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
P1​ = 20 kNP2​ = 45 kNABRA​ = ?RB​3.5 m0.5 m1 m

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

L = 5 mP1 = 20 kN पर 3.5 mP2 = 45 kN पर 4 m
RA = kN
2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन
w = 5 kN/mP = 10 kNABRA​ = ?RB​2 m1.5 m0.5 m2 m

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

L = 6 mP = 10 kN पर 3.5 mw = 5 kN/m, 2 से 4 m तक
RA = kN
3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम
Ø 20 mmएल्युमिनियम1.5 mP = 50 kN

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

P = 50 kNd = 20 mmL = 1.5 mE = 70 GPa
ε = µε
4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन
Ø 40 mmएल्युमिनियम2 mØ 16 mmस्टील2 mP = 35 kN

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

P = 35 kNखंड 1: Ø40 mm, 2 m, एल्युमिनियम (E = 70 GPa)खंड 2: Ø16 mm, 2 m, स्टील (E = 200 GPa)
δ = mm
5.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम
T = 400 N·md = 50 mmL = 2.5 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 = 400 N·md = 50 mmL = 2.5 mG = 80 GPa
φ = °
6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन
d = 60 mmT0​ = 200 N·mACBa = 1 mb = 0.8 m

60 mm व्यास वाला एक ठोस एल्युमिनियम शाफ़्ट दोनों सिरों A और B पर दृढ़ दीवारों में स्थिर है। A से 1 m और B से 0.8 m पर C पर 200 N·m का बलाघूर्ण लगाया जाता है। खंड C का घूर्णन कोण φC डिग्री में ज्ञात कीजिए।

d = 60 mmT0 = 200 N·ma = 1 mb = 0.8 mG = 26 GPa
φC = °
7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम
w = 6 kN/mABखंड2.5 m3.5 m

आलंब A से x = 2.5 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 = 6 mw = 6 kN/m, 0 से 6 m तकx = 2.5 m
Mx = kN·m
8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन
10 kN/m60 kN55 kN15 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 @ 0 m55 kN @ 12 m15 kN @ 8 m10 kN/m, 2–10 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​ = 110σy​ = −40τxy​ = −10MPa

एक बिंदु पर σₓ = 110 MPa, σᵧ = −40 MPa और τₓᵧ = −10 MPa है (तनन धनात्मक)। अवयव को 50° 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 = 110 MPaσy = −40 MPaτxy = −10 MPaθ = 50°
σy′ = MPa
10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन
σx​ = 50σy​ = −10τxy​ = 30MPa

एक पतली प्लेट का एक बिंदु समतल प्रतिबल में है: σₓ = 50 MPa, σᵧ = −10 MPa और τₓᵧ = 30 MPa (σz = 0)। वॉन मीज़ेस तुल्य प्रतिबल σvM ज्ञात कीजिए।

σx = 50 MPaσy = −10 MPaτxy = 30 MPa
σvM = MPa
11.बीम विक्षेपमध्यम
P = 4 kNABδ4.5 m1.5 m

लंबाई L का एक कैंटिलीवर A पर स्थिर है और A से a = 4.5 m की दूरी पर बिंदु भार P वहन करता है। मुक्त सिरे B पर विक्षेप δB ज्ञात कीजिए।

P = 4 kNa = 4.5 mL = 6 mE = 200 GPa (स्टील)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
12.बीम विक्षेपकठिन
w = 5 kN/mδL = 8 m

एक सरल आलंबित बीम समान वितरित भार w वहन करता है। उसका विक्षेप विस्तार/360 से अधिक नहीं हो सकता। यह सीमा पूरी करने वाला न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण Ireq ज्ञात कीजिए।

w = 5 kN/mL = 8 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
13.स्तंभ बकलिंगमध्यम
PL = 3 m40 × 50 mmअनुप्रस्थ काट

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

L = 3 mE = 200 GPa (स्टील)b × h = 40 × 50 mm
Pcr = kN
14.स्तंभ बकलिंगकठिन
PL = 2.5 md = 40 mmअनुप्रस्थ काट

एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक स्तंभ दोनों सिरों पर पिन किया हुआ है। उसकी तनुता और ऑयलर सूत्र से क्रांतिक बकलिंग प्रतिबल σcr ज्ञात कीजिए।

L = 2.5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 40 mm
σcr = MPa
15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम
v0​ = 28 m/s25°परास

एक गेंद समतल ज़मीन 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 = 28 m/sθ = 25°g = 9.81 m/s²
t = s
16.प्रक्षेप्य गतिकठिन
h = 10 mv0​ = 24 m/s25°H = ?

एक 10 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 24 m/s से क्षैतिज से 25° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। चट्टान के आधार पर ज़मीन से अधिकतम ऊँचाई H ज्ञात कीजिए।

v₀ = 24 m/sθ = 25°h = 10 mg = 9.81 m/s²
H = m
17.कार्य और ऊर्जामध्यम
0.2 kgk = 200 N/mh = ?

एक खिलौना प्रक्षेपक में 200 N/m कठोरता वाला ऊर्ध्वाधर स्प्रिंग है। उस पर 0.2 kg गेंद रखी जाती है और स्प्रिंग को 8 cm संपीडित करके छोड़ा जाता है। वायु प्रतिरोध और स्प्रिंग के द्रव्यमान को नगण्य मानते हुए वह ऊँचाई h ज्ञात कीजिए जिस तक गेंद उठती है, स्प्रिंग संपीडित होने पर उसकी स्थिति से मापकर।

m = 0.2 kgk = 200 N/mx = 8 cmg = 9.81 m/s²
h = m
18.कार्य और ऊर्जाकठिन
h = 3.5 mL = 1.5 mμ = 0.15k = 1000 N/m

0.5 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 3.5 m ऊँचाई से विराम से छोड़ा जाता है। नीचे वह 1.5 m लंबी खुरदरी क्षैतिज पट्टी (μ = 0.15) पार करता है और फिर चिकनी सतह पर एक स्प्रिंग (k = 1000 N/m) से टकराता है। स्प्रिंग का अधिकतम संपीडन x ज्ञात कीजिए।

m = 0.5 kgh = 3.5 mL = 1.5 mμ = 0.15k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
19.यांत्रिक कंपनमध्यम
tx20 mm4 चक्र9.4 mm

एक अवमंदित द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र के मुक्त-कंपन परीक्षण में 20 mm के विस्थापन शिखर के 4 चक्र बाद 9.4 mm का शिखर आता है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

x0 = 20 mmx4 = 9.4 mmn = 4
ζ =
20.यांत्रिक कंपनकठिन
k1​ = 50k2​ = 100k3​ = 5m = 50 kg

एक 50 kg द्रव्यमान स्प्रिंग k₃ = 5 kN/m से लटका है। k₃ का ऊपरी सिरा एक दृढ़ छड़ से जुड़ा है जो अगल-बगल दो स्प्रिंगों k₁ = 50 kN/m और k₂ = 100 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 = 50 kgk1 = 50 kN/mk2 = 100 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz
21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम
TH​ = 250 °CTL​ = 15 °CEQH​QL​W

एक ऊष्मा इंजन 250 °C पर गर्म भंडार और 15 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। अधिकतम संभव तापीय दक्षता ηmax ज्ञात कीजिए।

TH = 250 °CTL = 15 °C
ηmax = %
22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन
TH​ = 20 °CTL​ = 5 °CHPQ̇H​ = 6 kWQ̇L​Ẇ = ?

