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। यह A से 2.5 m पर बिंदु भार P और A से 1 m पर एक वामावर्त बलयुग्म M वहन करता है। ऊपर की ओर को धनात्मक लेते हुए ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया R_B ज्ञात कीजिए।

L = 4 mP = 20 kN पर 2.5 mM = 60 kN·m (वामावर्त) पर 1 m

R_B = kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन

एक संयुक्त बीम A पर दीवार में स्थिर है, C पर (A से 5 m) एक आंतरिक कब्ज़ा (हिंज) है और D पर (A से 10 m) रोलर पर टिका है। यह A से 8 m पर बिंदु भार P, पूरे भाग CD पर समान वितरित भार w और A से 2 m पर बिंदु भार Q वहन करता है। रोलर पर प्रतिक्रिया R_D ज्ञात कीजिए।

AC = 5 mAD = 10 mP = 10 kN पर 8 mw = 5 kN/m, 5 से 10 m तकQ = 75 kN पर 2 m

R_D = kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

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

P = 55 kNd = 10 mmL = 2 mE = 100 GPa

ε = µε

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

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

P = 80 kNखंड 1: Ø35 mm, 2 m, पीतल (E = 100 GPa)खंड 2: Ø20 mm, 1.5 m, एल्युमिनियम (E = 70 GPa)

δ = mm

5.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

एक खोखले शाफ़्ट को 2000 N·m का बलाघूर्ण वहन करना है। इसका भीतरी व्यास इसके बाहरी व्यास का 0.8 गुना होना है, और अपरूपण प्रतिबल 50 MPa से अधिक नहीं होना चाहिए। सबसे छोटा बाहरी व्यास d_o ज्ञात कीजिए।

T = 2000 N·md_i/d_o = 0.8τ_allow = 50 MPa

d_o = mm

6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक खोखले शाफ़्ट को 3000 rpm पर 15 kW संचारित करना है। इसका भीतरी व्यास इसके बाहरी व्यास का 0.8 गुना होना है, और अपरूपण प्रतिबल 80 MPa से अधिक नहीं होना चाहिए। सबसे छोटा बाहरी व्यास d_o ज्ञात कीजिए।

P = 15 kWN = 3000 rpmd_i/d_o = 0.8τ_allow = 80 MPa

d_o = mm

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

बीम A पर पिन और B पर रोलर पर टिका है और B से आगे 1.5 m मुक्त सिरे C तक ओवरहैंग करता है। यह आलंबों के बीच बिंदु भार P₁ और C पर बिंदु भार P₂ वहन करता है। भार P₁ के नीचे बंकन आघूर्ण M_x ज्ञात कीजिए। सैगिंग आघूर्णों को और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण को धनात्मक लें।

L = 5.5 mP₁ = 60 kN पर 2.5 mP₂ = 30 kN पर 5.5 mआलंब x = 0 और x = 4 m पर

M_x = kN·m

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

आलंब A से x = 1 m पर खंड में बंकन आघूर्ण M_x ज्ञात कीजिए। नीचे के रेशों को खींचने वाले आघूर्ण और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण बल को धनात्मक लें।

L = 4 mP = 55 kN पर 1 mw = 3 kN/m, 0 से 4 m तकx = 1 m

M_x = kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −30 MPa, σᵧ = 10 MPa और τₓᵧ = 60 MPa है (तनन धनात्मक)। x-अक्ष से सबसे बड़े मुख्य प्रतिबल की दिशा तक का कोण θ_p, −90° और 90° के बीच, ज्ञात कीजिए।

σ_x = −30 MPaσ_y = 10 MPaτ_xy = 60 MPa

θ_p = °

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

एक पतली प्लेट का एक बिंदु समतल प्रतिबल में है: σₓ = −10 MPa, σᵧ = −70 MPa और τₓᵧ = 30 MPa (σ_z = 0)। वॉन मीज़ेस तुल्य प्रतिबल σ_vM ज्ञात कीजिए।

σ_x = −10 MPaσ_y = −70 MPaτ_xy = 30 MPa

σ_vM = MPa

11.बीम विक्षेपमध्यम

एक सरल आलंबित बीम अपने पूरे विस्तार पर समान वितरित भार w वहन करता है। मध्य विस्तार पर अधिकतम विक्षेप δ_max ज्ञात कीजिए।

w = 6 kN/mL = 2.5 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)I = 84 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

