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: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
एकसमान भार: परिणामी w·L भार के मध्य में
आघूर्ण: M = F·d

विधि

मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ और हर आलंब को उसकी प्रतिक्रियाओं से बदलें।
हर वितरित भार को उसके केंद्रक पर एक अकेले बल से बदलें।
एक आलंब के परितः आघूर्ण लेकर दूसरे की प्रतिक्रिया ज्ञात करें।
शेष प्रतिक्रिया ज्ञात करने के लिए ΣF_y = 0 का उपयोग करें, और दूसरे आघूर्ण समीकरण से जाँचें।

अक्षीय प्रतिबल और विकृति

अभिलंब प्रतिबल: σ = F/A
विकृति: ε = ΔL/L
हुक का नियम: σ = E·ε
दीर्घीकरण: ΔL = FL/(EA)
तापीय विकृति: ε_T = α·ΔT

शाफ़्ट का मरोड़

अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J
ठोस शाफ़्ट: J = πd⁴/32
खोखला शाफ़्ट: J = π(D⁴ − d⁴)/32
मरोड़ कोण: φ = TL/(GJ)
शक्ति: P = T·ω = 2πnT/60

विधि

ध्रुवीय क्षेत्र आघूर्ण ज्ञात करें: ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32।
सतह पर अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J, जहाँ r बाहरी त्रिज्या है।
ऐंठन कोण: रेडियन में φ = TL/(GJ)।
यदि शक्ति दी गई है, तो पहले P = T·ω, ω = 2πn/60 से बलाघूर्ण ज्ञात करें।

अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

अपरूपण बल और आघूर्ण: V = एक ओर का ΣF, M = एक ओर का ΣF·d
बंकन प्रतिबल: σ = M·y/I
आयत: I = bh³/12
खंड मापांक: W = I/y_max
सरल आधारित, एकसमान भार: M_max = wL²/8

विधि

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

मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

केंद्र: C = (σ_x + σ_y)/2
त्रिज्या: R = √(((σ_x − σ_y)/2)² + τ_xy²)
मुख्य प्रतिबल: σ_1,2 = C ± R
मुख्य दिशा: tan 2θ_p = 2τ_xy/(σ_x − σ_y)
झुका हुआ तल: σ_θ = C + (σ_x − σ_y)/2·cos 2θ + τ_xy·sin 2θ

विधि

मोर वृत्त का केंद्र निकालें: C = (σx + σy)/2।
त्रिज्या निकालें: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)।
मुख्य प्रतिबल C ± R हैं और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है।
वृत्त पर कोण अवयव पर कोणों के दोगुने होते हैं: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)।

बीम विक्षेप

मध्य-विस्तार पर बिंदु भार: δ = PL³/(48EI)
एकसमान भार, सरल आधारित: δ = 5wL⁴/(384EI)
कैंटिलीवर, सिरे पर भार: δ = PL³/(3EI)
कैंटिलीवर, एकसमान भार: δ = wL⁴/(8EI)
अध्यारोपण: δ = δ₁ + δ₂

स्तंभ बकलिंग

ऑयलर भार: P_cr = π²EI/(KL)²
प्रभावी लंबाई गुणांक: K = 1 पिन–पिन, 0.5 स्थिर–स्थिर, 0.7 स्थिर–पिन, 2 स्थिर–मुक्त
क्रांतिक प्रतिबल: σ_cr = P_cr/A
पतलापन अनुपात: λ = KL/r, r = √(I/A)

प्रक्षेप्य गति

घटक: v_x = v₀cos θ, v_y = v₀sin θ
स्थिति: x = v_xt, y = h + v_yt − ½gt²
अधिकतम ऊँचाई: H = h + v_y²/(2g)
परास (समतल भूमि): R = v₀²·sin 2θ/g

विधि

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

कार्य और ऊर्जा

गतिज ऊर्जा: E_k = ½mv²
स्थितिज ऊर्जा: E_p = mgh
ऊर्जा संतुलन: E_k1 + E_p1 + W = E_k2 + E_p2 + losses
घर्षण का कार्य: W = μ·N·d
शक्ति: P = W/t

यांत्रिक कंपन

प्राकृतिक आवृत्ति: ω_n = √(k/m), f_n = ω_n/(2π)
स्थैतिक विक्षेप से: ω_n = √(g/δ_st)
क्रांतिक अवमंदन: c_c = 2√(km) = 2mω_n
अवमंदन अनुपात: ζ = c/c_c
अवमंदित आवृत्ति: ω_d = ω_n√(1 − ζ²)
लघुगणकीय ह्रास: δ = (1/n)·ln(x₀/x_n), ζ = δ/√(4π² + δ²)
समांतर में स्प्रिंग: k = k₁ + k₂
श्रेणी में स्प्रिंग: 1/k = 1/k₁ + 1/k₂

ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

दक्षता: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
कार्नो दक्षता: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
रेफ्रिजरेटर का COP: COP_R = Q_C/W
हीट पंप का COP: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
ऊर्जा संतुलन: Q_H = W + Q_C

गैस शक्ति चक्र

समएन्ट्रॉपिक, आयतन अनुपात: T₂/T₁ = r^k−1
समएन्ट्रॉपिक, दाब अनुपात: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
ऑटो दक्षता: η = 1 − 1/r^k−1
डीज़ल दक्षता: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
ब्रेटन दक्षता: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
दी गई ऊष्मा: ऑटो: c_v(T₃ − T₂) डीज़ल, ब्रेटन: c_p(T₃ − T₂)
ब्रेटन शुद्ध कार्य: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
समएन्ट्रॉपिक दक्षताएँ: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
ठंडी वायु: k = 1.4, c_p = 1.005, c_v = 0.718 kJ/(kg·K)

सांतत्य और बर्नूली

सांतत्य: A₁v₁ = A₂v₂
बर्नूली: p₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = p₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
प्रवाह दर: Q = A·v
वृत्त का क्षेत्रफल: A = πd²/4

पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

रेनॉल्ड्स संख्या: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
प्रवाह व्यवस्था: Re ≈ 2000 से नीचे स्तरीय, Re ≈ 4000 से ऊपर विक्षुब्ध
औसत वेग: V = Q/A, A = π·D²/4
डार्सी–वाइसबाख: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
लघु हानियाँ: h_m = ΣK·V²/(2g)
K के सामान्य मान: प्रवेश 0.5, निकास 1.0, 90° मोड़ ≈ 0.3
दाब पात: Δp = ρ·g·h_f
दो खुले जलाशय: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
मुक्त निकास: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

पंप और पंप शक्ति

द्रवीय शक्ति: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
शाफ़्ट शक्ति: P_shaft = P_h/η_pump
विद्युत शक्ति: P_el = P_shaft/η_motor
पंप शीर्ष: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
तंत्र हानियाँ: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

ऊष्मा चालन

फ़ूरिये नियम: Q̇ = kAΔT/L
चालन प्रतिरोध: R = L/(kA)
संवहन प्रतिरोध: R = 1/(hA)
श्रेणी प्रतिरोध: Q̇ = ΔT_total/ΣR
U-मान: U = 1/(ΣR·A)

गियर और गियर ट्रेन

परस्पर जुड़े गियर: n₁·N₁ = n₂·N₂
बलाघूर्ण: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η
शक्ति: P = T·ω, ω = 2π·n/60
संयुक्त गियर ट्रेन: कुल अनुपात = चरण अनुपातों का गुणनफल

स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

तंत्र प्रकार: G(s) के s = 0 पर ध्रुवों की संख्या
त्रुटि स्थिरांक: K_p = lim G(s), K_v = lim s·G(s), K_a = lim s²·G(s) (s → 0)
सोपान A: e_ss = A/(1 + K_p)
रैंप A·t: e_ss = A/K_v
परवलय A·t²/2: e_ss = A/K_a
PID नियंत्रक: C(s) = K_p + K_i/s + K_d·s
द्वितीय-कोटि लक्ष्य: s² + 2ζω_ns + ω_n²
अतिलंघन और समय: %OS = 100·e^{−ζπ/√(1−ζ²)}, t_p = π/ω_d, t_s ≈ 4/(ζω_n)

विधि

विवृत-लूप C(s)·G(s) के s = 0 पर ध्रुव गिनिए: वही तंत्र का प्रकार है।
निवेश से मेल खाने वाला त्रुटि स्थिरांक निकालिए: सोपान के लिए K_p, रैंप के लिए K_v, परवलय के लिए K_a।
e_ss = A/(1 + K_p), A/K_v या A/K_a लगाइए, या जिस लब्धि की आपको ज़रूरत है उसके लिए इसे हल कीजिए।
अवमंदन या चाल के विनिर्देश के लिए संवृत-लूप अभिलाक्षणिक बहुपद लिखिए और उसे s² + 2ζω_n·s + ω_n² से मिलाइए।

2अभ्यास प्रश्न

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँमध्यम

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

L = 10 mP₁ = 25 kN पर 6 mP₂ = 25 kN पर 7 m

R_B = kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन

सरल आलंबित बीम में A पर पिन और B पर रोलर है। A से 5 m पर एक भार P क्षैतिज से 30° पर झुका हुआ कार्य करता है, और A से 2 m पर एक ऊर्ध्वाधर भार Q कार्य करता है। पिन A पर कुल प्रतिक्रिया बल R_A का परिमाण ज्ञात कीजिए।

L = 10 mP = 20 kN पर 5 m, θ = 30°Q = 40 kN पर 2 m

R_A = kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

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

P = 100 kNd = 20 mmL = 1.5 mE = 100 GPa

ε = µε

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

एक स्टील खंड (व्यास 30 mm, लंबाई 600 mm, E = 200 GPa) और एल्युमिनियम का बना खंड (व्यास 60 mm, लंबाई 200 mm, E = 70 GPa) सिरे से सिरा जोड़कर दो दृढ़ दीवारों के बीच जकड़े हैं। जोड़ पर खंड 2 की ओर 60 kN का अक्षीय भार लगता है। खंड 2 में प्रतिबल σ₂ का परिमाण ज्ञात कीजिए।

खंड 1: स्टील, Ø30 mm, 600 mm, E = 200 GPaखंड 2: एल्युमिनियम, Ø60 mm, 200 mm, E = 70 GPaP = 60 kN

σ₂ = MPa

5.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

पीतल 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 = 100 N·md = 40 mmL = 1.5 mG = 39 GPa

φ = °

6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक खोखला शाफ़्ट 750 rpm पर 15 kW संचारित करता है। शाफ़्ट में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

P = 15 kWN = 750 rpmd_o = 40 mmd_i = 20 mm

τ_max = MPa

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

आलंब A से x = 1.5 m पर खंड में बंकन आघूर्ण M_x ज्ञात कीजिए। नीचे के रेशों को खींचने वाले आघूर्ण और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण बल को धनात्मक लें।

L = 4 mw = 4 kN/m, 0 से 4 m तकx = 1.5 m

M_x = kN·m

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

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

L = 8 mP = 40 kN पर 5 mw = 5 kN/m, 0 से 8 m तक

M_max = kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 150 MPa, σᵧ = −50 MPa और τₓᵧ = 60 MPa है (तनन धनात्मक)। x-अक्ष से सबसे बड़े मुख्य प्रतिबल की दिशा तक का कोण θ_p, −90° और 90° के बीच, ज्ञात कीजिए।

σ_x = 150 MPaσ_y = −50 MPaτ_xy = 60 MPa

θ_p = °

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 50 MPa, σᵧ = 80 MPa और τₓᵧ = −20 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अभिलंब प्रतिबल σ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 30° दक्षिणावर्त घुमाया गया है।

σ_x = 50 MPaσ_y = 80 MPaτ_xy = −20 MPaθ = -30°

σ_θ = MPa

11.बीम विक्षेपमध्यम

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

w = 8 kN/mL = 5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)I = 160 × 10⁶ mm⁴

θ_A = rad

12.बीम विक्षेपकठिन

एक सरल आलंबित बीम समान वितरित भार w और मध्य विस्तार पर बिंदु भार P वहन करता है। अध्यारोपण से मध्य विक्षेप δ_max ज्ञात कीजिए।

P = 20 kNw = 2 kN/mL = 2 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)I = 36 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

