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​ = 35 kNP2​ = 45 kNABCRA​ = ?1 m3 m1 m

बीम में A पर पिन और A से 4 m पर B पर रोलर है, और यह B से आगे मुक्त सिरे C तक ओवरहैंग करता है। ऊपर की ओर को धनात्मक लेते हुए ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया RA ज्ञात कीजिए।

AB = 4 mAC = 5 mP1 = 35 kN पर 1 mP2 = 45 kN पर 5 m
RA = kN
2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन
P = 40 kNADCMA​ = ?4 m2 m2 m

एक संयुक्त बीम A पर दीवार में स्थिर है, C पर (A से 4 m) एक आंतरिक कब्ज़ा (हिंज) है और D पर (A से 8 m) रोलर पर टिका है। यह A से 6 m पर बिंदु भार P वहन करता है। दीवार पर प्रतिक्रिया आघूर्ण MA का परिमाण ज्ञात कीजिए।

AC = 4 mAD = 8 mP = 40 kN पर 6 m
MA = kN·m
3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम
P = ?12300 mm300 mmØ20Ø60δ = 0.5 mm

एक छड़ स्टील के खंड (व्यास 20 mm, लंबाई 300 mm, E = 200 GPa) से बनी है, जो ताँबा के बने खंड (व्यास 60 mm, लंबाई 300 mm, E = 120 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, 300 mm, E = 200 GPaखंड 2: ताँबा, Ø60 mm, 300 mm, E = 120 GPaδ = 0.5 mm
P = kN
4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन
Ø 40 mmताँबा0.5 mØ 20 mmताँबा1 mP = 60 kN

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

P = 60 kNखंड 1: Ø40 mm, 0.5 m, ताँबा (E = 117 GPa)खंड 2: Ø20 mm, 1 m, ताँबा (E = 117 GPa)
σmax = MPa
5.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम
d1​ = 75 mmd2​ = 40 mmT = 400 N·mABC2.5 m0.5 m

एक सोपानी ठोस पीतल शाफ़्ट A पर स्थिर है। खंड AB का व्यास 75 mm और लंबाई 2.5 m है; खंड BC का व्यास 40 mm और लंबाई 0.5 m है। मुक्त सिरे C पर 400 N·m का बलाघूर्ण कार्य करता है। शाफ़्ट में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τmax ज्ञात कीजिए।

T = 400 N·md1 = 75 mm, L1 = 2.5 md2 = 40 mm, L2 = 0.5 m
τmax = MPa
6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन
Td = ?

एक ठोस शाफ़्ट को 1800 rpm पर 50 kW संचारित करना है, बिना अपरूपण प्रतिबल के 60 MPa से अधिक हुए। उपयुक्त सबसे छोटा व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 50 kWN = 1800 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम
P1​ = 60 kNP2​ = 75 kNAB2.5 m1 m2.5 m

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

L = 6 mP1 = 60 kN पर 2.5 mP2 = 75 kN पर 3.5 m
Mmax = kN·m
8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन
w = 2 kN/mABC6 m1 m

बीम A पर पिन और B पर रोलर पर टिका है और B से आगे 1 m मुक्त सिरे C तक ओवरहैंग करता है। पूरी लंबाई A–C पर समान वितरित भार w कार्य करता है। आलंबों के बीच A से प्रतिनमन बिंदु (जहाँ बंकन आघूर्ण का चिह्न बदलता है) तक की दूरी xc ज्ञात कीजिए।

L = 7 mw = 2 kN/m, 0 से 7 m तकआलंब x = 0 और x = 6 m पर
xc = m
9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम
σx​ = 60σy​ = −30τxy​ = −60MPa

एक बिंदु पर σₓ = 60 MPa, σᵧ = −30 MPa और τₓᵧ = −60 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 = 60 MPaσy = −30 MPaτxy = −60 MPaθ = 50°
σy′ = MPa
10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन
σx​ = 150σy​ = 90τxy​ = 30MPa

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 150 MPa, σᵧ = 90 MPa और τₓᵧ = 30 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अभिलंब प्रतिबल σθ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 30° वामावर्त घुमाया गया है।

σx = 150 MPaσy = 90 MPaτxy = 30 MPaθ = 30°
σθ = MPa
11.बीम विक्षेपमध्यम
w = 6 kN/mABθ5 m