12.बीम विक्षेपकठिन

आयताकार खंड वाला एक सरल आलंबित लकड़ी का बीम, 50 mm चौड़ा, अपने पूरे विस्तार पर समान वितरित भार w वहन करता है। उसका मध्य विक्षेप विस्तार/360 से अधिक नहीं हो सकता। खंड की न्यूनतम गहराई h_req ज्ञात कीजिए।

w = 1.5 kN/mL = 3.5 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)b = 50 mm

h_req = mm

13.स्तंभ बकलिंगमध्यम

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

L = 3 mE = 200 GPa (स्टील)d = 30 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक ठोस गोल स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर मुक्त है। इसे बकलिंग के विरुद्ध 2 के सुरक्षा गुणक के साथ 65 kN वहन करना है। न्यूनतम व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 65 kNn = 2L = 6 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)

d = mm

15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

एक गेंद समतल ज़मीन से क्षैतिज से 20° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद के ज़मीन से टकराने से पहले तय की गई क्षैतिज दूरी x ज्ञात कीजिए।

v₀ = 18 m/sθ = 20°g = 9.81 m/s²

x = m

16.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक गेंद 45 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से क्षैतिज से 60° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद के ज़मीन से टकराने तक उड़ान का समय t ज्ञात कीजिए।

v₀ = 24 m/sθ = 60°h = 45 mg = 9.81 m/s²

t = s

17.कार्य और ऊर्जामध्यम

एक गुटका क्षैतिज से 20° पर झुकी ढलान पर विराम से फिसलता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.1 है। ढलान के साथ 8 m फिसलने के बाद उसकी चाल v ज्ञात कीजिए।

θ = 20°μ = 0.1d = 8 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

18.कार्य और ऊर्जाकठिन

40° ढलान के तल पर 3000 N/m कठोरता वाले एक स्प्रिंग को एक 3 kg गुटके के विरुद्ध 10 cm संपीडित करके छोड़ा जाता है। गुटके और ढलान के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.1 है। रुकने से पहले गुटका छोड़ने के बिंदु से ढलान पर कितनी दूर d ऊपर जाता है? (स्प्रिंग के धकेलने वाली छोटी दूरी को नगण्य मानें, अर्थात घर्षण और गुरुत्व को पूरी दूरी d पर लें।)

m = 3 kgk = 3000 N/mx = 10 cmθ = 40°μ = 0.1g = 9.81 m/s²

d = m

19.यांत्रिक कंपनमध्यम

8 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग पर एक 80 kg द्रव्यमान के साथ एक श्यान अवमंदक है जो 0.4 का अवमंदन अनुपात देता है। इसके मुक्त कंपन की अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति f_d Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 80 kgk = 8 kN/mζ = 0.4

f_d = Hz

20.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 40 kg द्रव्यमान सिरे-से-सिरे जुड़े (श्रेणी में) दो स्प्रिंगों से लटका है: ऊपरी स्प्रिंग k₁ = 80 kN/m और निचला k₂ = 100 kN/m है। स्प्रिंग तंत्र की तुल्य दृढ़ता k_eq kN/m में ज्ञात कीजिए।

m = 40 kgk₁ = 80 kN/mk₂ = 100 kN/m

k_eq = kN/m

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक ऊष्मा इंजन 600 °C पर गर्म भंडार और 30 °C पर ठंडे भंडार के बीच काम करता है। अधिकतम संभव तापीय दक्षता η_max ज्ञात कीजिए।

T_H = 600 °CT_L = 30 °C

η_max = %

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

एक ऊष्मा पंप बाहर 0 °C होने पर घर को 21 °C पर रखता है, और घर को 6 kW ऊष्मा देता है। न्यूनतम शक्ति निवेश Ẇ_min ज्ञात कीजिए।