13.स्तंभ बकलिंगमध्यम

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

L = 1 mE = 200 GPa (स्टील)b × h = 20 × 80 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

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

L = 4 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 60 mm

σ_cr = MPa

15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

एक गेंद समतल ज़मीन से क्षैतिज से 70° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद के ज़मीन से टकराने से पहले तय की गई क्षैतिज दूरी x ज्ञात कीजिए।

v₀ = 24 m/sθ = 70°g = 9.81 m/s²

x = m

16.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक गेंद 50 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से क्षैतिज से 50° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद के ज़मीन से टकराने से पहले तय की गई क्षैतिज दूरी x ज्ञात कीजिए।

v₀ = 25 m/sθ = 50°h = 50 mg = 9.81 m/s²

x = m

17.कार्य और ऊर्जामध्यम

2.5 kg का एक गुटका क्षैतिज से 30° पर झुकी ढलान पर 3 m फिसलता है, गतिज घर्षण गुणांक 0.4 है। घर्षण के विरुद्ध किया गया कार्य W_f ज्ञात कीजिए।

m = 2.5 kgθ = 30°μ = 0.4d = 3 mg = 9.81 m/s²

W_f = J

18.कार्य और ऊर्जाकठिन

4 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 3 m ऊँचाई से विराम से छोड़ा जाता है। नीचे वह 3.5 m लंबी खुरदरी क्षैतिज पट्टी (μ = 0.3) पार करता है और फिर चिकनी सतह पर एक स्प्रिंग (k = 2000 N/m) से टकराता है। स्प्रिंग तक पहुँचने पर गुटके की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 4 kgh = 3 mL = 3.5 mμ = 0.3k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²

v = m/s

19.यांत्रिक कंपनमध्यम

एक 25 kg द्रव्यमान 15 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग और 370 N·s/m अवमंदन गुणांक वाले श्यान अवमंदक पर टिका है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

m = 25 kgk = 15 kN/mc = 370 N·s/m

ζ =

20.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 40 kg द्रव्यमान स्प्रिंग k₃ = 100 kN/m से लटका है। k₃ का ऊपरी सिरा एक दृढ़ छड़ से जुड़ा है जो अगल-बगल दो स्प्रिंगों k₁ = 10 kN/m और k₂ = 80 kN/m से लटकी है; छड़ समतल रहती है। अवमंदन तथा स्प्रिंगों और छड़ के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति f_n Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 40 kgk₁ = 10 kN/mk₂ = 80 kN/mk₃ = 100 kN/m

f_n = Hz

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक ऊष्मा इंजन 275 °C पर गर्म भंडार और 25 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। यह 2700 kJ ऊष्मा लेता है। यह अधिकतम कितना कार्य W_max उत्पन्न कर सकता है, ज्ञात कीजिए।

T_H = 275 °CT_L = 25 °CQ_H = 2700 kJ

W_max = kJ

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

एक रेफ़्रिजरेटर 30 °C वाली रसोई में अपने ठंडे भाग को -20 °C पर रखता है, ठंडे भाग से 4 kW ऊष्मा निकालते हुए। न्यूनतम शक्ति निवेश Ẇ_min ज्ञात कीजिए।

T_H = 30 °CT_L = -20 °CQ̇_L = 4 kW

Ẇ_min = kW

23.गैस शक्ति चक्रमध्यम

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 16 और कटऑफ़ अनुपात r_c = v₃/v₂ = 1.5 है। ठंडी-वायु-मानक मान्यताओं का उपयोग करें: वायु नियत विशिष्ट ऊष्माओं वाली आदर्श गैस है, k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) और c_v = 0.718 kJ/(kg·K)। इसकी ऊष्मीय दक्षता η प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

r = 16r_c = 1.5k = 1.4

η = %

24.गैस शक्ति चक्रकठिन

एक गैस-टरबाइन संयंत्र 20 संपीडक दाब अनुपात वाले ब्रेटन चक्र पर चलता है। वायु 310 K पर संपीडक में और 1400 K पर टरबाइन में प्रवेश करती है। दोनों मशीनें समएन्ट्रॉपिक हैं। ठंडी-वायु-मानक मान्यताओं का उपयोग करें: वायु नियत विशिष्ट ऊष्माओं वाली आदर्श गैस है, k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) और c_v = 0.718 kJ/(kg·K)। प्रति किलोग्राम वायु शुद्ध कार्य निर्गत w_net kJ/kg में ज्ञात कीजिए।

r_p = 20T₁ = 310 KT₃ = 1400 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी एक क्षैतिज वेंचुरी मीटर से बहता है जिसका प्रवेश व्यास 300 mm और कंठ व्यास 150 mm है। प्रवेश पर दाब कंठ की तुलना में 8 kPa अधिक है। हानियों को नगण्य मानते हुए प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए।

d₁ = 300 mmd₂ = 150 mmp₁ − p₂ = 8 kPaρ = 1000 kg/m³

Q = L/s

26.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

40 mm भीतरी व्यास वाला एक होज़ खुली टंकी से पानी साइफ़न करता है। होज़ का उच्चतम बिंदु C पानी की सतह से 0.5 m ऊपर है, और निकास (हवा में खुला) पानी की सतह से 2.5 m नीचे है। हानियों को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए।

d = 40 mmz_C = +0.5 mz₂ = −2.5 mg = 9.81 m/s²

Q = L/s

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम

जल (ρ = 1000 kg/m³) 200 mm आंतरिक व्यास वाले 500 m लंबे क्षैतिज पाइप से 2.1 m/s पर बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 और g = 9.81 m/s² लें। पाइप पर दाब पात Δp kPa में ज्ञात कीजिए।

V = 2.1 m/sL = 500 mD = 200 mmf = 0.015ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन

200 mm आंतरिक व्यास (डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015) वाला 150 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। 75 L/s की प्रवाह दर के लिए जलाशय की सतह पाइप निकास से कितनी H ऊपर होनी चाहिए?

