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

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 R_B ज्ञात कीजिए।

AB = 4 mAC = 5 mP₁ = 25 kN पर 2 mP₂ = 75 kN पर 5 m

R_B = kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन

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। यह A से 1 m पर बिंदु भार P और 3 m से 6 m पर मुक्त सिरे तक समान वितरित भार w वहन करता है। ऊपर की ओर को धनात्मक लेते हुए ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया R_B ज्ञात कीजिए।

AB = 4 mAC = 6 mP = 60 kN पर 1 mw = 6 kN/m, 3 से 6 m तक

R_B = kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

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

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

ε = µε

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

एक स्टील खंड (व्यास 20 mm, लंबाई 300 mm, E = 200 GPa) और ताँबा का बना खंड (व्यास 60 mm, लंबाई 500 mm, E = 120 GPa) सिरे से सिरा जोड़कर दो दृढ़ दीवारों के बीच जकड़े हैं। जोड़ पर खंड 2 की ओर 30 kN का अक्षीय भार लगता है। खंड 2 में प्रतिबल σ₂ का परिमाण ज्ञात कीजिए।

खंड 1: स्टील, Ø20 mm, 300 mm, E = 200 GPaखंड 2: ताँबा, Ø60 mm, 500 mm, E = 120 GPaP = 30 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 = 750 N·md = 30 mmL = 0.8 mG = 39 GPa

φ = °

6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

40 mm व्यास वाला एक ठोस स्टील शाफ़्ट दोनों सिरों A और B पर दृढ़ दीवारों में स्थिर है। A से 0.8 m और B से 3 m पर C पर 500 N·m का बलाघूर्ण लगाया जाता है। दीवार A पर प्रतिक्रिया बलाघूर्ण T_A ज्ञात कीजिए।

d = 40 mmT₀ = 500 N·ma = 0.8 mb = 3 m

T_A = N·m

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

कैंटिलीवर A पर स्थिर है। यह अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w और A से 2.5 m पर बिंदु भार P वहन करता है। स्थिर आलंब A से x = 1.5 m पर खंड में बंकन आघूर्ण M_x ज्ञात कीजिए। सैगिंग आघूर्णों को और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण को धनात्मक लें।

L = 2.5 mP = 25 kN पर 2.5 mw = 10 kN/m, 0 से 2.5 m तकx = 1.5 m

M_x = kN·m

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

चिह्न A से G धरन को छह बराबर भागों में बाँटते हैं। किस चिह्न पर बंकन आघूर्ण परिमाण में सबसे बड़ा है, अधोमुखी या ऊर्ध्वमुखी? उसे आरेख में क्लिक करें।

45 kN @ 6 m25 kN @ 2 m10 kN/m, 0–4 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

एक पतली प्लेट का एक बिंदु समतल प्रतिबल में है: σₓ = 40 MPa, σᵧ = 100 MPa और τₓᵧ = 30 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 = 40 MPaσ_y = 100 MPaτ_xy = 30 MPaσ_z = 0

τ_abs = MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −10 MPa, σᵧ = −40 MPa और τₓᵧ = 30 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अपरूपण प्रतिबल τ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 15° वामावर्त घुमाया गया है (τₓᵧ की ही दिशा में धनात्मक)।

σ_x = −10 MPaσ_y = −40 MPaτ_xy = 30 MPaθ = 15°

τ_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 = 12 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (स्टील)I = 12 × 10⁶ mm⁴

δ = mm

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 = 10 kNw = 6 kN/mL = 4 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)I = 57 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

13.स्तंभ बकलिंगमध्यम

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

L = 2 mE = 200 GPa (स्टील)d = 30 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

स्टील से बना L लंबाई का एक स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर पिन किया हुआ है। उसकी तनुता और ऑयलर सूत्र से क्रांतिक बकलिंग प्रतिबल σ_cr ज्ञात कीजिए।

