0.7854 s

उत्तर

tp = 0.7854 s
41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: ess = 1.25

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।

वेग स्थिरांक

Kv = lim s·G(s) = 4

सोपान वाला भाग

Kp = ∞ → estep = 0

रैंप त्रुटि

ess = 5/4 = 1.25

उत्तर

ess = 1.25
42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: Kp = 3

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 + 2) से गुणा किया गया है।

s² + (2 + 4Kp)s + 4Ki

लक्ष्य बहुपद

s² + 2·0.7·10s + 10² = s² + 14s + 100

गुणांक मिलाइए

2 + 4Kp = 14 → Kp = 3

उत्तर

Kp = 3

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

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