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

w = 6 kN/mL = 5 mE = 200 GPa (स्टील)I = 36 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
12.बीम विक्षेपकठिन
w = 15 kN/mP = 19 kNδL = 2 m

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

P = 19 kNw = 15 kN/mL = 2 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
13.स्तंभ बकलिंगमध्यम
PL = 4 md = 50 mmअनुप्रस्थ काट

एल्युमिनियम 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 = 4 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 50 mm
Pcr = kN
14.स्तंभ बकलिंगकठिन
P = 150 kNL = 6 md = ?अनुप्रस्थ काट

स्टील से बना L लंबाई का एक ठोस गोल स्तंभ दोनों सिरों पर पिन किया हुआ है। इसे बकलिंग के विरुद्ध 2 के सुरक्षा गुणक के साथ 150 kN वहन करना है। न्यूनतम व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 150 kNn = 2L = 6 mE = 200 GPa (स्टील)
d = mm
15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम
7 my = ?v0​ = 10 m/s50°

समतल ज़मीन से एक गेंद को 10 m/s से क्षैतिज से 50° ऊपर 7 m दूर एक दीवार की ओर किक मारी जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। गेंद किस ऊँचाई y पर दीवार से गुज़रती है?

v₀ = 10 m/sθ = 50°x = 7 mg = 9.81 m/s²
y = m
16.प्रक्षेप्य गतिकठिन
h = 60 mv0​ = 13 m/s45°v = ?

एक 60 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 13 m/s से क्षैतिज से 45° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। वह चाल v ज्ञात कीजिए जिससे यह ज़मीन से टकराती है।

v₀ = 13 m/sθ = 45°h = 60 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
17.कार्य और ऊर्जामध्यम
35°d = 12 mμ = 0.15

एक गुटका क्षैतिज से 35° पर झुकी ढलान पर विराम से फिसलता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.15 है। ढलान के साथ 12 m फिसलने के बाद उसकी चाल v ज्ञात कीजिए।

θ = 35°μ = 0.15d = 12 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
18.कार्य और ऊर्जाकठिन
h = 2.5 mL = 4 mμ = 0.1k = 1500 N/m

1 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 2.5 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 = 1500 N/m) से टकराता है। स्प्रिंग तक पहुँचने पर गुटके की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 1 kgh = 2.5 mL = 4 mμ = 0.1k = 1500 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
19.यांत्रिक कंपनमध्यम
k = 25 kN/mc = 770 N·s/mm = 150 kg

एक 150 kg द्रव्यमान 25 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग और 770 N·s/m अवमंदन गुणांक वाले श्यान अवमंदक पर टिका है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

m = 150 kgk = 25 kN/mc = 770 N·s/m
ζ =
20.यांत्रिक कंपनकठिन
k1​ = 5k2​ = 40k3​ = 100m = 10 kg

एक 10 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 = 5 kN/m और k₂ = 40 kN/m से लटकी है; छड़ समतल रहती है। अवमंदन तथा स्प्रिंगों और छड़ के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति fn Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 10 kgk1 = 5 kN/mk2 = 40 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz
21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम
TH​ = 325 °CTL​ = ?EQH​ = 4600 kJQL​ = 2101 kJW

एक उत्क्रमणीय (कार्नो) ऊष्मा इंजन 325 °C वाले भंडार से प्रति चक्र 4600 kJ ऊष्मा लेता है और 2101 kJ त्यागता है। ठंडे भंडार का तापमान TL °C में ज्ञात कीजिए।

TH = 325 °CQH = 4600 kJQL = 2101 kJ
TL = °C
22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन
TH​ = 32 °CTL​ = -20 °CRQ̇H​Q̇L​ = 5 kWẆ = ?