L = 4 mE = 200 GPa (स्टील)d = 30 mm

σ_cr = MPa

15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

एक गेंद समतल ज़मीन से क्षैतिज से 30° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद के ज़मीन से टकराने तक उड़ान का समय t ज्ञात कीजिए।

v₀ = 10 m/sθ = 30°g = 9.81 m/s²

t = s

16.प्रक्षेप्य गतिकठिन

ज़मीन के स्तर से एक गेंद 26 m/s से क्षैतिज से 60° ऊपर फेंकी जाती है। यह नीचे आते समय 17 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 = 26 m/sθ = 60°h_roof = 17 mg = 9.81 m/s²

x = m

17.कार्य और ऊर्जामध्यम

एक गुटका क्षैतिज से 45° पर झुकी ढलान पर विराम से फिसलता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.35 है। ढलान के साथ 13 m फिसलने के बाद उसकी चाल v ज्ञात कीजिए।

θ = 45°μ = 0.35d = 13 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

18.कार्य और ऊर्जाकठिन

एक 15 kg गुटका 35° की ढलान के तल पर विराम से शुरू होता है और ढलान के समांतर 195 N के स्थिर बल से ऊपर खींचा जाता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.3 है। ढलान पर 7 m ऊपर चलने के बाद गुटके की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 15 kgF = 195 Nθ = 35°μ = 0.3d = 7 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

19.यांत्रिक कंपनमध्यम

एक 150 kg द्रव्यमान 100 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग और 1550 N·s/m अवमंदन गुणांक वाले श्यान अवमंदक पर टिका है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

m = 150 kgk = 100 kN/mc = 1550 N·s/m

ζ =

20.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 10 kg द्रव्यमान सिरे-से-सिरे जुड़े (श्रेणी में) दो स्प्रिंगों से लटका है: ऊपरी स्प्रिंग k₁ = 100 kN/m और निचला k₂ = 30 kN/m है। स्प्रिंग तंत्र की तुल्य दृढ़ता k_eq kN/m में ज्ञात कीजिए।

m = 10 kgk₁ = 100 kN/mk₂ = 30 kN/m

k_eq = kN/m

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक ऊष्मा इंजन 500 °C पर गर्म भंडार और 15 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। यह 2300 kJ ऊष्मा लेता है। यह अधिकतम कितना कार्य W_max उत्पन्न कर सकता है, ज्ञात कीजिए।

T_H = 500 °CT_L = 15 °CQ_H = 2300 kJ

W_max = kJ

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

एक रेफ़्रिजरेटर 30 °C वाली रसोई में अपने ठंडे भाग को 5 °C पर रखता है, ठंडे भाग से 4.5 kW ऊष्मा निकालते हुए। अधिकतम संभव निष्पादन गुणांक COP_max ज्ञात कीजिए।

T_H = 30 °CT_L = 5 °CQ̇_L = 4.5 kW

COP_max =

23.गैस शक्ति चक्रमध्यम

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 22 और कटऑफ़ अनुपात r_c = v₃/v₂ = 3 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 = 22r_c = 3k = 1.4

η = %

24.गैस शक्ति चक्रकठिन

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, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) और c_v = 0.718 kJ/(kg·K)। इसकी ऊष्मीय दक्षता η प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

r_p = 8k = 1.4

η = %

25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी एक क्षैतिज पाइप में बहता है जो 150 mm से 100 mm तक संकरा होता है। चौड़े भाग में दाब 120 kPa और वेग 1.75 m/s है। हानियाँ नगण्य मानकर संकरे भाग में दाब p₂ ज्ञात कीजिए।

d₁ = 150 mmd₂ = 100 mmp₁ = 120 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 50 mm तक संकरा होता है और 10 m ऊपर उठता है। खंड 1 पर दाब 170 kPa और वेग 1 m/s है। हानियाँ नगण्य मानकर खंड 2 पर दाब p₂ ज्ञात कीजिए।

d₁ = 100 mmd₂ = 50 mmp₁ = 170 kPav₁ = 1 m/sΔz = 10 mρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम

जल 150 mm आंतरिक व्यास वाले 150 m लंबे पाइप से 0.9 m/s के औसत वेग से बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.02 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि h_f ज्ञात कीजिए।