T_H = 21 °CT_L = 0 °CQ̇_H = 6 kW

Ẇ_min = kW

23.गैस शक्ति चक्रमध्यम

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 20 और कटऑफ़ अनुपात r_c = v₃/v₂ = 1.5 है। ठंडी-वायु-मानक मान्यताओं का उपयोग करें: वायु नियत विशिष्ट ऊष्माओं वाली आदर्श गैस है, k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) और c_v = 0.718 kJ/(kg·K)। इसकी ऊष्मीय दक्षता η प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

r = 20r_c = 1.5k = 1.4

η = %

24.गैस शक्ति चक्रकठिन

एक गैस-टरबाइन संयंत्र 20 संपीडक दाब अनुपात वाले ब्रेटन चक्र पर चलता है। वायु 300 K पर संपीडक में और 1400 K पर टरबाइन में प्रवेश करती है। दोनों मशीनें समएन्ट्रॉपिक हैं। ठंडी-वायु-मानक मान्यताओं का उपयोग करें: वायु नियत विशिष्ट ऊष्माओं वाली आदर्श गैस है, k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) और c_v = 0.718 kJ/(kg·K)। प्रति किलोग्राम वायु शुद्ध कार्य निर्गत w_net kJ/kg में ज्ञात कीजिए।

r_p = 20T₁ = 300 KT₃ = 1400 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी 24 L/s की दर से एक क्षैतिज पाइप में बहता है जो 150 mm से 75 mm तक संकरा होता है। संकरे भाग में दाब 110 kPa है। हानियों को नगण्य मानते हुए चौड़े भाग में दाब p₁ ज्ञात कीजिए।

Q = 24 L/sd₁ = 150 mmd₂ = 75 mmp₂ = 110 kPaρ = 1000 kg/m³

p₁ = kPa

26.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

40 mm भीतरी व्यास वाला एक होज़ खुली टंकी से पानी साइफ़न करता है। होज़ का उच्चतम बिंदु C पानी की सतह से 1 m ऊपर है, और निकास (हवा में खुला) पानी की सतह से 4 m नीचे है। हानियों को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए।

d = 40 mmz_C = +1 mz₂ = −4 mg = 9.81 m/s²

Q = L/s

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम

जल 100 mm आंतरिक व्यास वाले 800 m लंबे पाइप से 8 L/s पर बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि h_f ज्ञात कीजिए।

Q = 8 L/sL = 800 mD = 100 mmf = 0.015g = 9.81 m/s²

h_f = m

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन

150 mm आंतरिक व्यास (डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.02) वाला 150 m लंबा पाइप एक खुले जलाशय से निकलता है और वायु में मुक्त जेट के रूप में निकास करता है। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 3 मोड़ (हर एक K = 0.3) और एक वाल्व (K = 10)। g = 9.81 m/s² लें। 25 L/s की प्रवाह दर के लिए जलाशय की सतह पाइप निकास से कितनी H ऊपर होनी चाहिए?

Q = 25 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0.02K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×3)K_valve = 10

H = m

29.पंप और पंप शक्तिमध्यम

65% दक्षता वाला एक पंप 26 m शीर्ष के विरुद्ध 20 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। g = 9.81 m/s² लें। आवश्यक शाफ़्ट शक्ति P_shaft kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 20 L/sH = 26 mη = 65%g = 9.81 m/s²

P_shaft = kW

30.पंप और पंप शक्तिकठिन

एक पंप 120 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 28 m ऊँची है। पाइप 300 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 250 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। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।

Q = 120 L/sΔz = 28 mL = 300 mD = 250 mmf = 0.015ΣK = 6

H = m

31.ऊष्मा चालनमध्यम

एक दीवार विस्तारित पॉलीस्टाइरीन की 200 mm और लकड़ी की 75 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 8 m²। बाहरी फलक 19 °C और -6 °C पर हैं। दोनों परतों के अंतरापृष्ठ पर तापमान T_i ज्ञात कीजिए।

L₁ = 200 mm, k₁ = 0.035 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 8 m²T₁ = 19 °CT₃ = -6 °C

T_i = °C

32.ऊष्मा चालनकठिन

200 mm खनिज ऊन और 75 mm कंक्रीट की दीवार 20 °C वाले कमरे को -7 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 8 W/(m²·K) और बाहर 25 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 8 m² है। दीवार से ऊष्मा हानि Q̇ ज्ञात कीजिए।

L₁ = 200 mm, k₁ = 0.04 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 1.4 W/(m·K)A = 8 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -7 °C