एक रेफ़्रिजरेटर 32 °C वाली रसोई में अपने ठंडे भाग को -20 °C पर रखता है, ठंडे भाग से 5 kW ऊष्मा निकालते हुए। न्यूनतम शक्ति निवेश Ẇmin ज्ञात कीजिए।

TH = 32 °CTL = -20 °CQ̇L = 5 kW
Ẇmin = kW
23.गैस शक्ति चक्रमध्यम
vP1234qin​qout​

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 17 और कटऑफ़ अनुपात rc = v₃/v₂ = 2.5 है। संपीडन की शुरुआत में वायु 295 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)। प्रति किलोग्राम वायु दी गई ऊष्मा qin kJ/kg में ज्ञात कीजिए।

r = 17rc = 2.5T1 = 295 Kk = 1.4cp = 1.005 kJ/(kg·K)
qin = kJ/kg
24.गैस शक्ति चक्रकठिन
vP1234qin​qout​

एक आदर्श ब्रेटन चक्र 8 के संपीडक दाब अनुपात पर चलता है। ठंडी-वायु-मानक मान्यताओं का उपयोग करें: वायु नियत विशिष्ट ऊष्माओं वाली आदर्श गैस है, k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) और cv = 0.718 kJ/(kg·K)। इसकी ऊष्मीय दक्षता η प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

rp = 8k = 1.4
η = %
25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम
v = ?p0​pp0​ − p = 23 kPaअवरोध बिंदु

पानी के पाइप में एक पिटो-स्थैतिक नली अवरोध दाब और स्थैतिक दाब के बीच 23 kPa का अंतर दिखाती है। सिरे पर पानी का वेग v ज्ञात कीजिए।

p0 − p = 23 kPaρ = 1000 kg/m³
v = m/s
26.सांतत्य और बर्नूलीकठिन
H = ?d1​ = 50 mmp1​ = 90 kPad2​ = 25 mm

एक फ़व्वारे का नोज़ल सीधे ऊपर की ओर है। नोज़ल के ठीक नीचे आपूर्ति पाइप का व्यास 50 mm और गेज दाब 90 kPa है। नोज़ल निकास व्यास 25 mm है, और नोज़ल के आर-पार ऊँचाई अंतर नगण्य है। हानियों और वायु प्रतिरोध को नगण्य मानते हुए वह ऊँचाई H ज्ञात कीजिए जिस तक जेट नोज़ल से ऊपर उठता है। g = 9.81 m/s² लें।

d1 = 50 mmp1 = 90 kPa (गेज)d2 = 25 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
H = m
27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम
V = 2.8 m/sD = 200 mmL = 300 mf = 0.015

जल 200 mm आंतरिक व्यास वाले 300 m लंबे पाइप से 2.8 m/s के औसत वेग से बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि hf ज्ञात कीजिए।

V = 2.8 m/sL = 300 mD = 200 mmf = 0.015g = 9.81 m/s²
hf = m
28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन
K = 10Δz = 15 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0.0183× मोड़ (K = 0.3)

दो खुले जलाशय 100 m लंबे, 150 mm आंतरिक व्यास और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.018 वाले पाइप से जुड़े हैं। ऊपरी जलाशय की जल सतह निचले जलाशय की सतह से 15 m ऊपर है। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 3 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 = 15 mL = 100 mD = 150 mmf = 0.018Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 10Kexit = 1.0
Q = L/s
29.पंप और पंप शक्तिमध्यम
PQ = 10 L/sH = 76 m

एक पंप 76 m शीर्ष के विरुद्ध 10 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। पंप दक्षता 70% है और उसे चलाने वाली विद्युत मोटर की दक्षता 88% है। g = 9.81 m/s² लें। मोटर द्वारा ली गई विद्युत शक्ति Pel kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 10 L/sH = 76 mηpump = 70%ηmotor = 88%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
30.पंप और पंप शक्तिकठिन
PQ = 30 L/sΔz = 5 mL = 400 m, D = 150 mm, f = 0.022, ΣK = 5

एक पंप 30 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 5 m ऊँची है। पाइप 400 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 150 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.022 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 5 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।

Q = 30 L/sΔz = 5 mL = 400 mD = 150 mmf = 0.022ΣK = 5
H = m
31.ऊष्मा चालनमध्यम
ईंट, k = 0.7250 mmविस्तारित पॉलीस्टाइरीन, k = 0.03550 mm21 °C3 °CTi​ = ?Q̇

एक दीवार ईंट की 50 mm और विस्तारित पॉलीस्टाइरीन की 50 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 4 m²। बाहरी फलक 21 °C और 3 °C पर हैं। दोनों परतों के अंतरापृष्ठ पर तापमान Ti ज्ञात कीजिए।