V = 0.9 m/sL = 150 mD = 150 mmf = 0.02g = 9.81 m/s²

h_f = m

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 13 m ऊपर है। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 3 मोड़ (हर एक K = 0.3), एक वाल्व (K = 2) और निचले जलाशय में निकास (K = 1.0)। g = 9.81 m/s² लें। प्रवाह दर Q L/s में ज्ञात कीजिए।

Δz = 13 mL = 100 mD = 200 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×3)K_valve = 2K_exit = 1.0

Q = L/s

29.पंप और पंप शक्तिमध्यम

एक पंप 10 m शीर्ष के विरुद्ध 30 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। पंप दक्षता 65% है और उसे चलाने वाली विद्युत मोटर की दक्षता 92% है। g = 9.81 m/s² लें। मोटर द्वारा ली गई विद्युत शक्ति P_el kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 30 L/sH = 10 mη_pump = 65%η_motor = 92%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

30.पंप और पंप शक्तिकठिन

एक पंप 60 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 17 m ऊँची है। पाइप 150 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 200 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.022 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 6 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। पंप दक्षता 65% है। शाफ़्ट शक्ति P_shaft kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 60 L/sΔz = 17 mL = 150 mD = 200 mmf = 0.022ΣK = 6η = 65%

P_shaft = kW

31.ऊष्मा चालनमध्यम

एक दीवार विस्तारित पॉलीस्टाइरीन की 100 mm और खनिज ऊन की 25 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 4 m²। बाहरी फलक 24 °C और -11 °C पर हैं। दोनों परतों के अंतरापृष्ठ पर तापमान T_i ज्ञात कीजिए।

L₁ = 100 mm, k₁ = 0.035 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0.04 W/(m·K)A = 4 m²T₁ = 24 °CT₃ = -11 °C

T_i = °C

32.ऊष्मा चालनकठिन

200 mm ईंट और 75 mm विस्तारित पॉलीस्टाइरीन की दीवार 20 °C वाले कमरे को 3 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 8 W/(m²·K) और बाहर 30 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 10 m² है। दीवार से ऊष्मा हानि Q̇ ज्ञात कीजिए।

L₁ = 200 mm, k₁ = 0.72 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0.035 W/(m·K)A = 10 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = 3 °C

Q̇ = W

33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

960 rpm पर चल रही एक 5.5 kW मोटर 12 दाँतों वाले पिनियन को चलाती है, जो 25 दाँतों वाले गियर से जुड़ा है। गियर युग्म की दक्षता 96% है। गियर शाफ़्ट पर निर्गत बलाघूर्ण T₂ ज्ञात कीजिए।

P = 5.5 kWn₁ = 960 rpmN₁ = 12N₂ = 25η = 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 (48 दाँत) गियर B (60 दाँत) को चलाता है। गियर C (12 दाँत) B वाले शाफ़्ट पर ही लगा है और निर्गत शाफ़्ट पर लगे गियर D (36 दाँत) को चलाता है। निर्गत चाल n_out ज्ञात कीजिए।

n_in = 1500 rpmA = 48B = 60C = 12D = 36

n_out = rpm

35.लाप्लास रूपांतरमध्यम

F(s) = (5s + 4)/(s² + 10s + 21)। इसका प्रतिलोम रूपांतर f(t) = A·e^−3t + B·e^−7t के रूप का है। आंशिक भिन्नों से गुणांक A ज्ञात कीजिए।

F(s) = (5s + 4)/(s² + 10s + 21)

A =

36.लाप्लास रूपांतरकठिन

एक तंत्र अवकल समीकरण y″ + 2y′ + 5y = u′ + 18u 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 = 0.8 s पर आवेग अनुक्रिया g(t) का मान निकालिए। g(0.8) ज्ञात कीजिए।

y″ + 2y′ + 5y = u′ + 18ut = 0.8 s

g(0.8) =

37.ब्लॉक आरेखमध्यम

संयंत्र G(s) = K/(s(s + 15)) एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में है। वह लब्धि K ज्ञात कीजिए जिसके लिए संवृत लूप क्रांतिक अवमंदित है (दो बराबर वास्तविक ध्रुव)।