Q = 75 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×3)K_valve = 5

H = m

29.पंप और पंप शक्तिमध्यम

एक पंप 24 m शीर्ष के विरुद्ध 15 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। पंप दक्षता 75% है और उसे चलाने वाली विद्युत मोटर की दक्षता 88% है। g = 9.81 m/s² लें। मोटर द्वारा ली गई विद्युत शक्ति P_el kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 15 L/sH = 24 mη_pump = 75%η_motor = 88%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

30.पंप और पंप शक्तिकठिन

एक पंप 50 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 16 m ऊँची है। पाइप 300 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 150 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.025 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 8 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। ऊपरी टैंक बंद है और उसके जल के ऊपर की वायु 150 kPa के गेज दाब पर है। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।

Q = 50 L/sΔz = 16 mL = 300 mD = 150 mmf = 0.025ΣK = 8p_tank = 150 kPa

H = m

31.ऊष्मा चालनमध्यम

एक दीवार खनिज ऊन की 50 mm और जिप्सम बोर्ड की 75 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 6 m²। बाहरी फलक 16 °C और 6 °C पर हैं। दीवार से ऊष्मा प्रवाह Q̇ ज्ञात कीजिए।

L₁ = 50 mm, k₁ = 0.04 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 6 m²T₁ = 16 °CT₃ = 6 °C

Q̇ = W

32.ऊष्मा चालनकठिन

250 mm जिप्सम बोर्ड और 50 mm काँच की दीवार 21 °C वाले कमरे को 1 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 7.7 W/(m²·K) और बाहर 25 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 20 m² है। दीवार की भीतरी सतह का तापमान T_s ज्ञात कीजिए।

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0.96 W/(m·K)A = 20 m²h_i = 7.7 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = 1 °C

T_s = °C

33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

960 rpm पर चल रही एक 7.5 kW मोटर 18 दाँतों वाले पिनियन को चलाती है, जो 60 दाँतों वाले गियर से जुड़ा है। गियर युग्म की दक्षता 96% है। गियर शाफ़्ट पर निर्गत बलाघूर्ण T₂ ज्ञात कीजिए।

P = 7.5 kWn₁ = 960 rpmN₁ = 18N₂ = 60η = 96%

T₂ = N·m

34.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक संयुक्त गियर ट्रेन में, 1500 rpm पर घूम रहे निवेश शाफ़्ट पर लगा गियर A (12 दाँत) गियर B (60 दाँत) को चलाता है। गियर C (18 दाँत) B वाले शाफ़्ट पर ही लगा है और निर्गत शाफ़्ट पर लगे गियर D (45 दाँत) को चलाता है। निर्गत चाल n_out ज्ञात कीजिए।

n_in = 1500 rpmA = 12B = 60C = 18D = 45

n_out = rpm

35.लाप्लास रूपांतरमध्यम

आंशिक भिन्नों से F(s) = 45/(s(s + 3)(s + 4)) के लिए f(t) ज्ञात कीजिए, और f(0.3) का मान निकालिए।

F(s) = 45/(s(s + 3)(s + 4))t = 0.3 s

f(0.3) =

36.लाप्लास रूपांतरकठिन

एक तंत्र अवकल समीकरण y″ + 4y′ + 3y = 9u से वर्णित है, जिसका इनपुट u(t) और आउटपुट y(t) है। इसका अंतरण फलन G(s) = Y(s)/U(s) (शून्य प्रारंभिक शर्तें) ज्ञात कीजिए और t = 0.5 s पर आवेग अनुक्रिया g(t) का मान निकालिए। g(0.5) ज्ञात कीजिए।

y″ + 4y′ + 3y = 9ut = 0.5 s

g(0.5) =

37.ब्लॉक आरेखमध्यम

संयंत्र G(s) = 3/(s + 4) में लब्धि H₁ = 5 वाला एक भीतरी (गौण) ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप है। नियंत्रक लब्धि K = 9 और एक बाहरी एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप तंत्र को बंद करते हैं। संवृत-लूप DC लब्धि T(0) ज्ञात कीजिए।

G(s) = 3/(s + 4)H₁ = 5K = 9

T(0) =

38.ब्लॉक आरेखकठिन

संयंत्र G(s) = K/((s + 2)(s + 5)(s + 8)) एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में है। अधिकतम स्थायी लब्धि पर लूप दोलन करता है। दोलन की आवृत्ति ω rad/s में ज्ञात कीजिए।

G(s) = K/((s + 2)(s + 5)(s + 8))एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश

ω = rad/s

39.सोपान अनुक्रियामध्यम

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 30.5/(s² + 8s + 61) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। सोपान अनुक्रिया का प्रतिशत अतिलंघन %OS ज्ञात कीजिए।

G(s) = 30.5/(s² + 8s + 61)

%OS = %

40.सोपान अनुक्रियाकठिन

R = 26 Ω, L = 20 mH और C = 4.7 µF वाला एक श्रेणी RLC परिपथ t = 0 पर 24 V सोपान से जोड़ा जाता है। सोपान से पहले संधारित्र अनावेशित है और कोई धारा नहीं बहती। अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति ω_n rad/s में ज्ञात कीजिए।

R = 26 ΩL = 20 mHC = 4.7 µFV = 24 V

ω_n = rad/s

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम

एक प्रक्रम G(s) = 1/(5s + 1) को एकांक पुनर्निवेश लूप में आनुपातिक लब्धि K = 4 से नियंत्रित किया जाता है। सोपान के लिए स्थायी-अवस्था त्रुटि e_ss ज्ञात कीजिए, सोपान के आकार के प्रतिशत के रूप में।

G(s) = 1/(5s + 1)K = 4

e_ss = %

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन

एक आनुपातिक नियंत्रक K = 2 संयंत्र G(s) = 5/(s(s + 5)) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। सोपान अनुक्रिया का शिखर समय t_p ज्ञात कीजिए।

G(s) = 5/(s(s + 5))K = 2

t_p = s

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = 32.5 kN

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

मुक्त-पिंड आरेख

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

संतुलन

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

ΣM_A = 0: R_B·10 = 25·6 + 25·7

R_B = 325/10 = 32.5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 50 − 32.5 = 17.5 kN

