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​ = 25 kNP2​ = 60 kNABRA​RB​ = ?2 m1 m5 m

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

L = 8 mP1 = 25 kN पर 2 mP2 = 60 kN पर 3 m
RB = kN
2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन
w0​ = 15 kN/mP = 15 kNABMA​ = ?4.5 m0.5 m

कैंटिलीवर बीम A पर दीवार में स्थिर है। यह एक रैखिक रूप से बदलता भार वहन करता है जो दीवार पर 15 kN/m है और मुक्त सिरे B पर शून्य तक घटता है, साथ ही दीवार से 4.5 m पर एक बिंदु भार P। दीवार पर प्रतिक्रिया आघूर्ण MA का परिमाण ज्ञात कीजिए।

L = 5 mw0 = 15 kN/mP = 15 kN पर 4.5 m
MA = kN·m
3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम
P = ?12400 mm300 mmØ40Ø30δ = 0.2 mm

एक छड़ स्टील के खंड (व्यास 40 mm, लंबाई 400 mm, E = 200 GPa) से बनी है, जो ताँबा के बने खंड (व्यास 30 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 0.2 mm खींचता है।

खंड 1: स्टील, Ø40 mm, 400 mm, E = 200 GPaखंड 2: ताँबा, Ø30 mm, 300 mm, E = 120 GPaδ = 0.2 mm
P = kN
4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन
P = ?Ø20110 GPaØ80/60600 mm

एक स्टील छड़ (व्यास 20 mm, E = 200 GPa, अनुमेय प्रतिबल 160 MPa) काँसा की बनी नलिका (बाहरी व्यास 80 mm, भीतरी व्यास 60 mm, E = 110 GPa, अनुमेय प्रतिबल 100 MPa) के भीतर है। दोनों को दृढ़ प्लेटों के बीच साथ-साथ संपीडित किया जाता है। सबसे बड़ा भार Pmax ज्ञात कीजिए।

छड़: Ø20 mm, E = 200 GPa, σallow = 160 MPaनलिका: Ø80/Ø60 mm, E = 110 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
5.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम
d1​ = 60 mmd2​ = 25 mmT = 200 N·mABC2.5 m2 m

एक सोपानी ठोस पीतल शाफ़्ट A पर स्थिर है। खंड AB का व्यास 60 mm और लंबाई 2.5 m है; खंड BC का व्यास 25 mm और लंबाई 2 m है। मुक्त सिरे C पर 200 N·m का बलाघूर्ण कार्य करता है। सिरे C का मरोड़ कोण φC डिग्री में ज्ञात कीजिए।

T = 200 N·md1 = 60 mm, L1 = 2.5 md2 = 25 mm, L2 = 2 mG = 39 GPa
φC = °
6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन
d = 30 mmTB​ = 400 N·mTC​ = 250 N·mABC1.5 m1 m

30 mm व्यास वाला एक ठोस एल्युमिनियम शाफ़्ट A पर स्थिर है। A से 1.5 m पर B पर 400 N·m का बलाघूर्ण कार्य करता है, और 1 m और आगे मुक्त सिरे C पर विपरीत दिशा में 250 N·m का बलाघूर्ण कार्य करता है। सिरे C के मरोड़ कोण φC का परिमाण डिग्री में ज्ञात कीजिए।

d = 30 mmTB = 400 N·mTC = 250 N·mAB = 1.5 mBC = 1 mG = 26 GPa
φC = °
7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम
w = 12 kN/mABखंड4.5 m5.5 m

आलंब A से x = 4.5 m पर खंड में बंकन आघूर्ण Mx ज्ञात कीजिए। नीचे के रेशों को खींचने वाले आघूर्ण और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण बल को धनात्मक लें।

L = 10 mw = 12 kN/m, 0 से 10 m तकx = 4.5 m
Mx = kN·m
8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन
15 kN/m30 kN25 kN50 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

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।

30 kN @ 0 m25 kN @ 12 m50 kN @ 6 m15 kN/m, 2–10 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम
σx​ = 120σy​ = 110τxy​ = 40MPa

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 120 MPa, σᵧ = 110 MPa और τₓᵧ = 40 MPa है (तनन धनात्मक)। x-अक्ष से सबसे बड़े मुख्य प्रतिबल की दिशा तक का कोण θp, −90° और 90° के बीच, ज्ञात कीजिए।

σx = 120 MPaσy = 110 MPaτxy = 40 MPa
θp = °
10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन
40°D = 1000 mm, t = 12 mm, p = 0.5 MPap