L1 = 50 mm, k1 = 0.72 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 21 °CT3 = 3 °C
Ti = °C
32.ऊष्मा चालनकठिन
काँच, k = 0.96250 mmविस्तारित पॉलीस्टाइरीन, k = 0.03575 mmकमरा 21 °Cबाहर -2 °CTs​ = ?Q̇

250 mm काँच और 75 mm विस्तारित पॉलीस्टाइरीन की दीवार 21 °C वाले कमरे को -2 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 6 W/(m²·K) और बाहर 25 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 12 m² है। दीवार की भीतरी सतह का तापमान Ts ज्ञात कीजिए।

L1 = 250 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 12 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -2 °C
Ts = °C
33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम
N1​ = 20, m = 4 mm

2900 rpm पर चल रही एक 4 kW मोटर 20 दाँतों और 4 mm मॉड्यूल वाले पिनियन को चलाती है। पिनियन के दाँतों पर स्पर्शरेखीय बल Ft ज्ञात कीजिए।

P = 4 kWn = 2900 rpmN1 = 20m = 4 mm
Ft = N
34.गियर और गियर ट्रेनकठिन
A = 15B = 80C = 15D = 72

2900 rpm पर एक 4 kW मोटर गियर A (15 दाँत) को चलाती है, जो गियर B (80 दाँत) से जुड़ा है। B के ही शाफ़्ट पर लगा गियर C (15 दाँत) निर्गम शाफ़्ट पर गियर D (72 दाँत) को चलाता है। हर गियर जोड़ की दक्षता 95% है। निर्गम बलाघूर्ण Tout ज्ञात कीजिए।

P = 4 kWnin = 2900 rpmA = 15B = 80C = 15D = 72ηmesh = 95%
Tout = N·m
35.लाप्लास रूपांतरमध्यम
ReIm−2−4−6−8−10−12−14

F(s) = (3s + 40)/(s² + 5s + 4)। इसका प्रतिलोम रूपांतर f(t) = A·e−t + B·e−4t के रूप का है। आंशिक भिन्नों से गुणांक A ज्ञात कीजिए।

F(s) = (3s + 40)/(s² + 5s + 4)
A =
36.लाप्लास रूपांतरकठिन
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

लाप्लास रूपांतर से y(0) = 4 और y′(0) = −5 के साथ y″ + 5y′ + 4y = 0 हल कीजिए, और y(0.3) ज्ञात कीजिए।

y″ + 5y′ + 4y = 0y(0) = 4y′(0) = −5t = 0.3 s
y(0.3) =
37.ब्लॉक आरेखमध्यम
R(s)+11K+4s + 7G(s)C(s)3H₁−−

संयंत्र G(s) = 4/(s + 7) में लब्धि H₁ = 3 वाला एक भीतरी (गौण) ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप है। नियंत्रक लब्धि K = 11 और एक बाहरी एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप तंत्र को बंद करते हैं। संवृत-लूप ध्रुव p ज्ञात कीजिए।

G(s) = 4/(s + 7)H₁ = 3K = 11
p =
38.ब्लॉक आरेखकठिन
R(s)+20s(s + 10)G(s)C(s)2H−

संयंत्र G(s) = 20/(s(s + 10)) सेंसर लब्धि H = 2 वाले ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में है। संवृत-लूप ध्रुव सम्मिश्र हैं। उनका वास्तविक भाग σ ज्ञात कीजिए।

G(s) = 20/(s(s + 10))H = 2
σ =
39.सोपान अनुक्रियामध्यम
t (s)y(t)1?

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 68/(s² + 5s + 68) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। सोपान अनुक्रिया का प्रतिशत अतिलंघन %OS ज्ञात कीजिए।

G(s) = 68/(s² + 5s + 68)
%OS = %
40.सोपान अनुक्रियाकठिन
t (s)y(t)12 %

शून्यों के बिना एक द्वितीय-कोटि तंत्र की सोपान अनुक्रिया में 2 % अतिलंघन होना चाहिए। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

%OS = 2 %
ζ =
41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम
r(t) = 1·t²/2+10(s + 2)s²(s + 4)C(s)−