एक ऊष्मा पंप बाहर 5 °C होने पर घर को 20 °C पर रखता है, और घर को 6 kW ऊष्मा देता है। न्यूनतम शक्ति निवेश Ẇmin ज्ञात कीजिए।

TH = 20 °CTL = 5 °CQ̇H = 6 kW
Ẇmin = kW
23.गैस शक्ति चक्रमध्यम
vP1234qin​qout​

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 20 और कटऑफ़ अनुपात rc = v₃/v₂ = 1.5 है। संपीडन की शुरुआत में वायु 320 K पर है। ठंडी-वायु-मानक मान्यताओं का उपयोग करें: वायु नियत विशिष्ट ऊष्माओं वाली आदर्श गैस है, k = 1.4, 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 = 20rc = 1.5T1 = 320 Kk = 1.4
T3 = K
24.गैस शक्ति चक्रकठिन
vP1234qin​qout​

एक गैस-टरबाइन संयंत्र 8 संपीडक दाब अनुपात वाले ब्रेटन चक्र पर चलता है। वायु 288 K पर संपीडक में और 1400 K पर टरबाइन में प्रवेश करती है। संपीडक की समएन्ट्रॉपिक दक्षता 85% और टरबाइन की 92% 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 = 8T1 = 288 KT3 = 1400 Kηc = 85%ηt = 92%k = 1.4cp = 1.005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg
25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम
v = ?p0​pp0​ − p = 850 Paअवरोध बिंदु

पवन सुरंग में एक पिटो-स्थैतिक नली अवरोध दाब और स्थैतिक दाब के बीच 850 Pa का अंतर दिखाती है। वायु घनत्व 1.2 kg/m³ है। वायु चाल v ज्ञात कीजिए।

p0 − p = 850 Paρ = 1.2 kg/m³
v = m/s
26.सांतत्य और बर्नूलीकठिन
12d1​ = 75 mm, p1​ = 330 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?Δz = 6 m

पानी एक पाइप में ऊपर की ओर बहता है जो 75 mm से 40 mm तक संकरा होता है और 6 m ऊपर उठता है। खंड 1 पर दाब 330 kPa और वेग 1.25 m/s है। हानियाँ नगण्य मानकर खंड 2 पर दाब p2 ज्ञात कीजिए।

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 330 kPav1 = 1.25 m/sΔz = 6 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम
V = 2.7 m/sD = 250 mmL = 800 mf = 0.028

जल 250 mm आंतरिक व्यास वाले 800 m लंबे पाइप से 2.7 m/s के औसत वेग से बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.028 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि hf ज्ञात कीजिए।

V = 2.7 m/sL = 800 mD = 250 mmf = 0.028g = 9.81 m/s²
hf = m
28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन
K = 10मुक्त निकासH = ?L = 100 m, D = 100 mm, f = 0.0153× मोड़ (K = 0.3)

100 mm आंतरिक व्यास (डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015) वाला 100 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 = 10)। g = 9.81 m/s² लें। 15 L/s की प्रवाह दर के लिए जलाशय की सतह पाइप निकास से कितनी H ऊपर होनी चाहिए?

Q = 15 L/sL = 100 mD = 100 mmf = 0.015Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 10
H = m
29.पंप और पंप शक्तिमध्यम
PQ = 40 L/sH = 24 m

एक परीक्षण में पंप 24 m शीर्ष के विरुद्ध 40 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है जबकि उसका शाफ़्ट 15.7 kW लेता है। g = 9.81 m/s² लें। पंप दक्षता η प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

Q = 40 L/sH = 24 mPshaft = 15.7 kWg = 9.81 m/s²
η = %
30.पंप और पंप शक्तिकठिन
PQ = 80 L/sΔz = 14 mL = 150 m, D = 200 mm, f = 0.025, ΣK = 6

एक पंप 80 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 14 m ऊँची है। पाइप 150 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 200 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.025 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 6 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।

Q = 80 L/sΔz = 14 mL = 150 mD = 200 mmf = 0.025ΣK = 6
H = m
31.ऊष्मा चालनमध्यम
ईंट, k = 0.72150 mmविस्तारित पॉलीस्टाइरीन, k = 0.03575 mm23 °C-1 °CTi​ = ?Q̇

एक दीवार ईंट की 150 mm और विस्तारित पॉलीस्टाइरीन की 75 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 10 m²। बाहरी फलक 23 °C और -1 °C पर हैं। दोनों परतों के अंतरापृष्ठ पर तापमान Ti ज्ञात कीजिए।