उत्तर

R_B = 32.5 kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_A = 40.85 kN

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

P के घटक

P_v = 20·sin 30° = 10 kN

P_h = 20·cos 30° = 17.32 kN

प्रतिक्रियाएँ

ΣM_A = 0: R_B·10 = 10·5 + 40·2 → R_B = 13 kN

A_y = 10 + 40 − 13 = 37 kN

A_x = P_h = 17.32 kN

A पर परिणामी

R_A = √(17.32² + 37²) = 40.85 kN

उत्तर

R_A = 40.85 kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: ε = 3183 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 = 100·1000/314.2 = 318.3 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for पीतल = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 318.3/100000 = 0.003183 = 3183 µε

उत्तर

ε = 3183 µε

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: σ₂ = 17.14 MPa

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

कठोरताएँ

k₁ = 200000·706.9/600 = 235619 N/mm

k₂ = 70000·2827/200 = 989602 N/mm

खंड 2 का हिस्सा

F₂ = 60000·989602/1.225 × 10⁶ = 48462 N

प्रतिबल

σ₂ = 48462/2827 = 17.14 MPa (संपीडन)

उत्तर

σ₂ = 17.14 MPa

5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ = 0.8768 °

वृत्ताकार शाफ़्ट का मरोड़: अपरूपण प्रतिबल केंद्र पर शून्य से सतह पर τ_max = T·r/J तक रैखिक रूप से बढ़ता है, ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32 और खोखले के लिए J = π(d_o⁴ − d_i⁴)/32। मरोड़ कोण रेडियन में φ = TL/(GJ) है। शक्ति और बलाघूर्ण P = T·ω से जुड़े हैं।

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

मरोड़ कोण

φ = TL/(GJ) = 100·1000·1500/(39000·251327) = 0.0153 rad

φ = 0.0153·180/π = 0.8768°

उत्तर

φ = 0.8768°

6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: τ_max = 16.21 MPa

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·750/60 = 78.54 rad/s

T = P/ω = 15000/78.54 = 191 N·m

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π(40⁴ − 20⁴)/32 = 235619 mm⁴

अधिकतम अपरूपण प्रतिबल

τ_max = T·(d_o/2)/J = 190986·20/235619 = 16.21 MPa

उत्तर

τ_max = 16.21 MPa

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 7.5 kN·m

खंड विधि: जहाँ आंतरिक बल चाहिए वहाँ बीम काटें और एक भाग रखें। अपरूपण बल V उस भाग के ऊर्ध्वाधर बलों को संतुलित करता है, और बंकन आघूर्ण M कट के परितः उनके आघूर्णों को।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 4·4 = 16 kN, x̄ = 2 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·4 = 4·4·2

R_B = 32/4 = 8 kN

ΣF_y = 0: R_A = 16 − 8 = 8 kN

x = 1.5 m पर काटें और बायाँ भाग रखें

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

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

M_x = 8·1.5 − 4·1.5·0.75 = 7.5 kN·m

उत्तर

M_x = 7.5 kN·m

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_max = 112.5 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।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 5·8 = 40 kN, x̄ = 4 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·8 = 40·5 + 5·8·4

R_B = 360/8 = 45 kN

ΣF_y = 0: R_A = 80 − 45 = 35 kN

V = 0 कहाँ है?

V(5⁻) = R_A − w·5 = 10 kN

V(5⁺) = 10 − 40 = −30 kN

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

अधिकतम आघूर्ण

M_max = R_A·5 − w·5²/2 = 35·5 − 5·5²/2 = 112.5 kN·m

उत्तर

M_max = 112.5 kN·m

यह A से x = 5 m पर होता है।

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: θ_p = 15.48 °

समतल प्रतिबल रूपांतरण: θ से घुमाए गए तल पर σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ। मोर वृत्त सभी तलों को एक साथ दिखाता है: उसका केंद्र C = (σₓ + σᵧ)/2 पर और त्रिज्या R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) है। मुख्य प्रतिबल C ± R हैं, और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है।

वृत्त पर कोण

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

2θ_p = atan2(2·60, 150 − −50) = 30.96°

अवयव पर कोण

θ_p = 15.48°

उत्तर

θ_p = 15.48°

धनात्मक कोण वामावर्त होते हैं।

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_θ = 74.82 MPa

रूपांतरण समीकरण

σ_θ = 65 + −15·0.5 + −20·−0.866 = 74.82 MPa

उत्तर

σ_θ = 74.82 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: θ_A = 0.00372 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 = 1.12 × 10¹³ N·mm²

सिरा प्रवणता

θ_A = wL³/(24EI) = 8·5000³/(24·1.12 × 10¹³) = 0.00372 rad

उत्तर

θ_A = 0.00372 rad

यह 0.2132° है।

12.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_max = 1.488 mm

एकरूप इकाइयाँ

N और mm में काम करें: P N में, w N/mm में (kN/m = N/mm), L mm में, E N/mm² में (GPa × 1000), I mm⁴ में।

P = 20000 N, w = 2 N/mm, L = 2000 mm, EI = 2.52 × 10¹² N·mm²

हर भार अलग से

δ_P = PL³/(48EI) = 20000·2000³/(48·2.52 × 10¹²) = 1.323 mm

δ_w = 5wL⁴/(384EI) = 5·2·2000⁴/(384·2.52 × 10¹²) = 0.1653 mm

जोड़ें

δ_max = 1.323 + 0.1653 = 1.488 mm

उत्तर

δ_max = 1.488 mm

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 26.32 kN

ऑयलर बकलिंग: पतला स्तंभ P_cr = π²EI/(KL)² पर अस्थिर हो जाता है, जहाँ KL प्रभावी लंबाई है: पिन–पिन के लिए K = 1, जड़ित–मुक्त के लिए 2, जड़ित–पिन के लिए 0.7 और जड़ित–जड़ित के लिए 0.5। यह सबसे छोटे I वाली अक्ष के परितः मुड़ता है। सूत्र उन पतले स्तंभों के लिए मान्य है जिनका क्रांतिक प्रतिबल पराभव प्रतिबल से कम रहता है।

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

आयत अपनी कमज़ोर अक्ष के परितः, छोटी विमा के घन के साथ मुड़ता है।

I_min = h·b³/12 = 80·20³/12 = 53333 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 2·1000 = 2000 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·53333/2000² = 26319 N = 26.32 kN