G(s) = K/(s(s + 15))एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश

K =

38.ब्लॉक आरेखकठिन

G₁ = 5/(s + 1), G₂ = 3/(s + 8), G₂ के चारों ओर एक भीतरी ऋणात्मक पुनर्निवेश H₁ = 4 और एक बाहरी ऋणात्मक पुनर्निवेश H₂ = 0.25 वाले ब्लॉक आरेख को सरल करें। C(s)/R(s) की DC लब्धि T(0) ज्ञात कीजिए।

G₁ = 5/(s + 1)G₂ = 3/(s + 8)H₁ = 4H₂ = 0.25

T(0) =

39.सोपान अनुक्रियामध्यम

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 264/(s² + 10s + 88) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। सोपान अनुक्रिया का शिखर समय t_p ज्ञात कीजिए।

G(s) = 264/(s² + 10s + 88)

t_p = s

40.सोपान अनुक्रियाकठिन

एक एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में G(s) = K/(s(s + 4)) है। वह लब्धि K ज्ञात कीजिए जो 25 % अतिलंघन वाली सोपान अनुक्रिया देती है।

G(s) = K/(s(s + 4))%OS = 25 %

K =

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम

परवलयिक निवेश r(t) = 0.5·t²/2 को G(s) = 5(s + 2)/(s²(s + 1)) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप पर लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था त्रुटि e_ss ज्ञात कीजिए।

G(s) = 5(s + 2)/(s²(s + 1))r(t) = 0.5·t²/2

e_ss =

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन

एक PI नियंत्रक C(s) = 5 + 2/s संयंत्र G(s) = 5/((s + 4)(s + 5)) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। रैंप निवेश r(t) = 1t के लिए स्थायी-अवस्था त्रुटि e_ss ज्ञात कीजिए।

C(s) = 5 + 2/sG(s) = 5/((s + 4)(s + 5))r(t) = 1t

e_ss =

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = 106.3 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।

A के परितः आघूर्ण

वामावर्त धनात्मक।

ΣM_A = 0: R_B·4 = 25·2 + 75·5

R_B = 425/4 = 106.3 kN

ऊर्ध्वाधर संतुलन

R_A = 25 + 75 − 106.3 = −6.25 kN

उत्तर

R_B = 106.3 kN

R_A ऋणात्मक है: A पर पिन को बीम को नीचे थामना पड़ता है।

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = 35.25 kN

वितरित भार का परिणामी

W = 6·3 = 18 kN, x̄ = (3 + 6)/2 = 4.5 m

संतुलन

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

ΣM_A = 0: R_B·4 = 60·1 + 18·4.5

R_B = 141/4 = 35.25 kN

R_A = 78 − 35.25 = 42.75 kN

उत्तर

R_B = 35.25 kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: ε = 636.6 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 = 20·1000/314.2 = 63.66 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for पीतल = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 63.66/100000 = 0.0006366 = 636.6 µε

उत्तर

ε = 636.6 µε

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: σ₂ = 8.108 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 = 200000·314.2/300 = 209440 N/mm

k₂ = 120000·2827/500 = 678584 N/mm

खंड 2 का हिस्सा

F₂ = 30000·678584/888024 = 22925 N

प्रतिबल

σ₂ = 22925/2827 = 8.108 MPa (संपीडन)

उत्तर

σ₂ = 8.108 MPa

5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ = 11.08 °

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

मरोड़ कोण

φ = TL/(GJ) = 750·1000·800/(39000·79522) = 0.1935 rad

φ = 0.1935·180/π = 11.08°

उत्तर

φ = 11.08°

6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: T_A = 394.7 N·m

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

संतुलन और संगतता

T_A + T_B = 500

T_A·a = T_B·b

T_A = 500·3/3.8 = 394.7 N·m

T_B = 500·0.8/3.8 = 105.3 N·m

उत्तर

T_A = 394.7 N·m

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = −30 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।

मुक्त-सिरे वाला भाग रखें

P: −25·1 = −25 kN·m

w: −10·1²/2 = −5 kN·m

M_x = −25 − 5 = −30 kN·m

उत्तर

M_x = −30 kN·m

ऋणात्मक का अर्थ है हॉगिंग: ऊपरी फलक पर तनाव।

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: E (x = 4 m)