L1 = 150 mm, k1 = 0.72 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 23 °CT3 = -1 °C
Ti = °C
32.ऊष्मा चालनकठिन
विस्तारित पॉलीस्टाइरीन, k = 0.035150 mmलकड़ी, k = 0.1775 mmकमरा 21 °Cबाहर -15 °CQ̇

150 mm विस्तारित पॉलीस्टाइरीन और 75 mm लकड़ी की दीवार 21 °C वाले कमरे को -15 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 7.7 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 = 150 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 4 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -15 °C
U = W/(m²·K)
33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम
Tw​ = ?z = 2, 2900 rpm

2900 rpm पर एक 0.37 kW मोटर 2 स्टार्ट वाले वर्म को चलाती है। वर्म व्हील में 50 दाँत हैं और ड्राइव की दक्षता 65% है। व्हील शाफ़्ट पर निर्गम बलाघूर्ण Tw ज्ञात कीजिए।

z = 2Nw = 50n = 2900 rpmP = 0.37 kWη = 65%
Tw = N·m
34.गियर और गियर ट्रेनकठिन
A = 18B = 30C = 40D = 48

एक संयुक्त गियर ट्रेन में, 1440 rpm पर घूम रहे निवेश शाफ़्ट पर लगा गियर A (18 दाँत) गियर B (30 दाँत) को चलाता है। गियर C (40 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 = 1440 rpmA = 18B = 30C = 40D = 48
nout = rpm
35.लाप्लास रूपांतरमध्यम
t (s)f(t)t = 0.1f(0.1) = ?

आंशिक भिन्नों से F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 5)) के लिए f(t) ज्ञात कीजिए, और f(0.1) का मान निकालिए।

F(s) = 30/(s(s + 3)(s + 5))t = 0.1 s
f(0.1) =
36.लाप्लास रूपांतरकठिन
t (s)y(t)t = 1y(1) = ?

लाप्लास रूपांतर से y(0) = −1 और y′(0) = −7 के साथ y″ + 3y′ + 2y = 0 हल कीजिए, और y(1) ज्ञात कीजिए।

y″ + 3y′ + 2y = 0y(0) = −1y′(0) = −7t = 1 s
y(1) =
37.ब्लॉक आरेखमध्यम
R(s)+16K+6s + 1G(s)C(s)5H₁−−

संयंत्र G(s) = 6/(s + 1) में लब्धि H₁ = 5 वाला एक भीतरी (गौण) ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप है। नियंत्रक लब्धि K = 16 और एक बाहरी एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप तंत्र को बंद करते हैं। संवृत-लूप DC लब्धि T(0) ज्ञात कीजिए।

G(s) = 6/(s + 1)H₁ = 5K = 16
T(0) =
38.ब्लॉक आरेखकठिन
R(s)+9नियंत्रक+D(s)+5s + 1संयंत्रC(s)−

एक आनुपातिक नियंत्रक K = 9 एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में संयंत्र G(s) = 5/(s + 1) को चलाता है। एक विक्षोभ D संयंत्र इनपुट पर प्रवेश करता है (यह नियंत्रक आउटपुट में जोड़ा जाता है)। आकार 1 का संदर्भ सोपान और आकार 5 का विक्षोभ सोपान एक साथ लगाए जाते हैं। स्थायी-अवस्था आउटपुट css ज्ञात कीजिए।

K = 9G(s) = 5/(s + 1)D = 5R = 1
css =
39.सोपान अनुक्रियामध्यम
t (s)y(t)2tp​ = ?