Q̇ = W

33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

2 स्टार्ट वाला एक वर्म 2900 rpm पर घूमता है और 50 दाँतों वाले वर्म व्हील को चलाता है। व्हील की चाल n_w ज्ञात कीजिए।

z = 2N_w = 50n = 2900 rpm

n_w = 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 (36 दाँत) को चलाता है। गियर C (50 दाँत) B वाले शाफ़्ट पर ही लगा है और निर्गत शाफ़्ट पर लगे गियर D (72 दाँत) को चलाता है। निर्गत चाल n_out ज्ञात कीजिए।

n_in = 1440 rpmA = 12B = 36C = 50D = 72

n_out = rpm

35.लाप्लास रूपांतरमध्यम

F(s) = (4s + 6)/(s² + 6s + 8)। इसका प्रतिलोम रूपांतर f(t) = A·e^−2t + B·e^−4t के रूप का है। आंशिक भिन्नों से गुणांक A ज्ञात कीजिए।

F(s) = (4s + 6)/(s² + 6s + 8)

A =

36.लाप्लास रूपांतरकठिन

एक तंत्र y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t) का पालन करता है, जहाँ y(0) = 5 और y′(0) = 0। t = 0 पर एक सोपान इनपुट u(t) = 5 लगाया जाता है। लाप्लास रूपांतर से y(0.8) ज्ञात कीजिए।

y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 5t = 0.8 s

y(0.8) =

37.ब्लॉक आरेखमध्यम

एक संयंत्र G(s) = 40/(s + 7) को एक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में नियंत्रित किया जाता है जिसके सेंसर की लब्धि H = 2 है। R पर आकार 10 का सोपान लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था आउटपुट c_ss ज्ञात कीजिए।

G(s) = 40/(s + 7)H = 2R = 10

c_ss =

38.ब्लॉक आरेखकठिन

संयंत्र G(s) = 42/(s(s + 6)) सेंसर लब्धि H = 2 वाले ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में है। संवृत-लूप ध्रुव सम्मिश्र हैं। उनका काल्पनिक भाग ω_d (धनात्मक मान) rad/s में ज्ञात कीजिए।

G(s) = 42/(s(s + 6))H = 2

ω_d = rad/s

39.सोपान अनुक्रियामध्यम

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 34/(s² + 5s + 34) 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) = 34/(s² + 5s + 34)

t_s = s

40.सोपान अनुक्रियाकठिन

एक एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में G(s) = K/(s(s + 16)) है। वह लब्धि K ज्ञात कीजिए जो 30 % अतिलंघन वाली सोपान अनुक्रिया देती है।

G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 30 %

K =

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम

निवेश r(t) = 2 + 5t (एक सोपान और एक रैंप का योग) G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 1)(s + 4)) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप पर लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था त्रुटि e_ss ज्ञात कीजिए।

G(s) = 2(s + 3)/(s(s + 1)(s + 4))r(t) = 2 + 5t

e_ss =

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन

एक आनुपातिक नियंत्रक K = 25 संयंत्र G(s) = 1/(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) = 1/(s(s + 4))K = 25

t_s = s

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = −2.5 kN

A के परितः आघूर्ण

वामावर्त धनात्मक।

ΣM_A = 0: R_B·4 − 20·2.5 + 60 = 0

R_B = −10/4 = −2.5 kN

ऊर्ध्वाधर संतुलन

R_A = 20 − (−2.5) = 22.5 kN

उत्तर

R_B = −2.5 kN

ऋणात्मक प्रतिक्रिया नीचे की ओर कार्य करती है।

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_D = 18.5 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। 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।

W = 5·5 = 25 kN पर 2.5 m से C

ΣM_C = 0: R_D·5 = 10·3 + 25·2.5

R_D = 18.5 kN

V_C = 35 − 18.5 = 16.5 kN

उत्तर

R_D = 18.5 kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: ε = 7003 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·10²/4 = 78.54 mm²

σ = P/A = 55·1000/78.54 = 700.3 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for पीतल = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 700.3/100000 = 0.007003 = 7003 µε

उत्तर

ε = 7003 µε

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 7.12 mm

अक्षीय भारित अवयव: हर प्रिज़्मीय खंड δ = PL/(AE) का पालन करता है। श्रेणी में अवयवों के दीर्घीकरण जुड़ते हैं।

दोनों खंडों में समान बल

मुक्त सिरा P वहन करता है, इसलिए छड़ का हर खंड वही अक्षीय बल P वहन करता है। केवल क्षेत्रफल और पदार्थ बदलते हैं।