सबसे बड़ा बंकन आघूर्ण: जहाँ भी अपरूपण बल बदलता है वहाँ M का ढाल बदलता है, इसलिए उसके शिखर वहाँ होते हैं जहाँ अपरूपण बल शून्य को पार करता है: बिंदु भार के नीचे, वितरित भार के भीतर, या ओवरहैंग वाले आधार के ऊपर। कैंटिलीवर के जड़े आधार पर आघूर्ण दीवार पर सबसे अधिक होता है। उन स्थानों पर M के परिमाण की तुलना करें, अधोमुखी या ऊर्ध्वमुखी।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

एक आधार के परितः आघूर्ण लें, फिर ऊर्ध्वाधर बल संतुलन का उपयोग करें।

R₁ = 10 kN, R₂ = 100 kN

हर चिह्न पर बंकन आघूर्ण

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

M_A = 0, M_B = 5, M_C = 0, M_D = −40, M_E = −90 kN·m, M_F = −45, M_G = 0

उत्तर

चिह्न E: M_E = −90 kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_abs = 56.21 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 = 70 MPa, R = √((−30)² + 30²) = 42.43 MPa

σ₁ = 112.4 MPa, σ₂ = 27.57 MPa, σ_z = 0

तीनों वृत्तों में सबसे बड़ा

τ = max(|σ₁ − σ₂|, |σ₁|, |σ₂|)/2 = max(84.85, 112.4, 27.57)/2 = 56.21 MPa

उत्तर

τ_abs = 56.21 MPa

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

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_θ = 18.48 MPa

रूपांतरण समीकरण

τ_θ = −15·0.5 + 30·0.866 = 18.48 MPa

उत्तर

τ_θ = 18.48 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ = 50.63 mm

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

एकरूप इकाइयाँ

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

w = 12 N/mm, L = 3000 mm

EI = 2.4 × 10¹² N·mm²

विक्षेप

δ = wL⁴/(8EI) = 12·3000⁴/(8·2.4 × 10¹²) = 50.63 mm

उत्तर

δ = 50.63 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_max = 53.16 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 = 10000 N, w = 6 N/mm, L = 4000 mm, EI = 6.27 × 10¹¹ N·mm²

हर भार अलग से

δ_P = PL³/(48EI) = 10000·4000³/(48·6.27 × 10¹¹) = 21.27 mm

δ_w = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·4000⁴/(384·6.27 × 10¹¹) = 31.9 mm

जोड़ें

δ_max = 21.27 + 31.9 = 53.16 mm

उत्तर

δ_max = 53.16 mm

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 78.48 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

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

I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 0.5·2000 = 1000 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/1000² = 78485 N = 78.48 kN

उत्तर

P_cr = 78.48 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σ_cr = 14.16 MPa

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

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

I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 706.9 mm²

r = √(I/A) = √(39761/706.9) = 7.5 mm

KL = 0.7·4000 = 2800 mm

KL/r = 2800/7.5 = 373.3

क्रांतिक प्रतिबल

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/373.3² = 14.16 MPa

उत्तर

σ_cr = 14.16 MPa

15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: t = 1.019 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 = 10·cos 30° = 8.66 m/s

v_y = v₀·sin θ = 10·sin 30° = 5 m/s

उड़ान का समय

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

t = 2·5/9.81 = 1.019 s

उत्तर

t = 1.019 s

16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: x = 47.29 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 = 13 m/s, v_y = 22.52 m/s

छत पर गिरने का समय

बड़ा मूल: गेंद नीचे आ रही है।

17 = 22.52·t − 4.905·t²

t = (22.52 + √(22.52² − 2·9.81·17))/9.81 = 3.638 s

क्षैतिज दूरी

x = v_x·t = 13·3.638 = 47.29 m

उत्तर

x = 47.29 m

17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 10.83 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 = √(2·9.81·13·(0.7071 − 0.35·0.7071)) = 10.83 m/s