उत्तर

P_cr = 26.32 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σ_cr = 9.715 MPa

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 = 1·4000 = 4000 mm

KL/r = 4000/15 = 266.7

क्रांतिक प्रतिबल

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/266.7² = 9.715 MPa

उत्तर

σ_cr = 9.715 MPa

15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: x = 37.74 m

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

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

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

v_x = v₀·cos θ = 24·cos 70° = 8.208 m/s

v_y = v₀·sin θ = 24·sin 70° = 22.55 m/s

उड़ान का समय

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

t = 2·22.55/9.81 = 4.598 s

क्षैतिज दूरी

x = v_x·t = 8.208·4.598 = 37.74 m

उत्तर

x = 37.74 m

16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: x = 91.51 m

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

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

v_x = v₀·cos θ = 25·cos 50° = 16.07 m/s

v_y = v₀·sin θ = 25·sin 50° = 19.15 m/s

उड़ान का समय

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

0 = 50 + 19.15·t − 4.905·t²

t = (v_y + √(v_y² + 2gh))/g = (19.15 + √(366.8 + 981))/9.81 = 5.694 s

क्षैतिज दूरी

x = v_x·t = 16.07·5.694 = 91.51 m

उत्तर

x = 91.51 m

17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: W_f = 25.49 J

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)।

घर्षण बल

N = mg·cos θ = 24.53·0.866 = 21.24 N

F = μN = 0.4·21.24 = 8.496 N

घर्षण के विरुद्ध कार्य

W_f = F·d = 8.496·3 = 25.49 J

उत्तर

W_f = 25.49 J

18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 6.185 m/s

खुरदरी पट्टी के बाद शेष ऊर्जा

रैम्प चिकना है, इसलिए केवल पट्टी ऊर्जा हटाती है।

mgh − μmgL = 39.24·(3 − 0.3·3.5) = 76.52 J

स्प्रिंग पर चाल

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·1.95) = 6.185 m/s

उत्तर

v = 6.185 m/s

19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: ζ = 0.3021

द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र का मुक्त कंपन: अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति rad/s में ω_n = √(k/m) है, और Hz में f_n = ω_n/(2π)। एक श्यान अवमंदक c अवमंदन अनुपात ζ = c/c_c देता है, जहाँ क्रांतिक अवमंदन c_c = 2·√(k·m) = 2·m·ω_n। अल्प-अवमंदित तंत्र (ζ < 1) ω_d = ω_n·√(1 − ζ²) पर दोलन करता है। समांतर में स्प्रिंग जुड़ते हैं, k = k₁ + k₂; श्रेणी में स्प्रिंग व्युत्क्रम के रूप में जुड़ते हैं, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂।

क्रांतिक अवमंदन

c_c = 2·√(k·m) = 2·√(15000·25) = 1225 N·s/m

अवमंदन अनुपात

ζ = c/c_c = 370/1225 = 0.3021

उत्तर

ζ = 0.3021

ζ < 1, इसलिए तंत्र अल्प-अवमंदित है और क्षीण होते हुए दोलन करता है।

20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_n = 5.477 Hz

तुल्य दृढ़ता

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

k₁₂ = 10 + 80 = 90 kN/m

k_eq = 90·100/(90 + 100) = 47.37 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(47368/40) = 34.41 rad/s

f_n = 34.41/(2π) = 5.477 Hz

उत्तर

f_n = 5.477 Hz

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: W_max = 1231 kJ

द्वितीय नियम की सीमाएँ: परम तापमान T_H और T_L वाले भंडारों के बीच कोई भी चक्र उत्क्रमणीय (कार्नो) चक्र से बेहतर नहीं हो सकता: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) और COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L)। ऊर्जा हमेशा संरक्षित रहती है: Q_H = W + Q_L।

परम तापमान

T_H = 275 + 273.15 = 548.1 K

T_L = 25 + 273.15 = 298.1 K

कार्नो दक्षता

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 298.1/548.1 = 45.61 %

अधिकतम कार्य

W_max = η_max·Q_H = 0.4561·2700 = 1231 kJ

उत्तर

W_max = 1231 kJ

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Ẇ_min = 0.79 kW

परम तापमान

T_H = 30 + 273.15 = 303.1 K

T_L = -20 + 273.15 = 253.1 K

सर्वोत्तम संभव COP

COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) = 253.1/(303.1 − 253.1) = 5.063

न्यूनतम शक्ति

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

Ẇ_min = Q̇_L/COP = 4/5.063 = 0.79 kW

उत्तर

Ẇ_min = 0.79 kW

23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: η = 63.99 %

डीज़ल चक्र (संपीडन-इग्निशन इंजन): 1→2 समएन्ट्रॉपिक संपीडन, 2→3 नियत दाब पर ऊष्मा का योग, 3→4 समएन्ट्रॉपिक प्रसार, 4→1 नियत आयतन पर ऊष्मा का निष्कासन। संपीडन अनुपात r = v₁/v₂ और कटऑफ़ अनुपात r_c = v₃/v₂ के साथ: T₂ = T₁·r^k−1, T₃ = r_c·T₂, q_in = c_p·(T₃ − T₂) और η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1))।

कटऑफ़ पद

(1.5^1.4 − 1)/(1.4·(1.5 − 1)) = 1.092

तापीय दक्षता

η = 1 − 0.3299·1.092 = 63.99%

उत्तर

η = 63.99%

24.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: w_net = 387.5 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 r_p = P₂/P₁ के साथ: T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k, T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k और η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k। शुद्ध कार्य w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]। समएन्ट्रॉपिक दक्षताओं के साथ संपीडक को w_s/η_c चाहिए और टरबाइन η_t·w_s देती है।