A₁ = π·35²/4 = 962.1 mm², A₂ = π·20²/4 = 314.2 mm²

σ₁ = 83.15 MPa

σ₂ = 254.6 MPa

खंडों का दीर्घीकरण जोड़ें

δ₁ = σ₁L₁/E₁ = 83.15·2000/100000 = 1.663 mm

δ₂ = σ₂L₂/E₂ = 254.6·1500/70000 = 5.457 mm

δ = δ₁ + δ₂ = 7.12 mm

उत्तर

δ = 7.12 mm

5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d_o = 70.14 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।

स्वीकार्य प्रतिबल से बाहरी व्यास

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm

1 − k⁴ = 1 − 0.8⁴ = 0.5904

d_o = ∛(16T/(π·τ_allow·(1 − k⁴))) = ∛(16·2 × 10⁶/(π·50·0.5904)) = 70.14 mm

d_i = 0.8·70.14 = 56.11 mm

उत्तर

d_o = 70.14 mm

ठोस शाफ़्ट को d = 58.84 mm चाहिए होता; खोखला थोड़ा बड़ा है पर बहुत हल्का है।

6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d_o = 17.27 mm

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s

T = P/ω = 15000/314.2 = 47.75 N·m

स्वीकार्य प्रतिबल से बाहरी व्यास

T = 47.75 N·m = 47746 N·mm

1 − k⁴ = 1 − 0.8⁴ = 0.5904

d_o = ∛(16T/(π·τ_allow·(1 − k⁴))) = ∛(16·47746/(π·80·0.5904)) = 17.27 mm

d_i = 0.8·17.27 = 13.81 mm

उत्तर

d_o = 17.27 mm

ठोस शाफ़्ट को d = 14.49 mm चाहिए होता; खोखला थोड़ा बड़ा है पर बहुत हल्का है।

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 28.13 kN·m

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

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन। ओवरहैंग का भार भी A के परितः कार्य करता है।

ΣM_A = 0: R_B·4 = 60·2.5 + 30·5.5

R_B = 315/4 = 78.75 kN

ΣF_y = 0: R_A = 90 − 78.75 = 11.25 kN

P₁ के नीचे काटें और बायाँ भाग रखें

M_x = R_A·2.5 = 11.25·2.5 = 28.13 kN·m

उत्तर

M_x = 28.13 kN·m

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 45.75 kN·m

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 3·4 = 12 kN, x̄ = 2 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·4 = 55·1 + 3·4·2

R_B = 79/4 = 19.75 kN

ΣF_y = 0: R_A = 67 − 19.75 = 47.25 kN

x = 1 m पर काटें और बायाँ भाग रखें

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

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

M_x = 47.25·1 − 3·1·0.5 = 45.75 kN·m

उत्तर

M_x = 45.75 kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: θ_p = 54.22 °

वृत्त पर कोण

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

2θ_p = atan2(2·60, −30 − 10) = 108.4°

अवयव पर कोण

θ_p = 54.22°

उत्तर

θ_p = 54.22°

धनात्मक कोण वामावर्त होते हैं।

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_vM = 83.67 MPa

समतल प्रतिबल रूपांतरण: θ से घुमाए गए तल पर σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ। मोर वृत्त सभी तलों को एक साथ दिखाता है: उसका केंद्र C = (σₓ + σᵧ)/2 पर और त्रिज्या R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) है। मुख्य प्रतिबल C ± R हैं, और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है। पराभव मानदंड: वॉन मीज़ेस के अनुसार पराभव तब होता है जब σ_vM = √(σ₁² − σ₁σ₂ + σ₂²), σ_Y तक पहुँचे; ट्रेस्का के अनुसार तब जब निरपेक्ष अधिकतम अपरूपण प्रतिबल σ_Y/2 तक पहुँचे।

मुख्य प्रतिबल

C = −40 MPa, R = 42.43 MPa

σ₁ = 2.426 MPa, σ₂ = −82.43 MPa, σ₃ = 0

वॉन मीज़ेस

σ_vM = √(2.426² − 2.426·(−82.43) + (−82.43)²) = 83.67 MPa

उत्तर

σ_vM = 83.67 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_max = 3.303 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 = 6 N/mm, L = 2500 mm

EI = 9.24 × 10¹¹ N·mm²

विक्षेप

δ_max = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·2500⁴/(384·9.24 × 10¹¹) = 3.303 mm