परवलयिक निवेश r(t) = 1·t²/2 को G(s) = 10(s + 2)/(s²(s + 4)) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप पर लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था त्रुटि ess ज्ञात कीजिए।

G(s) = 10(s + 2)/(s²(s + 4))r(t) = 1·t²/2
ess =
42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन
R(s)+K1s(s + 5)C(s)−

एक आनुपातिक नियंत्रक K संयंत्र G(s) = 1/(s(s + 5)) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। वह लब्धि K ज्ञात कीजिए जो संवृत-लूप को अवमंदन अनुपात ζ = 0.4 दे।

G(s) = 1/(s(s + 5))ζ = 0.4
K =

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: RA = 15 kN

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

A के परितः आघूर्ण

वामावर्त धनात्मक।

ΣMA = 0: RB·4 = 35·1 + 45·5
RB = 260/4 = 65 kN

ऊर्ध्वाधर संतुलन

RA = 35 + 45 − 65 = 15 kN

उत्तर

RA = 15 kN
2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: MA = 80 kN·m

स्थैतिक संतुलन: विराम में पिंड के लिए ΣFx = 0, ΣFy = 0 और किसी भी बिंदु के परितः ΣM = 0। हर वितरित भार को उसके परिणामी (उसका क्षेत्रफल) से बदलें जो भार आरेख के केंद्रक पर कार्य करता है, और किसी आलंब के परितः आघूर्ण लें ताकि उस आलंब की प्रतिक्रिया समीकरण से हट जाए। आंतरिक कब्ज़ा बंकन आघूर्ण वहन नहीं कर सकता, जिससे एक अतिरिक्त समीकरण मिलता है: किसी भी ओर के बलों का कब्ज़े के परितः आघूर्ण शून्य है।

भाग CD

कब्ज़े पर कोई आघूर्ण नहीं है, इसलिए केवल CD पर C के परितः आघूर्ण संतुलित होने चाहिए।

ΣMC = 0: RD·4 = 40·2
RD = 20 kN
VC = 40 − 20 = 20 kN

भाग AC

कब्ज़ा बल VC, AC पर नीचे की ओर कार्य करता है (CD पर उसकी क्रिया के बराबर और विपरीत)।

RA = 20 = 20 kN
MA = 20·4 = 80 kN·m

उत्तर

MA = 80 kN·m
3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: P = 88.36 kN

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

क्षेत्रफल

A₁ = 314.2 mm², A₂ = 2827 mm²

नम्यताएँ

L₁/(E₁A₁) = 300/(200000·314.2) = 4.775 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(120000·2827) = 8.842 × 10⁻⁷ mm/N

भार

P = 0.5/5.659 × 10⁻⁶ = 88357 N = 88.36 kN

उत्तर

P = 88.36 kN
4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: σmax = 191 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·20²/4 = 314.2 mm²
σ1 = 47.75 MPa
σ2 = 191 MPa

सबसे बड़ा प्रतिबल

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

σmax = 191 MPa

उत्तर

σmax = 191 MPa
5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: τmax = 31.83 MPa

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।

हर खंड में प्रतिबल

T = 400 N·m = 400000 N·mm
τAB = 16·400000/(π·75³) = 4.829 MPa
τBC = 16·400000/(π·40³) = 31.83 MPa

उत्तर

τmax = 31.83 MPa
6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d = 28.24 mm

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

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·1800/60 = 188.5 rad/s
T = P/ω = 50000/188.5 = 265.3 N·m

अनुमेय प्रतिबल से व्यास

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·265258/(π·60)) = 28.24 mm

उत्तर

d = 28.24 mm

व्यवहार में आप अगले मानक आकार तक पूर्णांकित करेंगे।

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: Mmax = 171.9 kN·m

खंड विधि: जहाँ आंतरिक बल चाहिए वहाँ बीम काटें और एक भाग रखें। अपरूपण बल V उस भाग के ऊर्ध्वाधर बलों को संतुलित करता है, और बंकन आघूर्ण M कट के परितः उनके आघूर्णों को। अधिकतम आघूर्ण: चूँकि dM/dx = V, बंकन आघूर्ण वहाँ शिखर पर होता है जहाँ अपरूपण बल शून्य से होकर गुज़रता है, या तो किसी बिंदु भार पर या किसी वितरित भार के भीतर।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