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 134/(s² + 7s + 67) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। सोपान अनुक्रिया का शिखर समय tp ज्ञात कीजिए।

G(s) = 134/(s² + 7s + 67)
tp = s
40.सोपान अनुक्रियाकठिन
k = 2000 N/mc = 80 N·s/mm = 5 kgF = 25 Nx(t)

एक द्रव्यमान m = 5 kg एक स्प्रिंग k = 2000 N/m पर एक श्यान अवमंदक c = 80 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 = 25 N लगाया जाता है। विस्थापन का प्रतिशत अतिलंघन %OS ज्ञात कीजिए।

m = 5 kgk = 2000 N/mc = 80 N·s/mF = 25 N
%OS = %
41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम
R(s)+K = 10210s + 1C(s)−

एक प्रक्रम G(s) = 2/(10s + 1) को एकांक पुनर्निवेश लूप में आनुपातिक लब्धि K = 10 से नियंत्रित किया जाता है। सोपान के लिए स्थायी-अवस्था त्रुटि ess ज्ञात कीजिए, सोपान के आकार के प्रतिशत के रूप में।

G(s) = 2/(10s + 1)K = 10
ess = %
42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन
R(s)+Kp​ + Ki​/s1s + 1C(s)−

एक PI नियंत्रक C(s) = Kp + Ki/s संयंत्र G(s) = 1/(s + 1) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। संवृत-लूप में ωₙ = 6 rad/s और ζ = 0.6 होना चाहिए। आनुपातिक लब्धि Kp ज्ञात कीजिए।

G(s) = 1/(s + 1)ωₙ = 6 rad/sζ = 0.6
Kp =

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: RA = 15 kN

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

P1​ = 20 kNP2​ = 45 kNABRA​RB​3.5 m0.5 m1 m

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।

ΣMA = 0: RB·5 = 20·3.5 + 45·4
RB = 250/5 = 50 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 50 = 15 kN

उत्तर

RA = 15 kN
2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: RA = 9.167 kN

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

w = 5 kN/mP = 10 kNABRA​RB​2 m1.5 m0.5 m2 m

मुक्त-पिंड आरेख

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

संतुलन

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

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 5·2 = 10 kN, x̄ = 3 m पर कार्य करता है
ΣMA = 0: RB·6 = 10·3.5 + 5·2·3
RB = 65/6 = 10.83 kN
ΣFy = 0: RA = 20 − 10.83 = 9.167 kN

उत्तर

RA = 9.167 kN
3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: ε = 2274 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·20²/4 = 314.2 mm²
σ = P/A = 50·1000/314.2 = 159.2 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for एल्युमिनियम = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 159.2/70000 = 0.002274 = 2274 µε

उत्तर

ε = 2274 µε
4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 2.537 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·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·16²/4 = 201.1 mm²
σ1 = 27.85 MPa
σ2 = 174.1 MPa

खंडों का दीर्घीकरण जोड़ें

δ1 = σ1L1/E1 = 27.85·2000/70000 = 0.7958 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 174.1·2000/200000 = 1.741 mm
δ = δ1 + δ2 = 2.537 mm

उत्तर

δ = 2.537 mm
5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ = 1.167 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

मरोड़ कोण

φ = TL/(GJ) = 400·1000·2500/(80000·613592) = 0.02037 rad
φ = 0.02037·180/π = 1.167°

उत्तर

φ = 1.167°
6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φC = 0.154 °

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। जब दोनों सिरे स्थिर हों, तो स्थैतिकी अकेले केवल TA + TB = T₀ देती है; दूसरा समीकरण संगतता है (भारित खंड पर दोनों भागों का समान मरोड़)।

संतुलन और संगतता

TA + TB = 200
TA·a = TB·b
TA = 200·0.8/1.8 = 88.89 N·m
TB = 200·1/1.8 = 111.1 N·m

C का घूर्णन

खंड AC का उपयोग करें: यह A पर स्थिर है और TA वहन करता है।

J = π·60⁴/32 = 1.272 × 10⁶ mm⁴
G = 26 GPa = 26000 MPa
φC = TA·a/(GJ) = 88889·1000/(26000·1.272 × 10⁶) = 0.002687 rad = 0.154°