समएन्ट्रॉपिक तापमान

T₂ = 310·20^0.2857 = 729.6 K

T₄ = 1400/20^0.2857 = 594.8 K

संपीडक और टरबाइन कार्य

w_c = 1.005·(729.6 − 310) = 421.7 kJ/kg

w_t = 1.005·(1400 − 594.8) = 809.2 kJ/kg

शुद्ध कार्य

w_net = 809.2 − 421.7 = 387.5 kJ/kg

उत्तर

w_net = 387.5 kJ/kg

बैक-वर्क अनुपात: w_c/w_t = 52.11%।

25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 73 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·(150/300)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 = √(2·8000/(1000·(1 − 0.0625))) = 4.131 m/s

v₁ = 1.033 m/s

प्रवाह दर

Q = A₂·v₂ = 0.01767·4.131 = 0.073 m³/s = 73 L/s

उत्तर

Q = 73 L/s

26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 8.801 L/s

होज़ में वेग

सतह और निकास दोनों हवा में खुले हैं, इसलिए दाब पद कट जाते हैं।

v = √(2g·2.5) = √(2·9.81·2.5) = 7.004 m/s

प्रवाह दर

Q = A·v = 0.001257·7.004 = 0.008801 m³/s = 8.801 L/s

उत्तर

Q = 8.801 L/s

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Δp = 82.69 kPa

पाइप प्रवाह: रेनॉल्ड्स संख्या Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ स्तरीय प्रवाह (Re लगभग 2000 से कम) को विक्षुब्ध प्रवाह (लगभग 4000 से अधिक) से अलग करती है। पाइप के अनुदिश घर्षण से डार्सी–वाइसबाख शीर्ष हानि h_f = f·(L/D)·V²/(2g) होती है। फ़िटिंग, वाल्व, प्रवेश और निकास लघु हानियाँ h_m = ΣK·V²/(2g) जोड़ते हैं। दो खुले जलाशय सतहों के बीच ऊर्जा समीकरण Δz = h_f + h_m देता है, जिसमें निकास हानि K = 1 शामिल है।

शीर्ष हानि

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(500/0.2)·2.1²/(2·9.81) = 8.429 m

दाब पात

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

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9.81·8.429 = 82687 Pa = 82.69 kPa

उत्तर

Δp = 82.69 kPa

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: H = 5.418 m

वेग

V = Q/A = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s

V²/(2g) = 0.2905 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.015·150/0.2 = 11.25

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 + 11.25 + 6.4)·0.2905 = 5.418 m

उत्तर

H = 5.418 m

29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_el = 5.351 kW

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

द्रवीय शक्ति

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.015·24 = 3.532 kW

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = 3.532/0.75 = 4.709 kW

विद्युत शक्ति

P_el = 4.709/0.88 = 5.351 kW

उत्तर

P_el = 5.351 kW

30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 54.96 m

वेग

V = Q/A = 0.05/0.01767 = 2.829 m/s

V²/(2g) = 0.408 m

शीर्ष हानियाँ

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (50 + 8)·0.408 = 23.67 m

दाब शीर्ष

p/(ρ·g) = 150000/(1000·9.81) = 15.29 m

पंप शीर्ष

दोनों सतहें लगभग विराम में हैं, इसलिए कोई वेग शीर्ष पद नहीं है।

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 16 + 15.29 + 23.67 = 54.96 m

उत्तर

H = 54.96 m

31.ऊष्मा चालन

उत्तर: Q̇ = 35.48 W

तापीय प्रतिरोध: श्रेणी परतों से स्थिर ऊष्मा प्रवाह श्रेणी प्रतिरोधकों में धारा जैसा व्यवहार करता है: Q̇ = ΔT/ΣR, चालक परत के लिए R = L/(kA) और संवहन सतह के लिए R = 1/(hA)। हर परत पर तापमान पात उसके प्रतिरोध के अनुपात में होता है।

परत प्रतिरोध

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0.04·6) = 0.2083 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0.17·6) = 0.07353 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 10/0.2819 = 35.48 W

उत्तर

Q̇ = 35.48 W

32.ऊष्मा चालन

उत्तर: T_s = 19.47 °C

श्रेणी प्रतिरोध

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7.7·20) = 0.006494 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0.17·20) = 0.07353 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0.96·20) = 0.002604 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·20) = 0.002 K/W

ΣR = 0.08463 K/W

ऊष्मा हानि

Q̇ = (21 − (1))/0.08463 = 236.3 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 21 − 236.3·0.006494 = 19.47 °C

उत्तर

T_s = 19.47 °C

33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: T₂ = 238.7 N·m

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।

मोटर बलाघूर्ण

ω₁ = 2π·960/60 = 100.5 rad/s

T₁ = P/ω₁ = 7500/100.5 = 74.6 N·m

निर्गत बलाघूर्ण

T₂ = 74.6·60/18·0.96 = 238.7 N·m

उत्तर

T₂ = 238.7 N·m

34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n_out = 120 rpm

पहला चरण

n_B = 1500·12/60 = 300 rpm = n_C

दूसरा चरण

n_out = 300·18/45 = 120 rpm

उत्तर

n_out = 120 rpm

कुल अनुपात = 12.5 : 1

35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: f(0.3) = 1.04

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

आंशिक भिन्न

F(s) = A/s + B/(s + 3) + C/(s + 4)

A = 45/(3·4) = 3.75

B = 45/((−3)·1) = −15

C = 45/((−4)·(−1)) = 11.25

प्रतिलोम रूपांतर

f(t) = 3.75 − 15·e^−3t + 11.25·e^−4t

मान निकालें

f(0.3) = 3.75 − 15·e^−3·0.3 + 11.25·e^−4·0.3 = 1.04

उत्तर

f(0.3) = 1.04

36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: g(0.5) = 1.725

अंतरण फलन

G(s) = Y(s)/U(s) = 9/(s² + 4s + 3)

आंशिक भिन्न

s² + 4s + 3 = (s + 1)(s + 3)

A = 4.5, B = −4.5

आवेग अनुक्रिया

g(t) = 4.5·e^−t − 4.5·e^−3t

g(0.5) = 1.725

उत्तर

g(0.5) = 1.725

37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: T(0) = 0.587

ब्लॉक-आरेख बीजगणित: श्रेणी में ब्लॉक गुणा होते हैं (G₁·G₂), समांतर में ब्लॉक जुड़ते हैं (G₁ + G₂), और अग्र पथ G तथा पुनर्निवेश पथ H वाला लूप ऋणात्मक पुनर्निवेश के लिए T = G/(1 + G·H) और धनात्मक पुनर्निवेश के लिए G/(1 − G·H) में सरल होता है। पहले भीतरी लूप सरल करें, फिर बाहर की ओर बढ़ें। संवृत-लूप ध्रुव अभिलाक्षणिक समीकरण 1 + G(s)H(s) = 0 के मूल हैं। स्थायी लूप के लिए आकार A का सोपान इनपुट स्थायी-अवस्था आउटपुट A·T(0) देता है; एकांक पुनर्निवेश के साथ सोपान के लिए स्थायी-अवस्था त्रुटि A/(1 + K_p) है, जहाँ K_p = G(0)।