ΣMA = 0: RB·6 = 60·2.5 + 75·3.5
RB = 412.5/6 = 68.75 kN
ΣFy = 0: RA = 135 − 68.75 = 66.25 kN

हर भार के नीचे आघूर्ण

हर भार के बाईं ओर का भाग रखें।

भार P1: M = RA·2.5 = 66.25·2.5 = 165.6 kN·m
भार P2: M = RB·2.5 = 68.75·2.5 = 171.9 kN·m

सबसे बड़ा मान

Mmax = 171.9 kN·m (भार P2)

उत्तर

Mmax = 171.9 kN·m
8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: xc = 5.833 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

ओवरहैंग पर भार सहित पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 2·7 = 14 kN, x̄ = 3.5 m पर कार्य करता है
ΣMA = 0: RB·6 = 2·7·3.5
RB = 49/6 = 8.167 kN
ΣFy = 0: RA = 14 − 8.167 = 5.833 kN

शून्य आघूर्ण

आलंबों के बीच M(x) = RA·x − w·x²/2। x = 0 के अलावा यह x = 2RA/w पर शून्य है।

RA·xc − w·xc²/2 = 0
xc = 2·5.833/2 = 5.833 m

उत्तर

xc = 5.833 m
9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σy′ = 81.9 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′ = 15 − 45·(−0.1736) − (−60)·0.9848 = 81.9 MPa

जाँच

घुमाने से अभिलंब प्रतिबलों का योग नहीं बदलता।

σx′ = −51.9 MPa, σx′ + σy′ = 30 = σx + σy

उत्तर

σy′ = 81.9 MPa
10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σθ = 161 MPa

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

रूपांतरण समीकरण

σθ = 120 + 30·0.5 + 30·0.866 = 161 MPa

उत्तर

σθ = 161 MPa
11.बीम विक्षेप

उत्तर: θA = 0.00434 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 = 6 N/mm, L = 5000 mm
EI = 7.2 × 10¹² N·mm²

सिरा प्रवणता

θA = wL³/(24EI) = 6·5000³/(24·7.2 × 10¹²) = 0.00434 rad

उत्तर

θA = 0.00434 rad

यह 0.2487° है।

12.बीम विक्षेप

उत्तर: δmax = 2.497 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 = 19000 N, w = 15 N/mm, L = 2000 mm, EI = 2.52 × 10¹² N·mm²

हर भार अलग से

δP = PL³/(48EI) = 19000·2000³/(48·2.52 × 10¹²) = 1.257 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·15·2000⁴/(384·2.52 × 10¹²) = 1.24 mm

जोड़ें

δmax = 1.257 + 1.24 = 2.497 mm

उत्तर

δmax = 2.497 mm
13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: Pcr = 3.312 kN

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

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

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

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 2·4000 = 8000 mm

क्रांतिक भार

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/8000² = 3312 N = 3.312 kN

उत्तर

Pcr = 3.312 kN
14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: d = 102.7 mm

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।

आवश्यक क्रांतिक भार

Pcr = n·P = 2·150000 = 300000 N
KL = 1·6000 = 6000 mm

व्यास के लिए हल करें

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·300000·6000²/(π³·200000))^(1/4) = 102.7 mm

उत्तर

d = 102.7 mm

जाँच: तनुता KL/r = 233.6 है, इसलिए स्तंभ पतला है और ऑयलर लागू होता है।

15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: y = 2.525 m

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

दीवार तक समय

vx = 10·cos 50° = 6.428 m/s
t = x/vx = 7/6.428 = 1.089 s

उस समय ऊँचाई

y = 7.66·1.089 − ½·9.81·1.089² = 2.525 m

उत्तर

y = 2.525 m

दीवार पर गेंद पहले से नीचे आ रही है।

16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: v = 36.69 m/s

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

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

vx = 13·cos 45° = 9.192 m/s
vy0 = 13·sin 45° = 9.192 m/s

टकराने पर ऊर्ध्वाधर चाल

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

vy = √(9.192² + 2·9.81·60) = 35.52 m/s

टकराने की चाल

v = √(9.192² + 35.52²) = 36.69 m/s

उत्तर

v = 36.69 m/s

ऊर्जा से जाँचें: v² = v₀² + 2gh।

17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 10.3 m/s

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

ढलान के साथ ऊर्जा संतुलन

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

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·12·(0.5736 − 0.15·0.8192)) = 10.3 m/s

