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_A ज्ञात कीजिए।

L = 6 mP₁ = 15 kN पर 1 mP₂ = 15 kN पर 2.5 m

R_A = kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन

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

L = 4 mP = 50 kN पर 2 mw = 12 kN/m, 1 से 2 m तक

R_B = kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

एक छड़ स्टील के खंड (व्यास 20 mm, लंबाई 500 mm, E = 200 GPa) से बनी है, जो एल्युमिनियम के बने खंड (व्यास 60 mm, लंबाई 400 mm, E = 70 GPa) से सिरे से सिरा जोड़कर जुड़ा है। वह एक सिरे पर स्थिर है और दूसरे पर खींची जाती है। वह अक्षीय भार P ज्ञात कीजिए जो उसे कुल 0.5 mm खींचता है।

खंड 1: स्टील, Ø20 mm, 500 mm, E = 200 GPaखंड 2: एल्युमिनियम, Ø60 mm, 400 mm, E = 70 GPaδ = 0.5 mm

P = kN

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

सोपानी छड़ दीवार में जड़ित है और अपने मुक्त सिरे पर भारित है। छड़ में सबसे बड़ा अभिलंब प्रतिबल σ_max ज्ञात कीजिए।

P = 10 kNखंड 1: Ø40 mm, 1.5 m, स्टील (E = 200 GPa)खंड 2: Ø12 mm, 1.5 m, ताँबा (E = 117 GPa)

σ_max = MPa

5.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

0.5 m लंबा एक ठोस पीतल शाफ़्ट 250 N·m का बलाघूर्ण वहन करता है। उसके सिरों के बीच मरोड़ कोण 0.5° से अधिक नहीं होना चाहिए। इस सीमा को पूरा करने वाला सबसे छोटा व्यास d ज्ञात कीजिए।

T = 250 N·mL = 0.5 mG = 39 GPaφ_allow = 0.5°

d = mm

6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक खोखला शाफ़्ट 1450 rpm पर 100 kW संचारित करता है। शाफ़्ट में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

P = 100 kWN = 1450 rpmd_o = 80 mmd_i = 48 mm

τ_max = MPa

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

सरल आलंबित बीम A से x = 1 m पर दक्षिणावर्त बलयुग्म M₀ = 30 kN·m वहन करता है, और कोई अन्य भार नहीं। बलयुग्म के ठीक दाईं ओर बंकन आघूर्ण M_x ज्ञात कीजिए। सैगिंग आघूर्णों को और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण को धनात्मक लें।

L = 4 mM₀ = 30 kN·m दक्षिणावर्त, स्थान 1 m

M_x = kN·m

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

सरल आलंबित बीम अपने विस्तार के एक भाग पर समान वितरित भार वहन करता है। बीम में अधिकतम बंकन आघूर्ण M_max ज्ञात कीजिए।

L = 6 mw = 10 kN/m, 3 से 6 m तक

M_max = kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

एक पतली प्लेट का एक बिंदु समतल प्रतिबल में है: σₓ = 160 MPa, σᵧ = 100 MPa और τₓᵧ = −20 MPa, σ_z = 0 के साथ। बिंदु पर निरपेक्ष अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_abs ज्ञात कीजिए (तीन विमाओं में सभी तलों पर विचार करते हुए)।

σ_x = 160 MPaσ_y = 100 MPaτ_xy = −20 MPaσ_z = 0

τ_abs = MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 70 MPa, σᵧ = −20 MPa और τₓᵧ = −40 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अभिलंब प्रतिबल σ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 20° दक्षिणावर्त घुमाया गया है।

σ_x = 70 MPaσ_y = −20 MPaτ_xy = −40 MPaθ = -20°

σ_θ = MPa

11.बीम विक्षेपमध्यम

एक कैंटिलीवर अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w वहन करता है। मुक्त सिरे पर विक्षेप δ ज्ञात कीजिए।

w = 5 kN/mL = 2 mE = 200 GPa (स्टील)I = 12 × 10⁶ mm⁴

δ = mm

12.बीम विक्षेपकठिन

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 I_req ज्ञात कीजिए।

w = 4 kN/mL = 8 mE = 200 GPa (स्टील)