भीतरी लूप

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 3/(s + 4 + 3·5) = 3/(s + 19)

बाहरी लूप

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 27/(s + 19 + 27) = 27/(s + 46)

परिणाम

T(0) = 27/46 = 0.587

उत्तर

T(0) = 0.587

38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: ω = 8.124 rad/s

अभिलाक्षणिक समीकरण

s³ + 15s² + 66s + 80 + K = 0

राउथ सारणी

s³ | 1 66

s² | 15 80 + K

s¹ | (15·66 − 80 − K)/15

s⁰ | 80 + K

स्थायित्व सीमा

पहले स्तंभ की सभी प्रविष्टियाँ धनात्मक होनी चाहिए।

K_max = 15·66 − 80 = 910

दोलन की आवृत्ति

15·(jω)² + 80 + 910 = 0 → ω² = 990/15 = 66

ω = 8.124 rad/s

उत्तर

ω = 8.124 rad/s

39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: %OS = 15.36 %

सोपान अनुक्रिया: एक प्रथम-कोटि तंत्र G(s) = K/(τs + 1) आकार U के सोपान का उत्तर y(t) = K·U·(1 − e^−t/τ) से देता है: यह एक समय स्थिरांक τ के बाद अंतिम मान K·U के 63.2 % और 4τ के बाद 98 % तक पहुँचता है। एक द्वितीय-कोटि तंत्र G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) के ध्रुव s = −ζωₙ ± jω_d हैं, जहाँ ω_d = ωₙ√(1 − ζ²)। 0 < ζ < 1 के लिए सोपान अनुक्रिया अतिलंघन करती है: प्रतिशत अतिलंघन %OS = 100·e^{−ζπ/√(1−ζ²)}, शिखर समय t_p = π/ω_d, और 2 % स्थिरीकरण समय t_s ≈ 4/(ζωₙ)। ωₙ और ζ पढ़ने के लिए हर की तुलना s² + 2ζωₙs + ωₙ² से करें। द्रव्यमान–स्प्रिंग–अवमंदक के लिए ωₙ = √(k/m) और ζ = c/(2√(km)); श्रेणी RLC परिपथ के लिए ωₙ = 1/√(LC) और ζ = (R/2)·√(C/L)।

मानक रूप से तुलना करें

हर s² + 2ζωₙs + ωₙ² से मेल खाना चाहिए।

ωₙ² = 61 → ωₙ = 7.81 rad/s

2ζωₙ = 8 → ζ = 8/(2·7.81) = 0.5121

परिणाम

%OS = 100·e^{−ζπ/√(1−ζ²)} = 100·e^−1.873 = 15.36 %

उत्तर

%OS = 15.36 %

40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: ω_n = 3262 rad/s

प्राकृतिक आवृत्ति और अवमंदन अनुपात

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.02·4.7 × 10⁻⁶) = 3262 rad/s

ζ = (R/2)·√(C/L) = (26/2)·√(4.7 × 10⁻⁶/0.02) = 0.1993

परिणाम

ωₙ = 3262 rad/s

उत्तर

ω_n = 3262 rad/s

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: e_ss = 20 %

स्थायी-अवस्था त्रुटि: विवृत-लूप अंतरण फलन G(s) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप में त्रुटि E(s) = R(s)/(1 + G(s)) होती है, और अंतिम मान प्रमेय से e_ss = lim_s→0 s·E(s)। तंत्र का प्रकार G(s) के s = 0 पर ध्रुवों की संख्या है। त्रुटि स्थिरांक K_p = lim G(s), K_v = lim s·G(s) और K_a = lim s²·G(s) हैं, सभी s → 0 के लिए। आकार A का सोपान e_ss = A/(1 + K_p) देता है, रैंप A·t से A/K_v और परवलय A·t²/2 से A/K_a मिलता है। प्रकार-0 लूप सोपान का अनुसरण परिमित त्रुटि के साथ करता है, जबकि प्रकार-1 लूप उसका अनुसरण पूरी तरह करता है और रैंप का परिमित त्रुटि के साथ।

स्थिति स्थिरांक

K_p = 4·1 = 4

सोपान त्रुटि

e_ss = 100/(1 + 4) = 20 %

उत्तर

e_ss = 20 %

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: t_p = 1.622 s

P, PI और PID नियंत्रण: नियंत्रक C(s) = K_p + K_i/s + K_d·s त्रुटि पर कार्य करता है। आनुपातिक लब्धि लूप को तेज़ बनाती है और प्रकार-0 संयंत्र की त्रुटि घटाती है, पर उसे कभी समाप्त नहीं करती। समाकल पद s = 0 पर एक ध्रुव जोड़ता है: तंत्र का प्रकार एक बढ़ जाता है, और सोपान का अनुसरण बिना त्रुटि के होता है। अवकल पद अवमंदन जोड़ता है। लब्धियाँ चुनने के लिए संवृत-लूप अभिलाक्षणिक बहुपद लिखिए और उसकी तुलना s² + 2ζω_ns + ω_n² से कीजिए। तब %OS = 100·e^{−ζπ/√(1−ζ²)}, t_p = π/ω_d, जहाँ ω_d = ω_n√(1 − ζ²), और t_s ≈ 4/(ζω_n)।

अभिलाक्षणिक बहुपद

s(s + 5) + 2·5 = s² + 5s + 10

ωₙ और ζ

ωₙ = √10 = 3.162 rad/s

ζ = 5/(2·3.162) = 0.7906

शिखर काल

ω_d = 3.162·√(1 − 0.7906²) = 1.936 rad/s

t_p = π/1.936 = 1.622 s

उत्तर

t_p = 1.622 s

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