उत्तर

δ_max = 3.303 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: h_req = 187.4 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।

w = 1.5 N/mm, L = 3500 mm, E = 11000 N/mm²

विक्षेप सीमा

δ_allow = L/360 = 3500/360 = 9.722 mm

आवश्यक जड़त्व आघूर्ण

I_req = 5wL⁴/(384·E·δ_allow) = 5·1.5·3500⁴/(384·11000·9.722) = 2.741 × 10⁷ mm⁴

आवश्यक गहराई

bh³/12 = I_req → h = (12·2.741 × 10⁷/50)^1/3 = 187.4 mm

उत्तर

h_req = 187.4 mm

व्यवहार में, इस मान से ऊपर की अगली मानक गहराई चुनें।

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 2.18 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 = 2·3000 = 6000 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/6000² = 2180 N = 2.18 kN

उत्तर

P_cr = 2.18 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: d = 153.3 mm

आवश्यक क्रांतिक भार

P_cr = n·P = 2·65000 = 130000 N

KL = 2·6000 = 12000 mm

व्यास के लिए हल करें

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·130000·12000²/(π³·70000))^(1/4) = 153.3 mm

उत्तर

d = 153.3 mm

जाँच: तनुता KL/r = 313.2 है, इसलिए स्तंभ पतला है और ऑयलर लागू होता है।

15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: x = 21.23 m

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

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

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

v_x = v₀·cos θ = 18·cos 20° = 16.91 m/s

v_y = v₀·sin θ = 18·sin 20° = 6.156 m/s

उड़ान का समय

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

t = 2·6.156/9.81 = 1.255 s

क्षैतिज दूरी

x = v_x·t = 16.91·1.255 = 21.23 m

उत्तर

x = 21.23 m

16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: t = 5.815 s

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

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

v_x = v₀·cos θ = 24·cos 60° = 12 m/s

v_y = v₀·sin θ = 24·sin 60° = 20.78 m/s

उड़ान का समय

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

0 = 45 + 20.78·t − 4.905·t²

t = (v_y + √(v_y² + 2gh))/g = (20.78 + √(432 + 882.9))/9.81 = 5.815 s

उत्तर

t = 5.815 s

17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 6.24 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 = √(2·9.81·8·(0.342 − 0.1·0.9397)) = 6.24 m/s

उत्तर

v = 6.24 m/s

18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: d = 0.7085 m

स्प्रिंग ऊर्जा

x = 10 cm = 0.1 m

½kx² = ½·3000·0.1² = 15 J

ढलान के साथ ऊर्जा संतुलन

m·g = 3·9.81 = 29.43 N

½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)

d = 15/(29.43·(0.6428 + 0.1·0.766)) = 0.7085 m

उत्तर

d = 0.7085 m

19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_d = 1.459 Hz

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।

अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(8000/80) = 10 rad/s

f_n = 10/(2π) = 1.592 Hz

अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

f_d = f_n·√(1 − ζ²) = 1.592·√(1 − 0.4²) = 1.459 Hz

उत्तर

f_d = 1.459 Hz

20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: k_eq = 44.44 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 = 1/80 + 1/100 → k_eq = 80·100/(80 + 100) = 44.44 kN/m

उत्तर

k_eq = 44.44 kN/m

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: η_max = 65.28 %

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 = 600 + 273.15 = 873.1 K

T_L = 30 + 273.15 = 303.1 K

कार्नो दक्षता

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 303.1/873.1 = 65.28 %

उत्तर

η_max = 65.28 %

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Ẇ_min = 0.4284 kW

परम तापमान

T_H = 21 + 273.15 = 294.1 K

T_L = 0 + 273.15 = 273.1 K

सर्वोत्तम संभव COP

COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L) = 294.1/(294.1 − 273.1) = 14.01

न्यूनतम शक्ति

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

Ẇ_min = Q̇_H/COP = 6/14.01 = 0.4284 kW

उत्तर

Ẇ_min = 0.4284 kW

23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: η = 67.07 %

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

कटऑफ़ पद

(1.5^1.4 − 1)/(1.4·(1.5 − 1)) = 1.092

तापीय दक्षता

η = 1 − 0.3017·1.092 = 67.07%

उत्तर

η = 67.07%

24.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: w_net = 401.1 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 = 300·20^0.2857 = 706.1 K

T₄ = 1400/20^0.2857 = 594.8 K

संपीडक और टरबाइन कार्य

w_c = 1.005·(706.1 − 300) = 408.1 kJ/kg

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

शुद्ध कार्य

w_net = 809.2 − 408.1 = 401.1 kJ/kg

उत्तर

w_net = 401.1 kJ/kg

बैक-वर्क अनुपात: w_c/w_t = 50.43%।

25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: p₁ = 123.8 kPa

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.