I_req = × 10⁶ mm⁴

13.स्तंभ बकलिंगमध्यम

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

L = 6 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)b × h = 25 × 80 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

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

L = 5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 50 mm

σ_cr = MPa

15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

एक गेंद समतल ज़मीन से क्षैतिज से 20° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद के ज़मीन से टकराने तक उड़ान का समय t ज्ञात कीजिए।

v₀ = 30 m/sθ = 20°g = 9.81 m/s²

t = s

16.प्रक्षेप्य गतिकठिन

ज़मीन के स्तर से एक गेंद 31 m/s से क्षैतिज से 50° ऊपर फेंकी जाती है। यह नीचे आते समय 2 m ऊँची इमारत की समतल छत पर गिरती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। प्रक्षेपण बिंदु से गिरने के स्थान तक क्षैतिज दूरी x ज्ञात कीजिए।

v₀ = 31 m/sθ = 50°h_roof = 2 mg = 9.81 m/s²

x = m

17.कार्य और ऊर्जामध्यम

एक 10 kg गेंद 1.5 m लंबी हल्की डोरी पर लटकी है। उसे तब तक एक ओर खींचा जाता है जब तक डोरी ऊर्ध्वाधर से 40° न बना ले, और विराम से छोड़ा जाता है। जब गेंद निम्नतम बिंदु से गुज़रती है तब डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।

m = 10 kgL = 1.5 mθ = 40°g = 9.81 m/s²

T = N

18.कार्य और ऊर्जाकठिन

5 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 1.5 m ऊँचाई से विराम से छोड़ा जाता है। नीचे वह 4 m लंबी खुरदरी क्षैतिज पट्टी (μ = 0.1) पार करता है और फिर चिकनी सतह पर एक स्प्रिंग (k = 5000 N/m) से टकराता है। स्प्रिंग का अधिकतम संपीडन x ज्ञात कीजिए।

m = 5 kgh = 1.5 mL = 4 mμ = 0.1k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²

x = cm

19.यांत्रिक कंपनमध्यम

एक 20 kg द्रव्यमान 40 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग और 1070 N·s/m अवमंदन गुणांक वाले श्यान अवमंदक पर टिका है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

m = 20 kgk = 40 kN/mc = 1070 N·s/m

ζ =

20.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 25 kg द्रव्यमान सिरे-से-सिरे जुड़े (श्रेणी में) दो स्प्रिंगों से लटका है: ऊपरी स्प्रिंग k₁ = 80 kN/m और निचला k₂ = 25 kN/m है। अवमंदन और स्प्रिंगों के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति f_n Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 25 kgk₁ = 80 kN/mk₂ = 25 kN/m

f_n = Hz

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक ऊष्मा इंजन 550 °C पर गर्म भंडार और 40 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। यह 2200 kJ ऊष्मा लेता है। यह अधिकतम कितना कार्य W_max उत्पन्न कर सकता है, ज्ञात कीजिए।

T_H = 550 °CT_L = 40 °CQ_H = 2200 kJ

W_max = kJ

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

एक रेफ़्रिजरेटर 32 °C वाली रसोई में अपने ठंडे भाग को 4 °C पर रखता है, ठंडे भाग से 3.5 kW ऊष्मा निकालते हुए। न्यूनतम शक्ति निवेश Ẇ_min ज्ञात कीजिए।

T_H = 32 °CT_L = 4 °CQ̇_L = 3.5 kW

Ẇ_min = kW

23.गैस शक्ति चक्रमध्यम

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 15 और कटऑफ़ अनुपात r_c = v₃/v₂ = 1.8 है। संपीडन की शुरुआत में वायु 305 K पर 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)। प्रति किलोग्राम वायु दी गई ऊष्मा q_in kJ/kg में ज्ञात कीजिए।

r = 15r_c = 1.8T₁ = 305 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

24.गैस शक्ति चक्रकठिन

एक गैस-टरबाइन संयंत्र 8 संपीडक दाब अनुपात वाले ब्रेटन चक्र पर चलता है। वायु 300 K पर संपीडक में और 1500 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 = 8T₁ = 300 KT₃ = 1500 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी एक क्षैतिज पाइप में बहता है जो 100 mm से 50 mm तक संकरा होता है। चौड़े भाग में दाब 210 kPa और वेग 1.75 m/s है। हानियाँ नगण्य मानकर संकरे भाग में दाब p₂ ज्ञात कीजिए।

d₁ = 100 mmd₂ = 50 mmp₁ = 210 kPav₁ = 1.75 m/sρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