उत्तर

v = 10.3 m/s
18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 6.419 m/s

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

खुरदरी पट्टी के बाद शेष ऊर्जा

रैम्प चिकना है, इसलिए केवल पट्टी ऊर्जा हटाती है।

mgh − μmgL = 9.81·(2.5 − 0.1·4) = 20.6 J

स्प्रिंग पर चाल

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·2.1) = 6.419 m/s

उत्तर

v = 6.419 m/s
19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: ζ = 0.1988

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।

क्रांतिक अवमंदन

cc = 2·√(k·m) = 2·√(25000·150) = 3873 N·s/m

अवमंदन अनुपात

ζ = c/cc = 770/3873 = 0.1988

उत्तर

ζ = 0.1988

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

20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: fn = 8.866 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 = 5 + 40 = 45 kN/m
keq = 45·100/(45 + 100) = 31.03 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ωn = √(31034/10) = 55.71 rad/s
fn = 55.71/(2π) = 8.866 Hz

उत्तर

fn = 8.866 Hz
21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: TL = 0.04851 °C

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

स्रोत का परम तापमान

TH = 325 + 273.15 = 598.1 K

उत्क्रमणीय ऊष्मा अनुपात

TL = TH·QL/QH = 598.1·2101/4600 = 273.2 K = 0.04851 °C

उत्तर

TL = 0.04851 °C
22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Ẇmin = 1.027 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 = 32 + 273.15 = 305.1 K
TL = -20 + 273.15 = 253.1 K

सर्वोत्तम संभव COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 253.1/(305.1 − 253.1) = 4.868

न्यूनतम शक्ति

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

Ẇmin = Q̇L/COP = 5/4.868 = 1.027 kW

उत्तर

Ẇmin = 1.027 kW
23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: qin = 1381 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 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))।

तापमान

T2 = 295·170.4 = 916.2 K
T3 = 2.5·916.2 = 2291 K

नियत दाब पर दी गई ऊष्मा

qin = 1.005·(2291 − 916.2) = 1381 kJ/kg

उत्तर

qin = 1381 kJ/kg
24.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: η = 44.8 %

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।

तापीय दक्षता

η = 1 − 1/80.2857 = 1 − 1/1.811 = 44.8%

उत्तर

η = 44.8%
25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: v = 6.782 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 = √(2·23000/1000) = 6.782 m/s

उत्तर

v = 6.782 m/s
26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: H = 9.786 m

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.

निकास वेग

β = 25/50 = 0.5
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·90000/(1000·0.9375)) = 13.86 m/s

जेट की ऊँचाई

जेट के साथ बर्नूली: शीर्ष पर वेग शून्य है और दाब फिर से वायुमंडलीय है।

H = v2²/(2g) = 13.86²/(2·9.81) = 9.786 m

उत्तर

H = 9.786 m
27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: hf = 8.991 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) = 2.8²/(2·9.81) = 0.3996 m

डार्सी–वाइसबाख

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(300/0.2)·2.8²/(2·9.81) = 8.991 m

उत्तर

hf = 8.991 m
28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Q = 61.37 L/s

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।

हानि गुणांक

f·L/D = 0.018·100/0.15 = 12
ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 10 + 1.0 = 12.4

ऊर्जा समीकरण

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

15 = (12 + 12.4)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·15/24.4) = 3.473 m/s

प्रवाह दर

Q = V·π·D²/4 = 3.473·0.01767 = 0.06137 m³/s = 61.37 L/s

उत्तर

Q = 61.37 L/s
29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: Pel = 12.1 kW

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

द्रवीय शक्ति

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.01·76 = 7.456 kW

शाफ़्ट शक्ति

Pshaft = 7.456/0.7 = 10.65 kW

विद्युत शक्ति

Pel = 10.65/0.88 = 12.1 kW

उत्तर

Pel = 12.1 kW
30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 14.35 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 = 0.03/0.01767 = 1.698 m/s
V²/(2g) = 0.1469 m

शीर्ष हानियाँ

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (58.67 + 5)·0.1469 = 9.352 m