उत्तर

v = 10.83 m/s

18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 8.335 m/s

ढलान के अनुदिश बल

m·g = 15·9.81 = 147.2 N

mg·sin θ = 84.4 N

μ·mg·cos θ = 36.16 N

कार्य–ऊर्जा

½mv² = (195 − 120.6)·7 = 521.1 J

v = √(2·521.1/15) = 8.335 m/s

उत्तर

v = 8.335 m/s

19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: ζ = 0.2001

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·√(100000·150) = 7746 N·s/m

अवमंदन अनुपात

ζ = c/c_c = 1550/7746 = 0.2001

उत्तर

ζ = 0.2001

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

20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: k_eq = 23.08 kN/m

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 = 1/100 + 1/30 → k_eq = 100·30/(100 + 30) = 23.08 kN/m

उत्तर

k_eq = 23.08 kN/m

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: W_max = 1443 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 = 500 + 273.15 = 773.1 K

T_L = 15 + 273.15 = 288.1 K

कार्नो दक्षता

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 288.1/773.1 = 62.73 %

अधिकतम कार्य

W_max = η_max·Q_H = 0.6273·2300 = 1443 kJ

उत्तर

W_max = 1443 kJ

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: COP_max = 11.13

परम तापमान

T_H = 30 + 273.15 = 303.1 K

T_L = 5 + 273.15 = 278.1 K

सर्वोत्तम संभव COP

COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) = 278.1/(303.1 − 278.1) = 11.13

उत्तर

COP_max = 11.13

23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: η = 62.08 %

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

(3^1.4 − 1)/(1.4·(3 − 1)) = 1.306

तापीय दक्षता

η = 1 − 0.2904·1.306 = 62.08%

उत्तर

η = 62.08%

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 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।

तापीय दक्षता

η = 1 − 1/8^0.2857 = 1 − 1/1.811 = 44.8%

उत्तर

η = 44.8%

25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: p₂ = 113.8 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·(150/100)² = 3.938 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(1.75² − 3.938²)/1000 = −6.221 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) = 120 + (−6.221) = 113.8 kPa

उत्तर

p₂ = 113.8 kPa

26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: p₂ = 64.4 kPa

सांतत्य और बर्नूली

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

v₂ = v₁·(d₁/d₂)² = 1·(100/50)² = 4 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(1² − 4²)/1000 = −7.5 kPa

ρgΔz = 1000·9.81·10/1000 = 98.1 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) − ρgΔz = 170 + (−7.5) − 98.1 = 64.4 kPa

उत्तर

p₂ = 64.4 kPa

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: h_f = 0.8257 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 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।

वेग शीर्ष

V²/(2g) = 0.9²/(2·9.81) = 0.04128 m

डार्सी–वाइसबाख

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(150/0.15)·0.9²/(2·9.81) = 0.8257 m

उत्तर

h_f = 0.8257 m

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Q = 145.4 L/s

हानि गुणांक

f·L/D = 0.015·100/0.2 = 7.5

ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 2 + 1.0 = 4.4

ऊर्जा समीकरण

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

13 = (7.5 + 4.4)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·13/11.9) = 4.63 m/s

प्रवाह दर

Q = V·π·D²/4 = 4.63·0.03142 = 0.1454 m³/s = 145.4 L/s

उत्तर

Q = 145.4 L/s

29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_el = 4.921 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 = 1000·9.81·0.03·10 = 2.943 kW

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = 2.943/0.65 = 4.528 kW

विद्युत शक्ति

P_el = 4.528/0.92 = 4.921 kW

उत्तर

P_el = 4.921 kW

30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_shaft = 19.18 kW

वेग

V = Q/A = 0.06/0.03142 = 1.91 m/s

V²/(2g) = 0.1859 m

शीर्ष हानियाँ

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (16.5 + 6)·0.1859 = 4.183 m

पंप शीर्ष

H = Δz + h_L = 17 + 4.183 = 21.18 m

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.06·21.18/0.65 = 19.18 kW

उत्तर

P_shaft = 19.18 kW

31.ऊष्मा चालन

उत्तर: T_i = −4.718 °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) = (100/1000)/(0.035·4) = 0.7143 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0.04·4) = 0.1563 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 35/0.8705 = 40.21 W

अंतरापृष्ठ तापमान

पहली परत में तापमान Q̇·R₁ घटता है।

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 24 − 40.21·0.7143 = −4.718 °C