1000 mm भीतरी व्यास और 12 mm दीवार मोटाई वाली एक पतली दीवार की बेलनाकार टंकी में 0.5 MPa गेज दाब पर गैस है। यह बेलन की अक्ष से 40° पर एक सर्पिल सीवन के साथ वेल्ड की गई प्लेट से बनी है। वेल्ड सीवन के साथ कार्य करने वाले अपरूपण प्रतिबल |τn| का परिमाण ज्ञात कीजिए।

D = 1000 mmt = 12 mmp = 0.5 MPaα = 40°
|τn| = MPa
11.बीम विक्षेपमध्यम
w = 5 kN/mδL = 2.5 m

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

w = 5 kN/mL = 2.5 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
12.बीम विक्षेपकठिन
w = 2 kN/mδL = 6 m

एक सरल आलंबित बीम समान वितरित भार w वहन करता है। उसका विक्षेप विस्तार/360 से अधिक नहीं हो सकता। यह सीमा पूरी करने वाला न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण Ireq ज्ञात कीजिए।

w = 2 kN/mL = 6 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
13.स्तंभ बकलिंगमध्यम
PL = 2 md = 50 mmअनुप्रस्थ काट

स्टील 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 = 2 mE = 200 GPa (स्टील)d = 50 mm
Pcr = kN
14.स्तंभ बकलिंगकठिन
P = 50 kNL = 1 md = ?अनुप्रस्थ काट

स्टील से बना L लंबाई का एक ठोस गोल स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर मुक्त है। इसे बकलिंग के विरुद्ध 2.5 के सुरक्षा गुणक के साथ 50 kN वहन करना है। न्यूनतम व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 50 kNn = 2.5L = 1 mE = 200 GPa (स्टील)
d = mm
15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम
14 my = ?v0​ = 16 m/s25°

समतल ज़मीन से एक गेंद को 16 m/s से क्षैतिज से 25° ऊपर 14 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 = 16 m/sθ = 25°x = 14 mg = 9.81 m/s²
y = m
16.प्रक्षेप्य गतिकठिन
h = 55 mv0​ = 31 m/s20°H = ?

एक 55 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 31 m/s से क्षैतिज से 20° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। चट्टान के आधार पर ज़मीन से अधिकतम ऊँचाई H ज्ञात कीजिए।

v₀ = 31 m/sθ = 20°h = 55 mg = 9.81 m/s²
H = m
17.कार्य और ऊर्जामध्यम
30°d = 17 mμ = 0.1

एक गुटका क्षैतिज से 30° पर झुकी ढलान पर विराम से फिसलता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.1 है। ढलान के साथ 17 m फिसलने के बाद उसकी चाल v ज्ञात कीजिए।

θ = 30°μ = 0.1d = 17 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
18.कार्य और ऊर्जाकठिन
h = 5 mL = 1.5 mμ = 0.2k = 1000 N/m

10 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 5 m ऊँचाई से विराम से छोड़ा जाता है। नीचे वह 1.5 m लंबी खुरदरी क्षैतिज पट्टी (μ = 0.2) पार करता है और फिर चिकनी सतह पर एक स्प्रिंग (k = 1000 N/m) से टकराता है। स्प्रिंग का अधिकतम संपीडन x ज्ञात कीजिए।

m = 10 kgh = 5 mL = 1.5 mμ = 0.2k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
19.यांत्रिक कंपनमध्यम
k = 200 kN/mζ = 0.35m = 100 kg

200 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग पर एक 100 kg द्रव्यमान के साथ एक श्यान अवमंदक है जो 0.35 का अवमंदन अनुपात देता है। इसके मुक्त कंपन की अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति fd Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 100 kgk = 200 kN/mζ = 0.35
fd = Hz
20.यांत्रिक कंपनकठिन
k1​ = 100k2​ = 12k3​ = 5m = 5 kg

एक 5 kg द्रव्यमान स्प्रिंग k₃ = 5 kN/m से लटका है। k₃ का ऊपरी सिरा एक दृढ़ छड़ से जुड़ा है जो अगल-बगल दो स्प्रिंगों k₁ = 100 kN/m और k₂ = 12 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 = 5 kgk1 = 100 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz
21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम
TH​ = 30 °CTL​ = 5 °CRQ̇H​ = ?Q̇L​ = 4 kWẆ