26.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

पानी एक पाइप में ऊपर की ओर बहता है जो 100 mm से 75 mm तक संकरा होता है और 3 m ऊपर उठता है। खंड 1 पर दाब 330 kPa और वेग 1.75 m/s है। हानियाँ नगण्य मानकर खंड 2 पर दाब p₂ ज्ञात कीजिए।

d₁ = 100 mmd₂ = 75 mmp₁ = 330 kPav₁ = 1.75 m/sΔz = 3 mρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम

जल (ρ = 1000 kg/m³) 300 mm आंतरिक व्यास वाले 300 m लंबे क्षैतिज पाइप से 1.1 m/s पर बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.018 और g = 9.81 m/s² लें। पाइप पर दाब पात Δp kPa में ज्ञात कीजिए।

V = 1.1 m/sL = 300 mD = 300 mmf = 0.018ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन

दो खुले जलाशय 100 m लंबे, 200 mm आंतरिक व्यास और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 वाले पाइप से जुड़े हैं। ऊपरी जलाशय की जल सतह निचले जलाशय की सतह से 35 m ऊपर है। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 4 मोड़ (हर एक K = 0.3), एक वाल्व (K = 10) और निचले जलाशय में निकास (K = 1.0)। g = 9.81 m/s² लें। प्रवाह दर Q L/s में ज्ञात कीजिए।

Δz = 35 mL = 100 mD = 200 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×4)K_valve = 10K_exit = 1.0

Q = L/s

29.पंप और पंप शक्तिमध्यम

एक पंप 34 m शीर्ष के विरुद्ध 40 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। पंप दक्षता 72% 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 = 40 L/sH = 34 mη_pump = 72%η_motor = 88%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

30.पंप और पंप शक्तिकठिन

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 16 m ऊँची है। पाइप 150 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 200 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 6 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। ऊपरी टैंक बंद है और उसके जल के ऊपर की वायु 100 kPa के गेज दाब पर है। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।

Q = 80 L/sΔz = 16 mL = 150 mD = 200 mmf = 0.015ΣK = 6p_tank = 100 kPa

H = m

31.ऊष्मा चालनमध्यम

एक दीवार कंक्रीट की 200 mm और लकड़ी की 25 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 6 m²। बाहरी फलक 23 °C और -13 °C पर हैं। दीवार से ऊष्मा प्रवाह Q̇ ज्ञात कीजिए।

L₁ = 200 mm, k₁ = 1.4 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 6 m²T₁ = 23 °CT₃ = -13 °C

Q̇ = W

32.ऊष्मा चालनकठिन

50 mm काँच और 50 mm लकड़ी की दीवार 21 °C वाले कमरे को -7 °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 = 50 mm, k₁ = 0.96 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -7 °C

Q̇ = W

33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

80 mm की घिरनी 2880 rpm पर पट्टे से 200 mm की घिरनी को 1.5 % फिसलन के साथ चलाती है। चालित घिरनी की गति n₂ ज्ञात कीजिए।

n₁ = 2880 rpmd₁ = 80 mmd₂ = 200 mms = 1.5 %

n₂ = rpm

34.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक संयुक्त गियर ट्रेन में, 1440 rpm पर घूम रहे निवेश शाफ़्ट पर लगा गियर A (12 दाँत) गियर B (15 दाँत) को चलाता है। गियर C (36 दाँत) B वाले शाफ़्ट पर ही लगा है और निर्गत शाफ़्ट पर लगे गियर D (40 दाँत) को चलाता है। निर्गत चाल n_out ज्ञात कीजिए।

n_in = 1440 rpmA = 12B = 15C = 36D = 40

n_out = rpm

35.लाप्लास रूपांतरमध्यम

वर्ग पूरा करके F(s) = 9/(s² + 8s + 41) के लिए f(t) ज्ञात कीजिए, और f(0.4) का मान निकालिए।