वेग

v₁ = Q/A₁ = 0.024/0.01767 = 1.358 m/s

v₂ = Q/A₂ = 0.024/0.004418 = 5.432 m/s

बर्नूली

p₁ = p₂ + ½ρ(v₂² − v₁²) = 110 + ½·1000·(5.432² − 1.358²)/1000 = 110 + 13.83 = 123.8 kPa

उत्तर

p₁ = 123.8 kPa

26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 11.13 L/s

होज़ में वेग

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

v = √(2g·4) = √(2·9.81·4) = 8.859 m/s

प्रवाह दर

Q = A·v = 0.001257·8.859 = 0.01113 m³/s = 11.13 L/s

उत्तर

Q = 11.13 L/s

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: h_f = 6.346 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।

औसत वेग

A = π·0.1²/4 = 0.007854 m²

V = Q/A = 0.008/0.007854 = 1.019 m/s

वेग शीर्ष

V²/(2g) = 1.019²/(2·9.81) = 0.05288 m

डार्सी–वाइसबाख

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(800/0.1)·1.019²/(2·9.81) = 6.346 m

उत्तर

h_f = 6.346 m

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: H = 3.305 m

वेग

V = Q/A = 0.025/0.01767 = 1.415 m/s

V²/(2g) = 0.102 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.02·150/0.15 = 20

ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 10 = 11.4

ऊर्जा समीकरण

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

H = (1 + 20 + 11.4)·0.102 = 3.305 m

उत्तर

H = 3.305 m

29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_shaft = 7.848 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 = 1000·9.81·0.02·26 = 5.101 kW

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = P_h/η = 5.101/0.65 = 7.848 kW

उत्तर

P_shaft = 7.848 kW

30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 35.31 m

वेग

V = Q/A = 0.12/0.04909 = 2.445 m/s

V²/(2g) = 0.3046 m

शीर्ष हानियाँ

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 6)·0.3046 = 7.31 m

पंप शीर्ष

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

H = Δz + h_L = 28 + 7.31 = 35.31 m

उत्तर

H = 35.31 m

31.ऊष्मा चालन

उत्तर: T_i = −4.208 °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) = (200/1000)/(0.035·8) = 0.7143 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0.17·8) = 0.05515 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 25/0.7694 = 32.49 W

अंतरापृष्ठ तापमान

पहली परत में तापमान Q̇·R₁ घटता है।

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 19 − 32.49·0.7143 = −4.208 °C

उत्तर

T_i = −4.208 °C

32.ऊष्मा चालन

उत्तर: Q̇ = 41.39 W

श्रेणी प्रतिरोध

R_i = 1/(h_iA) = 1/(8·8) = 0.01563 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0.04·8) = 0.625 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(1.4·8) = 0.006696 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·8) = 0.005 K/W

ΣR = 0.6523 K/W

ऊष्मा हानि

Q̇ = (20 − (-7))/0.6523 = 41.39 W

उत्तर

Q̇ = 41.39 W

33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n_w = 116 rpm

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

व्हील की चाल

n_w = n·z/N_w = 2900·2/50 = 116 rpm

उत्तर

n_w = 116 rpm

34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n_out = 333.3 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 = 1440·12/36 = 480 rpm = n_C

दूसरा चरण

n_out = 480·50/72 = 333.3 rpm

उत्तर

n_out = 333.3 rpm

कुल अनुपात = 4.32 : 1

35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: A = −1

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 + 6s + 8 = (s + 2)(s + 4)

F(s) = A/(s + 2) + B/(s + 4)

कवर-अप नियम

(s + 2) से गुणा करें और s = −2 रखें: B-पद लुप्त हो जाता है।

A = (4s + 6)/(s + 4) |_{s = −2} = −2/2 = −1

उत्तर

A = −1

(B = 5, इसलिए f(t) = −e^−2t + 5·e^−4t)

36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.8) = 10.57

समीकरण का रूपांतर करें

(s² + 4s + 3)·Y(s) = 5s + 20 + 60/s

Y(s) = (5s² + 20s + 60)/(s(s + 1)(s + 3))