एक उत्क्रमणीय रेफ़्रिजरेटर 4 kW ऊष्मा निकालकर एक ठंडे कमरे को 5 °C पर रखता है, और 30 °C वाले परिवेश को ऊष्मा त्यागता है। वह दर Q̇H ज्ञात कीजिए जिस पर यह ऊष्मा त्यागता है।

TL = 5 °CTH = 30 °CQ̇L = 4 kW
Q̇H = kW
22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन
TH​ = 21 °CTL​ = 0 °CHPQ̇H​ = 4 kWQ̇L​Ẇ

एक ऊष्मा पंप बाहर 0 °C होने पर घर को 21 °C पर रखता है, और घर को 4 kW ऊष्मा देता है। अधिकतम संभव निष्पादन गुणांक COPmax ज्ञात कीजिए।

TH = 21 °CTL = 0 °CQ̇H = 4 kW
COPmax =
23.गैस शक्ति चक्रमध्यम
vP1234qin​qout​

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 14 और कटऑफ़ अनुपात rc = v₃/v₂ = 2.5 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।

r = 14rc = 2.5k = 1.4
η = %
24.गैस शक्ति चक्रकठिन
vP1234qin​qout​

एक गैस-टरबाइन संयंत्र 18 संपीडक दाब अनुपात वाले ब्रेटन चक्र पर चलता है। वायु 295 K पर संपीडक में और 1100 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, cp = 1.005 kJ/(kg·K) और cv = 0.718 kJ/(kg·K)। प्रति किलोग्राम वायु शुद्ध कार्य निर्गत wnet kJ/kg में ज्ञात कीजिए।

rp = 18T1 = 295 KT3 = 1100 Kk = 1.4cp = 1.005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg
25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम
v = ?p0​pp0​ − p = 1300 Paअवरोध बिंदु

पवन सुरंग में एक पिटो-स्थैतिक नली अवरोध दाब और स्थैतिक दाब के बीच 1300 Pa का अंतर दिखाती है। वायु घनत्व 1.2 kg/m³ है। वायु चाल v ज्ञात कीजिए।

p0 − p = 1300 Paρ = 1.2 kg/m³
v = m/s
26.सांतत्य और बर्नूलीकठिन
C211 m1.5 md = 32 mmpC​ = ?

32 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 1.5 m नीचे है। हानियों को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। बिंदु C पर परम दाब pC ज्ञात कीजिए। वायुमंडलीय दाब 101.3 kPa है।

d = 32 mmzC = +1 mz2 = −1.5 mg = 9.81 m/s²patm = 101.3 kPa
pC = kPa
27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम
V = 2.3 m/sD = 100 mmL = 50 mf = 0.015

जल (ρ = 1000 kg/m³) 100 mm आंतरिक व्यास वाले 50 m लंबे क्षैतिज पाइप से 2.3 m/s पर बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 और g = 9.81 m/s² लें। पाइप पर दाब पात Δp kPa में ज्ञात कीजिए।

V = 2.3 m/sL = 50 mD = 100 mmf = 0.015ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन
K = 10मुक्त निकासH = ?L = 300 m, D = 300 mm, f = 0.0224× मोड़ (K = 0.3)

300 mm आंतरिक व्यास (डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.022) वाला 300 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), 4 मोड़ (हर एक K = 0.3) और एक वाल्व (K = 10)। g = 9.81 m/s² लें। 120 L/s की प्रवाह दर के लिए जलाशय की सतह पाइप निकास से कितनी H ऊपर होनी चाहिए?

Q = 120 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0.022Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×4)Kvalve = 10
H = m
29.पंप और पंप शक्तिमध्यम
PQ = 20 L/sH = 10 m

एक पंप 10 m शीर्ष के विरुद्ध 20 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। पंप दक्षता 85% 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 = 20 L/sH = 10 mηpump = 85%ηmotor = 88%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
30.पंप और पंप शक्तिकठिन
PQ = 100 L/sΔz = 13 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0.025, ΣK = 6

एक पंप 100 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 13 m ऊँची है। पाइप 200 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 250 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.025 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 = 100 L/sΔz = 13 mL = 200 mD = 250 mmf = 0.025ΣK = 6
H = m
31.ऊष्मा चालनमध्यम
काँच, k = 0.96250 mmविस्तारित पॉलीस्टाइरीन, k = 0.03525 mm25 °C-13 °CQ̇ = ?