उत्तर

φC = 0.154°
7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: Mx = 26.25 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 = 6·6 = 36 kN, x̄ = 3 m पर कार्य करता है
ΣMA = 0: RB·6 = 6·6·3
RB = 108/6 = 18 kN
ΣFy = 0: RA = 36 − 18 = 18 kN
w = 6 kN/mABRA​ = 18RB​ = 18खंड2.5 m3.5 m

x = 2.5 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 = 18·2.5 − 6·2.5·1.25 = 26.25 kN·m

उत्तर

Mx = 26.25 kN·m
8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: B (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 = 105 kN, R2 = 105 kN

हर चिह्न पर बंकन आघूर्ण

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

MA = 0, MB = −120 kN·m, MC = −50, MD = −20, ME = −30, MF = −110, MG = 0

उत्तर

चिह्न B: MB = −120 kN·m
9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σy′ = 57.87 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′ = 35 − 75·(−0.1736) − (−10)·0.9848 = 57.87 MPa

जाँच

घुमाने से अभिलंब प्रतिबलों का योग नहीं बदलता।

σx′ = 12.13 MPa, σx′ + σy′ = 70 = σx + σy

उत्तर

σy′ = 57.87 MPa
10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σvM = 76.16 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। पराभव मानदंड: वॉन मीज़ेस के अनुसार पराभव तब होता है जब σvM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²), σY तक पहुँचे; ट्रेस्का के अनुसार तब जब निरपेक्ष अधिकतम अपरूपण प्रतिबल σY/2 तक पहुँचे।

στxyCσ1​σ2​

मुख्य प्रतिबल

C = 20 MPa, R = 42.43 MPa
σ1 = 62.43 MPa, σ2 = −22.43 MPa, σ3 = 0

वॉन मीज़ेस

σvM = √(62.43² − 62.43·(−22.43) + (−22.43)²) = 76.16 MPa

उत्तर

σvM = 76.16 MPa
11.बीम विक्षेप

उत्तर: δB = 5.695 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।

P = 4000 N, a = 4500 mm, L = 6000 mm
EI = 3.2 × 10¹³ N·mm²

मुक्त सिरे पर विक्षेप

भार पर विक्षेप जमा भार पर प्रवणता गुणा शेष लंबाई।

δP = Pa³/(3EI) = 3.797 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0.001266 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 5.695 mm

उत्तर

δB = 5.695 mm
12.बीम विक्षेप

उत्तर: Ireq = 1091 × 10⁶ mm⁴

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)।

विक्षेप सीमा

δallow = L/360 = 8000/360 = 22.22 mm

आवश्यक जड़त्व आघूर्ण

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·5·8000⁴/(384·11000·22.22) = 1.091 × 10⁹ mm⁴
Ireq = 1091 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

Ireq = 1091 × 10⁶ mm⁴
13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: Pcr = 14.62 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 = 50·40³/12 = 266667 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 2·3000 = 6000 mm

क्रांतिक भार

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·266667/6000² = 14622 N = 14.62 kN

उत्तर

Pcr = 14.62 kN
14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σcr = 11.05 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 1·2500 = 2500 mm
KL/r = 2500/10 = 250

क्रांतिक प्रतिबल

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/250² = 11.05 MPa

उत्तर

σcr = 11.05 MPa
15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: t = 2.412 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 = 28·cos 25° = 25.38 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 25° = 11.83 m/s

उड़ान का समय

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

t = 2·11.83/9.81 = 2.412 s

उत्तर

t = 2.412 s
16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: H = 15.24 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.