आंशिक भिन्न

A = 60/(1·3) = 20

B = 45/((−1)·2) = −22.5

C = 45/((−3)·(−2)) = 7.5

परिणाम

y(t) = 20 − 22.5·e^−t + 7.5·e^−3t

y(0.8) = 10.57

उत्तर

y(0.8) = 10.57

जाँच: y(0) = A + B + C = 5।

37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: c_ss = 4.598

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)।

संवृत-लूप अंतरण फलन

T(s) = G/(1 + G·H) = 40/(s + 7 + 80) = 40/(s + 87)

परिणाम

c_ss = R·T(0) = 10·40/87 = 4.598

उत्तर

c_ss = 4.598

38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: ω_d = 8.66 rad/s

अभिलाक्षणिक समीकरण

s(s + 6) + 42·2 = 0 → s² + 6s + 84 = 0

मूल

s = −3 ± j·√(84 − 9) = −3 ± j8.66

ω_d = 8.66 rad/s

उत्तर

ω_d = 8.66 rad/s

39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: t_s = 1.6 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 = 34 → ωₙ = 5.831 rad/s

2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·5.831) = 0.4287

परिणाम

ζωₙ = 2.5 → t_s ≈ 4/2.5 = 1.6 s

उत्तर

t_s = 1.6 s

40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: K = 499.8

संवृत-लूप अंतरण फलन

T(s) = K/(s² + 16s + K)

अतिलंघन से अवमंदन अनुपात

ζ = −ln(0.3)/√(π² + ln²(0.3)) = 0.3579

लब्धि

ωₙ = 16/(2ζ) = 22.36 rad/s

K = ωₙ² = 499.8

उत्तर

K = 499.8

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: e_ss = 3.333

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।

वेग स्थिरांक

K_v = lim s·G(s) = 1.5

सोपान वाला भाग

K_p = ∞ → e_step = 0

रैंप त्रुटि

e_ss = 5/1.5 = 3.333

उत्तर

e_ss = 3.333

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) + 25·1 = s² + 4s + 25

ωₙ और ζ

ωₙ = √25 = 5 rad/s

ζ = 4/(2·5) = 0.4

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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FE Mechanical परीक्षा अभ्यास: क्रैम पैक

1सूत्र और विधियाँ

बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

विधि

अक्षीय प्रतिबल और विकृति

शाफ़्ट का मरोड़

विधि

अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

विधि

मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

विधि

बीम विक्षेप

स्तंभ बकलिंग

प्रक्षेप्य गति

विधि

कार्य और ऊर्जा

यांत्रिक कंपन

ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

गैस शक्ति चक्र

सांतत्य और बर्नूली

पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

पंप और पंप शक्ति

ऊष्मा चालन

गियर और गियर ट्रेन

स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

विधि

2अभ्यास प्रश्न

3विलयन

A के परितः आघूर्ण

ऊर्ध्वाधर संतुलन

उत्तर

भाग CD

उत्तर

प्रतिबल

विकृति (हुक का नियम)

उत्तर

दोनों खंडों में समान बल

खंडों का दीर्घीकरण जोड़ें

उत्तर

स्वीकार्य प्रतिबल से बाहरी व्यास

उत्तर

बलाघूर्ण

स्वीकार्य प्रतिबल से बाहरी व्यास

उत्तर

आलंब प्रतिक्रियाएँ

P1 के नीचे काटें और बायाँ भाग रखें

उत्तर

आलंब प्रतिक्रियाएँ

x = 1 m पर काटें और बायाँ भाग रखें

उत्तर

वृत्त पर कोण

अवयव पर कोण

उत्तर

मुख्य प्रतिबल

वॉन मीज़ेस

उत्तर

एकरूप इकाइयाँ

विक्षेप

उत्तर

एकरूप इकाइयाँ

विक्षेप सीमा

आवश्यक जड़त्व आघूर्ण

आवश्यक गहराई

उत्तर

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

प्रभावी लंबाई

क्रांतिक भार

उत्तर

आवश्यक क्रांतिक भार

व्यास के लिए हल करें

उत्तर

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

उड़ान का समय

क्षैतिज दूरी

उत्तर

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

उड़ान का समय

उत्तर

ढलान के साथ ऊर्जा संतुलन

उत्तर

P₁ के नीचे काटें और बायाँ भाग रखें