पंप शीर्ष

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

H = Δz + hL = 5 + 9.352 = 14.35 m

उत्तर

H = 14.35 m
31.ऊष्मा चालन

उत्तर: Ti = 20.17 °C

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

परत प्रतिरोध

R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0.72·4) = 0.01736 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.035·4) = 0.3571 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 18/0.3745 = 48.06 W

अंतरापृष्ठ तापमान

पहली परत में तापमान Q̇·R₁ घटता है।

Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 48.06·0.01736 = 20.17 °C

उत्तर

Ti = 20.17 °C
32.ऊष्मा चालन

उत्तर: Ts = 19.53 °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।

श्रेणी प्रतिरोध

Ri = 1/(hiA) = 1/(6·12) = 0.01389 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.96·12) = 0.0217 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.035·12) = 0.1786 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·12) = 0.003333 K/W
ΣR = 0.2175 K/W

ऊष्मा हानि

Q̇ = (21 − (-2))/0.2175 = 105.7 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 105.7·0.01389 = 19.53 °C

उत्तर

Ts = 19.53 °C
33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: Ft = 329.3 N

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

पिनियन पर बलाघूर्ण

ω = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s
T = P/ω = 4000/303.7 = 13.17 N·m

पिच व्यास

d = m·N = 4·20 = 80 mm

स्पर्शरेखीय बल

Ft = 2T/d = 2·13.17/0.08 = 329.3 N

उत्तर

Ft = 329.3 N
34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: Tout = 304.3 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.

निर्गत चाल

nout = 2900·(15/80)·(15/72) = 113.3 rpm
ωout = 2π·113.3/60 = 11.86 rad/s

निर्गम शक्ति और बलाघूर्ण

Pout = 4000·0.95² = 3610 W
Tout = Pout/ωout = 3610/11.86 = 304.3 N·m

उत्तर

Tout = 304.3 N·m
35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: A = 12.33

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

हर का गुणनखंड करें

s² + 5s + 4 = (s + 1)(s + 4)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 4)

कवर-अप नियम

(s + 1) से गुणा करें और s = −1 रखें: B-पद लुप्त हो जाता है।

A = (3s + 40)/(s + 4) |s = −1 = 37/3 = 12.33

उत्तर

A = 12.33
(B = −9.333, इसलिए f(t) = 12.33·e−t − 9.333·e−4t)
36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.3) = 2.817

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 − 4s − (−5) + 5(sY − 4) + 4Y = 0
Y(s) = (4s + 15)/((s + 1)(s + 4))

आंशिक भिन्न

A = 11/3 = 3.667
B = −1/(−3) = 0.3333

परिणाम

y(t) = 3.667·e−t + 0.3333·e−4t
y(0.3) = 2.817

उत्तर

y(0.3) = 2.817

जाँच: y(0) = A + B = 4।

37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: p = −63

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) = 4/(s + 7 + 4·3) = 4/(s + 19)

बाहरी लूप

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 44/(s + 19 + 44) = 44/(s + 63)

परिणाम

p = −63

उत्तर

p = −63
38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: σ = −5

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

अभिलाक्षणिक समीकरण

s(s + 10) + 20·2 = 0 → s² + 10s + 40 = 0

मूल

s = −5 ± j·√(40 − 25) = −5 ± j3.873
σ = −5

उत्तर

σ = −5
39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: %OS = 36.81 %

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 = 68 → ωₙ = 8.246 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·8.246) = 0.3032

परिणाम

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.9995 = 36.81 %

उत्तर

%OS = 36.81 %
40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: ζ = 0.7797

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)।

अवमंदन अनुपात

ζ = −ln(0.02)/√(π² + ln²(0.02)) = 3.912/√(9.87 + 15.3) = 0.7797

उत्तर

ζ = 0.7797
41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: ess = 0.2

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।

त्वरण स्थिरांक

Ka = 10·2/4 = 5

परवलय त्रुटि

ess = 1/5 = 0.2

उत्तर

ess = 0.2
42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: K = 39.06

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

s(s + 5) + 1K = s² + 5s + 1K

प्राकृतिक आवृत्ति

2·0.4·ωₙ = 5 → ωₙ = 6.25 rad/s

लब्धि

1K = ωₙ² = 39.06 → K = 39.06

उत्तर

K = 39.06

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