ऊर्ध्वाधर प्रक्षेपण चाल

vy = 24·sin 25° = 10.14 m/s

चट्टान से ऊपर उठान

Δh = vy²/(2g) = 10.14²/(2·9.81) = 5.243 m

ज़मीन से ऊँचाई

H = 10 + 5.243 = 15.24 m

उत्तर

H = 15.24 m
17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: h = 0.3262 m

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

स्प्रिंग ऊर्जा

x = 8 cm = 0.08 m
½kx² = ½·200·0.08² = 0.64 J

ऊँचाई

m·g = 0.2·9.81 = 1.962 N
h = ½kx²/(mg) = 0.64/1.962 = 0.3262 m

उत्तर

h = 0.3262 m
18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: x = 17.92 cm

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 = 4.905·(3.5 − 0.15·1.5) = 16.06 J

अधिकतम संपीडन

½kx² = 16.06 → x = √(2·16.06/1000) = 0.1792 m = 17.92 cm

उत्तर

x = 17.92 cm
19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: ζ = 0.03003

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 = (1/4)·ln(20/9.4) = 0.1888

अवमंदन अनुपात

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.1888/√(39.48 + 0.03563) = 0.03003

उत्तर

ζ = 0.03003
20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: fn = 1.566 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 = 50 + 100 = 150 kN/m
keq = 150·5/(150 + 5) = 4.839 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ωn = √(4839/50) = 9.837 rad/s
fn = 9.837/(2π) = 1.566 Hz

उत्तर

fn = 1.566 Hz
21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: ηmax = 44.92 %

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 = 250 + 273.15 = 523.1 K
TL = 15 + 273.15 = 288.1 K

कार्नो दक्षता

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 288.1/523.1 = 44.92 %

उत्तर

ηmax = 44.92 %
22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Ẇmin = 0.307 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 = 278.1 K

सर्वोत्तम संभव COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 293.1/(293.1 − 278.1) = 19.54

न्यूनतम शक्ति

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

Ẇmin = Q̇H/COP = 6/19.54 = 0.307 kW

उत्तर

Ẇmin = 0.307 kW
23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: T3 = 1591 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 = 320·200.4 = 1061 K

नियत दाब पर ऊष्मा का योग

T3 = rc·T2 = 1.5·1061 = 1591 K

उत्तर

T3 = 1591 K
24.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: wnet = 303.5 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 = 288·80.2857 = 521.7 K
T4s = 1400/80.2857 = 772.9 K

संपीडक और टरबाइन कार्य

wc = 1.005·(521.7 − 288)/0.85 = 276.3 kJ/kg
wt = 0.92·1.005·(1400 − 772.9) = 579.9 kJ/kg

शुद्ध कार्य

wnet = 579.9 − 276.3 = 303.5 kJ/kg

उत्तर

wnet = 303.5 kJ/kg

बैक-वर्क अनुपात: wc/wt = 47.65%।

25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: v = 37.64 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 = √(2·850/1.2) = 37.64 m/s

उत्तर

v = 37.64 m/s
26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: p2 = 262.3 kPa

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

सांतत्य और बर्नूली

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

v2 = v1·(d1/d2)² = 1.25·(75/40)² = 4.395 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1.25² − 4.395²)/1000 = −8.875 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·6/1000 = 58.86 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 330 + (−8.875) − 58.86 = 262.3 kPa

उत्तर

p2 = 262.3 kPa
27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: hf = 33.29 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) = 0.028·(800/0.25)·2.7²/(2·9.81) = 33.29 m

उत्तर

hf = 33.29 m
28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: H = 5.094 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 = 0.015/0.007854 = 1.91 m/s
V²/(2g) = 0.1859 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.015·100/0.1 = 15
ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 10 = 11.4

ऊर्जा समीकरण

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

H = (1 + 15 + 11.4)·0.1859 = 5.094 m

उत्तर

H = 5.094 m
29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: η = 59.98 %

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 = 1000·9.81·0.04·24 = 9.418 kW

दक्षता

η = Ph/Pshaft = 9.418/15.7 = 59.98%

उत्तर

η = 59.98%
30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 22.18 m

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 = 0.08/0.03142 = 2.546 m/s
V²/(2g) = 0.3305 m

शीर्ष हानियाँ

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18.75 + 6)·0.3305 = 8.18 m

पंप शीर्ष

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

H = Δz + hL = 14 + 8.18 = 22.18 m

उत्तर

H = 22.18 m
31.ऊष्मा चालन

उत्तर: Ti = 20.87 °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)/(0.72·10) = 0.02083 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.035·10) = 0.2143 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 24/0.2351 = 102.1 W