उत्तर

T_i = −4.718 °C

32.ऊष्मा चालन

उत्तर: Q̇ = 65.92 W

श्रेणी प्रतिरोध

R_i = 1/(h_iA) = 1/(8·10) = 0.0125 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0.72·10) = 0.02778 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0.035·10) = 0.2143 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·10) = 0.003333 K/W

ΣR = 0.2579 K/W

ऊष्मा हानि

Q̇ = (20 − (3))/0.2579 = 65.92 W

उत्तर

Q̇ = 65.92 W

33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: T₂ = 109.4 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 = 5500/100.5 = 54.71 N·m

निर्गत बलाघूर्ण

T₂ = 54.71·25/12·0.96 = 109.4 N·m

उत्तर

T₂ = 109.4 N·m

34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n_out = 400 rpm

पहला चरण

n_B = 1500·48/60 = 1200 rpm = n_C

दूसरा चरण

n_out = 1200·12/36 = 400 rpm

उत्तर

n_out = 400 rpm

कुल अनुपात = 3.75 : 1

35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: A = −2.75

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)।

हर का गुणनखंड करें

s² + 10s + 21 = (s + 3)(s + 7)

F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 7)

कवर-अप नियम

(s + 3) से गुणा करें और s = −3 रखें: B-पद लुप्त हो जाता है।

A = (5s + 4)/(s + 7) |_{s = −3} = −11/4 = −2.75

उत्तर

A = −2.75

(B = 7.75, इसलिए f(t) = −2.75·e^−3t + 7.75·e^−7t)

36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: g(0.8) = 3.805

अंतरण फलन

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 18)/(s² + 2s + 5)

आंशिक भिन्न

s² + 2s + 5 = (s + 1)² + 2²

G(s) = 1·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (17/2)·2/((s + 1)² + 2²)

आवेग अनुक्रिया

g(t) = e^−t·(cos 2t + 8.5·sin 2t)

g(0.8) = 3.805

उत्तर

g(0.8) = 3.805

37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: K = 56.25

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)।

अभिलाक्षणिक समीकरण

1 + K/(s(s + 15)) = 0 → s² + 15s + K = 0

दोहराया गया मूल

द्विघात s² + βs + γ का द्विक मूल तब होता है जब β² = 4γ।

15² = 4K → K = 225/4 = 56.25

उत्तर

K = 56.25

तब दोनों संवृत-लूप ध्रुव s = −7.5 पर हैं।

38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: T(0) = 0.6316

भीतरी लूप

Gᵢ = G₂/(1 + G₂H₁) = 3/(s + 20)

बाहरी लूप

T(s) = G₁Gᵢ/(1 + G₁GᵢH₂) = 15/((s + 1)(s + 20) + 3.75)

DC लब्धि

T(0) = 15/(1·20 + 3.75) = 15/23.75 = 0.6316

उत्तर

T(0) = 0.6316

39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: t_p = 0.3958 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 = 88 → ωₙ = 9.381 rad/s

2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·9.381) = 0.533

परिणाम

ω_d = 9.381·√(1 − 0.533²) = 7.937 rad/s → t_p = π/ω_d = 0.3958 s

उत्तर

t_p = 0.3958 s

40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: K = 24.54

संवृत-लूप अंतरण फलन

T(s) = K/(s² + 4s + K)

अतिलंघन से अवमंदन अनुपात

ζ = −ln(0.25)/√(π² + ln²(0.25)) = 0.4037

लब्धि

ωₙ = 4/(2ζ) = 4.954 rad/s

K = ωₙ² = 24.54

उत्तर

K = 24.54

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: e_ss = 0.05

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 = 5·2/1 = 10

परवलय त्रुटि

e_ss = 0.5/10 = 0.05

उत्तर

e_ss = 0.05

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: e_ss = 2

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)।

वेग स्थिरांक

s·C(s) = 5s + 2 → s → 0 पर 2।

K_v = 2·5/20 = 0.5

रैंप त्रुटि

e_ss = 1/0.5 = 2

उत्तर

e_ss = 2

PI नियंत्रक सोपान त्रुटि को पूरी तरह हटा देता है; रैंप का अनुसरण एक अचर विलंब के साथ होता है।

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