F(s) = 9/(s² + 8s + 41)t = 0.4 s

f(0.4) =

36.लाप्लास रूपांतरकठिन

लाप्लास रूपांतर से y(0) = 1 और y′(0) = 6 के साथ y″ + 5y′ + 4y = 0 हल कीजिए, और y(0.5) ज्ञात कीजिए।

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 1y′(0) = 6t = 0.5 s

y(0.5) =

37.ब्लॉक आरेखमध्यम

संयंत्र G(s) = 9/(s + 2) में लब्धि H₁ = 3 वाला एक भीतरी (गौण) ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप है। नियंत्रक लब्धि K = 17 और एक बाहरी एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप तंत्र को बंद करते हैं। संवृत-लूप ध्रुव p ज्ञात कीजिए।

G(s) = 9/(s + 2)H₁ = 3K = 17

p =

38.ब्लॉक आरेखकठिन

एक आनुपातिक नियंत्रक K एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में संयंत्र G(s) = 8/(s + 10) को चलाता है। R = 0 रहते हुए आकार 2 का विक्षोभ सोपान संयंत्र इनपुट पर प्रवेश करता है। वह न्यूनतम लब्धि K ज्ञात कीजिए जो स्थायी-अवस्था आउटपुट को 0.32 या उससे कम रखे।

G(s) = 8/(s + 10)D = 2c_ss ≤ 0.32

K =

39.सोपान अनुक्रियामध्यम

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 59/(s² + 3s + 59) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। t_s ≈ 4/(ζωₙ) का उपयोग करके सोपान अनुक्रिया का 2 % स्थिरीकरण समय t_s ज्ञात कीजिए।

G(s) = 59/(s² + 3s + 59)

t_s = s

40.सोपान अनुक्रियाकठिन

एक एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में G(s) = 20/(s(s + 2)) है। t_s ≈ 4/(ζωₙ) का उपयोग करके संवृत-लूप सोपान अनुक्रिया का 2 % स्थिरीकरण समय t_s ज्ञात कीजिए।

G(s) = 20/(s(s + 2))

t_s = s

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम

परवलयिक निवेश r(t) = 5·t²/2 को G(s) = 20(s + 2)/(s²(s + 1)) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप पर लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था त्रुटि e_ss ज्ञात कीजिए।

G(s) = 20(s + 2)/(s²(s + 1))r(t) = 5·t²/2

e_ss =

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन

एक आनुपातिक नियंत्रक K = 4 संयंत्र G(s) = 4/(s(s + 4)) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। t_s ≈ 4/(ζωₙ) का उपयोग करके सोपान अनुक्रिया का 2 % स्थिरीकरण समय t_s ज्ञात कीजिए।

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

t_s = s

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_A = 21.25 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·6 = 15·1 + 15·2.5

R_B = 52.5/6 = 8.75 kN

ΣF_y = 0: R_A = 30 − 8.75 = 21.25 kN

उत्तर

R_A = 21.25 kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = 29.5 kN

मुक्त-पिंड आरेख

संतुलन

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

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 12·1 = 12 kN, x̄ = 1.5 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·4 = 50·2 + 12·1·1.5

R_B = 118/4 = 29.5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 62 − 29.5 = 32.5 kN

उत्तर

R_B = 29.5 kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: P = 50.11 kN

दो पदार्थ: श्रेणी में (एक के बाद एक) हर खंड समान बल वहन करता है और विस्तार जुड़ते हैं: δ = P·Σ L/(E·A)। समानांतर में (दृढ़ प्लेटों के बीच अगल-बगल) दोनों भाग समान मात्रा से छोटे होते हैं, इसलिए उनके विकृति समान हैं: अधिक कठोर भाग बड़ा हिस्सा लेता है, 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।