अंतरापृष्ठ तापमान

पहली परत में तापमान Q̇·R₁ घटता है।

Ti = T1 − Q̇·R1 = 23 − 102.1·0.02083 = 20.87 °C

उत्तर

Ti = 20.87 °C
32.ऊष्मा चालन

उत्तर: U = 0.2038 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/(7.7·4) = 0.03247 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(0.035·4) = 1.071 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.17·4) = 0.1103 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·4) = 0.0125 K/W
ΣR = 1.227 K/W

समग्र गुणांक

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·1.227) = 0.2038 W/(m²·K)

उत्तर

U = 0.2038 W/(m²·K)
33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: Tw = 19.8 N·m

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

nw = n·z/Nw = 2900·2/50 = 116 rpm

निर्गत बलाघूर्ण

ωw = 2π·116/60 = 12.15 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.65·370/12.15 = 19.8 N·m

उत्तर

Tw = 19.8 N·m
34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: nout = 720 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 = 1440·18/30 = 864 rpm = nC

दूसरा चरण

nout = 864·40/48 = 720 rpm

उत्तर

nout = 720 rpm

कुल अनुपात = 2 : 1

35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: f(0.1) = 0.1155

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)।

आंशिक भिन्न

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 5)
A = 30/(3·5) = 2
B = 30/((−3)·2) = −5
C = 30/((−5)·(−2)) = 3

प्रतिलोम रूपांतर

f(t) = 2 − 5·e−3t + 3·e−5t

मान निकालें

f(0.1) = 2 − 5·e−3·0.1 + 3·e−5·0.1 = 0.1155

उत्तर

f(0.1) = 0.1155
36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(1) = −2.228

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 − (−1)s − (−7) + 3(sY − (−1)) + 2Y = 0
Y(s) = (−s − 10)/((s + 1)(s + 2))

आंशिक भिन्न

A = −9/1 = −9
B = −8/(−1) = 8

परिणाम

y(t) = −9·e−t + 8·e−2t
y(1) = −2.228

उत्तर

y(1) = −2.228

जाँच: y(0) = A + B = −1।

37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: T(0) = 0.7559

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) = 6/(s + 1 + 6·5) = 6/(s + 31)

बाहरी लूप

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 96/(s + 31 + 96) = 96/(s + 127)

परिणाम

T(0) = 96/127 = 0.7559

उत्तर

T(0) = 0.7559
38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: css = 1.522

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)।

अंतरण फलन

C/D = G/(1 + K·G) = 5/(s + 1 + 45)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 45/(s + 1 + 45)

स्थायी अवस्था

css = 1·45/46 + 5·5/46 = 1.522

उत्तर

css = 1.522

बड़ा K विक्षोभ का प्रभाव घटाता है, पर आनुपातिक नियंत्रक के साथ कभी शून्य नहीं करता।

39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: tp = 0.4246 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 = 67 → ωₙ = 8.185 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·8.185) = 0.4276

परिणाम

ωd = 8.185·√(1 − 0.4276²) = 7.399 rad/s → tp = π/ωd = 0.4246 s

उत्तर

tp = 0.4246 s
40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: %OS = 25.38 %

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) = √(2000/5) = 20 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 80/(2·√(2000·5)) = 0.4

परिणाम

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 25.38 %

उत्तर

%OS = 25.38 %
41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: ess = 4.762 %

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।

स्थिति स्थिरांक

Kp = 10·2 = 20

सोपान त्रुटि

ess = 100/(1 + 20) = 4.762 %

उत्तर

ess = 4.762 %
42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: Kp = 6.2

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 + 1) से गुणा किया गया है।

s² + (1 + 1Kp)s + 1Ki

लक्ष्य बहुपद

s² + 2·0.6·6s + 6² = s² + 7.2s + 36

गुणांक मिलाइए

1 + 1Kp = 7.2 → Kp = 6.2

उत्तर

Kp = 6.2

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

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