क्षेत्रफल

A₁ = 314.2 mm², A₂ = 2827 mm²

नम्यताएँ

L₁/(E₁A₁) = 500/(200000·314.2) = 7.958 × 10⁻⁶ mm/N

L₂/(E₂A₂) = 400/(70000·2827) = 2.021 × 10⁻⁶ mm/N

भार

P = 0.5/9.979 × 10⁻⁶ = 50106 N = 50.11 kN

उत्तर

P = 50.11 kN

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: σ_max = 88.42 MPa

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·12²/4 = 113.1 mm²

σ₁ = 7.958 MPa

σ₂ = 88.42 MPa

सबसे बड़ा प्रतिबल

पतले खंड का क्षेत्रफल छोटा है, इसलिए उसमें प्रतिबल अधिक है।

σ_max = 88.42 MPa

उत्तर

σ_max = 88.42 MPa

5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d = 43.98 mm

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।

आवश्यक ध्रुवीय आघूर्ण

T = 250 N·m = 250000 N·mm

L = 0.5 m = 500 mm

G = 39 GPa = 39000 MPa

φ = 0.5·π/180 = 0.008727 rad

J = TL/(Gφ) = 250000·500/(39000·0.008727) = 367281 mm⁴

व्यास

d = (32J/π)^1/4 = 43.98 mm

उत्तर

d = 43.98 mm

व्यवहार में आप अगले मानक आकार तक पूर्णांकित करेंगे।

6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: τ_max = 7.526 MPa

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·1450/60 = 151.8 rad/s

T = P/ω = 100000/151.8 = 658.6 N·m

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π(80⁴ − 48⁴)/32 = 3.5 × 10⁶ mm⁴

अधिकतम अपरूपण प्रतिबल

τ_max = T·(d_o/2)/J = 658572·40/3.5 × 10⁶ = 7.526 MPa

उत्तर

τ_max = 7.526 MPa

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 22.5 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। लगाया गया बलयुग्म बंकन आघूर्ण आरेख में बलयुग्म के परिमाण जितनी छलाँग पैदा करता है।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

A के परितः आघूर्ण, वामावर्त धनात्मक: R_B·L − M₀ = 0। ऊर्ध्वाधर संतुलन: R_A + R_B = 0।

R_B = M₀/L = 30/4 = 7.5 kN (ऊपर की ओर)

R_A = −R_B = −7.5 kN (नीचे की ओर)

बलयुग्म के ठीक दाईं ओर काटें

बाएँ भाग में अब R_A और बलयुग्म हैं।

M_x = R_A·a + M₀ = −7.5·1 + 30 = 22.5 kN·m

उत्तर

M_x = 22.5 kN·m

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_max = 25.31 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 = 10·3 = 30 kN, x̄ = 4.5 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·6 = 10·3·4.5

R_B = 135/6 = 22.5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 30 − 22.5 = 7.5 kN

शून्य अपरूपण

अपरूपण बल R_A से शुरू होता है, किसी भी भाररहित भाग पर स्थिर रहता है और भार के भीतर प्रवणता w से घटता है।

R_A − w·(x₀ − 3) = 0

x₀ = 3 + 7.5/10 = 3.75 m

अधिकतम आघूर्ण

M_max = R_A·x₀ − w·(x₀ − 3)²/2 = 7.5·3.75 − 10·0.75²/2 = 25.31 kN·m

उत्तर

M_max = 25.31 kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_abs = 83.03 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। तीन विमाओं में निरपेक्ष अधिकतम अपरूपण प्रतिबल तीनों मुख्य प्रतिबलों पर (σ_max − σ_min)/2 है; समतल प्रतिबल में तीसरा शून्य होता है।

तलीय मुख्य प्रतिबल

C = 130 MPa, R = √(30² + (−20)²) = 36.06 MPa

σ₁ = 166.1 MPa, σ₂ = 93.94 MPa, σ_z = 0

तीनों वृत्तों में सबसे बड़ा

τ = max(|σ₁ − σ₂|, |σ₁|, |σ₂|)/2 = max(72.11, 166.1, 93.94)/2 = 83.03 MPa

उत्तर

τ_abs = 83.03 MPa

यहाँ तल से बाहर वाला वृत्त निर्णायक है: निरपेक्ष अधिकतम तलीय अधिकतम R से बड़ा है।

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_θ = 85.18 MPa

रूपांतरण समीकरण

σ_θ = 25 + 45·0.766 + −40·−0.6428 = 85.18 MPa

उत्तर

σ_θ = 85.18 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ = 4.167 mm

बीम विक्षेप: विक्षेप वक्रता M/(EI) को दो बार समाकलित करके मिलते हैं। मानक स्थितियाँ सारणीबद्ध हैं, जैसे सिरे पर भार वाले कैंटिलीवर के लिए PL³/(3EI) और पूरे विस्तार पर समान भार वाले सरल आलंबित बीम के लिए 5wL⁴/(384EI)। अलग-अलग भारों के विक्षेप जुड़ते हैं (अध्यारोपण)।

एकरूप इकाइयाँ

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

w = 5 N/mm, L = 2000 mm

EI = 2.4 × 10¹² N·mm²

विक्षेप

δ = wL⁴/(8EI) = 5·2000⁴/(8·2.4 × 10¹²) = 4.167 mm

उत्तर

δ = 4.167 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: I_req = 48 × 10⁶ mm⁴

विक्षेप सीमा

δ_allow = L/360 = 8000/360 = 22.22 mm

आवश्यक जड़त्व आघूर्ण

I = 5wL⁴/(384·E·δ_allow) = 5·4·8000⁴/(384·200000·22.22) = 4.8 × 10⁷ mm⁴

I_req = 48 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_req = 48 × 10⁶ mm⁴

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 7.996 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 = 80·25³/12 = 104167 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 0.5·6000 = 3000 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·70000·104167/3000² = 7996 N = 7.996 kN

उत्तर

P_cr = 7.996 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σ_cr = 17.27 MPa

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

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

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 1963 mm²

r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12.5 mm

KL = 0.5·5000 = 2500 mm

KL/r = 2500/12.5 = 200

क्रांतिक प्रतिबल

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/200² = 17.27 MPa

उत्तर

σ_cr = 17.27 MPa

15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: t = 2.092 s

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 = 30·cos 20° = 28.19 m/s

v_y = v₀·sin θ = 30·sin 20° = 10.26 m/s

उड़ान का समय

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

t = 2·10.26/9.81 = 2.092 s

उत्तर

t = 2.092 s

16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: x = 94.76 m

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

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

v_x = 19.93 m/s, v_y = 23.75 m/s

छत पर गिरने का समय

बड़ा मूल: गेंद नीचे आ रही है।

2 = 23.75·t − 4.905·t²

t = (23.75 + √(23.75² − 2·9.81·2))/9.81 = 4.756 s

क्षैतिज दूरी

x = v_x·t = 19.93·4.756 = 94.76 m

उत्तर

x = 94.76 m

17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: T = 144 N

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)। वृत्तीय पथ पर केंद्र की ओर नेट बल mv²/r के बराबर होना चाहिए।

तल पर चाल

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·1.5·(1 − cos 40°) = 6.885 m²/s²

तल पर बल

m·g = 10·9.81 = 98.1 N

T = mg + mv²/L = 98.1 + 10·6.885/1.5 = 144 N

उत्तर

T = 144 N

जाँच: T = mg(3 − 2cos θ) = 144 N।

18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: x = 14.69 cm

खुरदरी पट्टी के बाद शेष ऊर्जा

रैम्प चिकना है, इसलिए केवल पट्टी ऊर्जा हटाती है।

mgh − μmgL = 49.05·(1.5 − 0.1·4) = 53.96 J

अधिकतम संपीडन

½kx² = 53.96 → x = √(2·53.96/5000) = 0.1469 m = 14.69 cm

उत्तर

x = 14.69 cm

19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: ζ = 0.5981

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·√(40000·20) = 1789 N·s/m

अवमंदन अनुपात

ζ = c/c_c = 1070/1789 = 0.5981

उत्तर

ζ = 0.5981

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

20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_n = 4.393 Hz

तुल्य दृढ़ता

श्रेणी में स्प्रिंग समान बल साझा करते हैं और उनके विक्षेप जुड़ते हैं, इसलिए वे व्युत्क्रम के रूप में मिलते हैं: 1/k = 1/k₁ + 1/k₂।

1/k_eq = 1/80 + 1/25 → k_eq = 80·25/(80 + 25) = 19.05 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(19048/25) = 27.6 rad/s

f_n = 27.6/(2π) = 4.393 Hz

उत्तर

f_n = 4.393 Hz

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: W_max = 1363 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 = 550 + 273.15 = 823.1 K

T_L = 40 + 273.15 = 313.1 K

कार्नो दक्षता

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 313.1/823.1 = 61.96 %

अधिकतम कार्य

W_max = η_max·Q_H = 0.6196·2200 = 1363 kJ

उत्तर

W_max = 1363 kJ

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Ẇ_min = 0.3536 kW

परम तापमान

T_H = 32 + 273.15 = 305.1 K

T_L = 4 + 273.15 = 277.1 K

सर्वोत्तम संभव COP

COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) = 277.1/(305.1 − 277.1) = 9.898

न्यूनतम शक्ति

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

Ẇ_min = Q̇_L/COP = 3.5/9.898 = 0.3536 kW

उत्तर

Ẇ_min = 0.3536 kW

23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: q_in = 724.4 kJ/kg

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))।

तापमान

T₂ = 305·15^0.4 = 901 K

T₃ = 1.8·901 = 1622 K

नियत दाब पर दी गई ऊष्मा

q_in = 1.005·(1622 − 901) = 724.4 kJ/kg

उत्तर

q_in = 724.4 kJ/kg

24.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: w_net = 430.6 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 = 300·8^0.2857 = 543.4 K

T₄ = 1500/8^0.2857 = 828.1 K

संपीडक और टरबाइन कार्य

w_c = 1.005·(543.4 − 300) = 244.7 kJ/kg

w_t = 1.005·(1500 − 828.1) = 675.3 kJ/kg

शुद्ध कार्य

w_net = 675.3 − 244.7 = 430.6 kJ/kg

उत्तर

w_net = 430.6 kJ/kg

बैक-वर्क अनुपात: w_c/w_t = 36.23%।

25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: p₂ = 187 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 = 1.75·(100/50)² = 7 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(1.75² − 7²)/1000 = −22.97 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) = 210 + (−22.97) = 187 kPa

उत्तर

p₂ = 187 kPa

26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: p₂ = 297.3 kPa

सांतत्य और बर्नूली

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

v₂ = v₁·(d₁/d₂)² = 1.75·(100/75)² = 3.111 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(1.75² − 3.111²)/1000 = −3.308 kPa

ρgΔz = 1000·9.81·3/1000 = 29.43 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) − ρgΔz = 330 + (−3.308) − 29.43 = 297.3 kPa

उत्तर

p₂ = 297.3 kPa

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Δp = 10.89 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) = 0.018·(300/0.3)·1.1²/(2·9.81) = 1.11 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 = 1000·9.81·1.11 = 10890 Pa = 10.89 kPa

उत्तर

Δp = 10.89 kPa

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Q = 183.2 L/s

हानि गुणांक

f·L/D = 0.015·100/0.2 = 7.5

ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 + 1.0 = 12.7

ऊर्जा समीकरण

दोनों सतहें वायु के लिए खुली हैं और लगभग विराम में हैं, इसलिए पूरा Δz पाइप में खो जाता है।

35 = (7.5 + 12.7)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·35/20.2) = 5.831 m/s

प्रवाह दर

Q = V·π·D²/4 = 5.831·0.03142 = 0.1832 m³/s = 183.2 L/s

उत्तर

Q = 183.2 L/s

29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_el = 21.06 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 = 1000·9.81·0.04·34 = 13.34 kW

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = 13.34/0.72 = 18.53 kW

विद्युत शक्ति

P_el = 18.53/0.88 = 21.06 kW

उत्तर

P_el = 21.06 kW

30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 31.89 m

वेग

V = Q/A = 0.08/0.03142 = 2.546 m/s

V²/(2g) = 0.3305 m

शीर्ष हानियाँ

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (11.25 + 6)·0.3305 = 5.701 m

दाब शीर्ष

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9.81) = 10.19 m

पंप शीर्ष

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

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 16 + 10.19 + 5.701 = 31.89 m

उत्तर

H = 31.89 m

31.ऊष्मा चालन

उत्तर: Q̇ = 745 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) = (200/1000)/(1.4·6) = 0.02381 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0.17·6) = 0.02451 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 36/0.04832 = 745 W

उत्तर

Q̇ = 745 W

32.ऊष्मा चालन

उत्तर: Q̇ = 875.8 W

श्रेणी प्रतिरोध

R_i = 1/(h_iA) = 1/(10·15) = 0.006667 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0.96·15) = 0.003472 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0.17·15) = 0.01961 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·15) = 0.002222 K/W

ΣR = 0.03197 K/W

ऊष्मा हानि

Q̇ = (21 − (-7))/0.03197 = 875.8 W

उत्तर

Q̇ = 875.8 W

33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n₂ = 1135 rpm

पट्टा चालन: फिसलन के बिना दोनों घिरनियों की कोर की चाल समान होती है v = π·d·n/60, इसलिए n₁·d₁ = n₂·d₂ और गति अनुपात d₂/d₁ है। फिसलन s चालित घिरनी को थोड़ा धीमा कर देती है: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)। संचरित शक्ति P = (T₁ − T₂)·v है, जहाँ T₁ कसी हुई ओर का तनाव और T₂ ढीली ओर का। घर्षण तनावों के अनुपात को सीमित करता है: T₁/T₂ = e^μθ, जहाँ θ छोटी घिरनी पर लपेट कोण रेडियन में है; खुले पट्टे के लिए θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)), जहाँ C केंद्र दूरी है।

फिसलन के बिना गति

2880·80/200 = 1152 rpm

फिसलन सहित

n₂ = 1152·0.985 = 1135 rpm

उत्तर

n₂ = 1135 rpm

34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n_out = 1037 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

n_B = 1440·12/15 = 1152 rpm = n_C

दूसरा चरण

n_out = 1152·36/40 = 1037 rpm

उत्तर

n_out = 1037 rpm

कुल अनुपात = 1.389 : 1

35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: f(0.4) = 0.3305

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)।

वर्ग पूरा करें

s² + 8s + 41 = (s + 4)² + 25 = (s + 4)² + 5²

अंश का मिलान करें

F(s) = (9/5)·5/((s + 4)² + 5²)

प्रतिलोम रूपांतर

f(t) = e^−4t·(1.8·sin 5t)

f(0.4) = e^−4·0.4·(1.8·sin(5·0.4)) = 0.3305

उत्तर

f(0.4) = 0.3305

36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.5) = 1.706

समीकरण का रूपांतर करें

s²Y − 1s − 6 + 5(sY − 1) + 4Y = 0

Y(s) = (s + 11)/((s + 1)(s + 4))

आंशिक भिन्न

A = 10/3 = 3.333

B = 7/(−3) = −2.333

परिणाम

y(t) = 3.333·e^−t − 2.333·e^−4t

y(0.5) = 1.706

उत्तर

y(0.5) = 1.706

जाँच: y(0) = A + B = 1।

37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: p = −182

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) = 9/(s + 2 + 9·3) = 9/(s + 29)

बाहरी लूप

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 153/(s + 29 + 153) = 153/(s + 182)

परिणाम

p = −182

उत्तर

p = −182

38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: K = 5

विक्षोभ अनुक्रिया

c_ss = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 2·8/(10 + 8K)

K के लिए हल करें

10 + 8K = 2·8/0.32 = 50

K = (50 − 10)/8 = 5

उत्तर

K = 5

39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: t_s = 2.667 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 ± 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 = 59 → ωₙ = 7.681 rad/s

2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·7.681) = 0.1953

परिणाम

ζωₙ = 1.5 → t_s ≈ 4/1.5 = 2.667 s

उत्तर

t_s = 2.667 s

40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: t_s = 4 s

संवृत-लूप अंतरण फलन

T(s) = 20/(s² + 2s + 20): ωₙ = 4.472 rad/s, ζ = 0.2236

स्थिरीकरण समय

ζωₙ = 2/2 = 1

t_s ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

उत्तर

t_s = 4 s

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

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: e_ss = 0.125

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।

त्वरण स्थिरांक

K_a = 20·2/1 = 40

परवलय त्रुटि

e_ss = 5/40 = 0.125

उत्तर

e_ss = 0.125

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: t_s = 2 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 + 4) + 4·4 = s² + 4s + 16

ωₙ और ζ

ωₙ = √16 = 4 rad/s

ζ = 4/(2·4) = 0.5

स्थिरीकरण समय

ζωₙ = 4/2 = 2

t_s ≈ 4/2 = 2 s

उत्तर

t_s = 2 s

यहाँ स्थिरीकरण काल K पर निर्भर नहीं करता: K बढ़ाने से अनुक्रिया केवल अधिक तेज़ी से दोलन करती है।

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