एक दीवार काँच की 250 mm और विस्तारित पॉलीस्टाइरीन की 25 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 10 m²। बाहरी फलक 25 °C और -13 °C पर हैं। दीवार से ऊष्मा प्रवाह Q̇ ज्ञात कीजिए।

L1 = 250 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 25 °CT3 = -13 °C
Q̇ = W
32.ऊष्मा चालनकठिन
ईंट, k = 0.7250 mmकंक्रीट, k = 1.4100 mmकमरा 20 °Cबाहर -1 °CQ̇

50 mm ईंट और 100 mm कंक्रीट की दीवार 20 °C वाले कमरे को -1 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 10 W/(m²·K) और बाहर 30 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 8 m² है। दीवार का समग्र ऊष्मा अंतरण गुणांक U ज्ञात कीजिए।

L1 = 50 mm, k1 = 0.72 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1.4 W/(m·K)A = 8 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -1 °C
U = W/(m²·K)
33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम
Nw​ = 72z = 1, 1450 rpm

1 स्टार्ट वाला एक वर्म 1450 rpm पर घूमता है और 72 दाँतों वाले वर्म व्हील को चलाता है। व्हील की चाल nw ज्ञात कीजिए।

z = 1Nw = 72n = 1450 rpm
nw = rpm
34.गियर और गियर ट्रेनकठिन
A = 15B = 30C = 12D = ?

एक संयुक्त गियर ट्रेन में निवेश शाफ़्ट पर गियर A (15 दाँत) 2880 rpm पर घूमता है और गियर B (30 दाँत) को चलाता है। गियर C (12 दाँत) B के ही शाफ़्ट पर लगा है और निर्गम शाफ़्ट पर गियर D को चलाता है। निर्गम को 540 rpm पर घूमना है। गियर D में कितने दाँत ND होने चाहिए?

nin = 2880 rpmA = 15B = 30C = 12nout = 540 rpm
ND =
35.लाप्लास रूपांतरमध्यम
ReIm−5−10−15−20−255

वर्ग पूरा करके F(s) = (s + 22)/(s² + 4s + 40) के लिए f(t) ज्ञात कीजिए, और f(0.1) का मान निकालिए।

F(s) = (s + 22)/(s² + 4s + 40)t = 0.1 s
f(0.1) =
36.लाप्लास रूपांतरकठिन
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

एक तंत्र y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t) का पालन करता है। यह विराम से शुरू होता है (y(0) = 0, y′(0) = 0) और इनपुट t ≥ 0 के लिए एक सोपान u(t) = 5 है। लाप्लास रूपांतर से आउटपुट y(0.1) ज्ञात कीजिए।

y″ + 8y′ + 15y = 15·u(t)u(t) = 5y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.1 s
y(0.1) =
37.ब्लॉक आरेखमध्यम
R(s)+12K+7s + 1G(s)C(s)3H₁−−

संयंत्र G(s) = 7/(s + 1) में लब्धि H₁ = 3 वाला एक भीतरी (गौण) ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप है। नियंत्रक लब्धि K = 12 और एक बाहरी एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप तंत्र को बंद करते हैं। संवृत-लूप ध्रुव p ज्ञात कीजिए।

G(s) = 7/(s + 1)H₁ = 3K = 12
p =
38.ब्लॉक आरेखकठिन
R(s)+17नियंत्रक+D(s)+10s + 2संयंत्रC(s)−

एक आनुपातिक नियंत्रक K = 17 एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में संयंत्र G(s) = 10/(s + 2) को चलाता है। एक विक्षोभ D संयंत्र इनपुट पर प्रवेश करता है (यह नियंत्रक आउटपुट में जोड़ा जाता है)। R = 0 के साथ आकार 10 का विक्षोभ सोपान लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था आउटपुट css ज्ञात कीजिए।

K = 17G(s) = 10/(s + 2)D = 10R = 0
css =
39.सोपान अनुक्रियामध्यम
t (s)y(t)3

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 234/(s² + 4s + 78) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। ध्रुव s = σ ± jωd हैं। वास्तविक भाग σ ज्ञात कीजिए।

G(s) = 234/(s² + 4s + 78)
σ =
40.सोपान अनुक्रियाकठिन
t (s)y(t)1tp​ = 0.25 s15 %

शून्यों के बिना एक द्वितीय-कोटि तंत्र की सोपान अनुक्रिया 15 % अतिलंघन दिखाती है, और पहला शिखर t = 0.25 s पर आता है। प्राकृतिक आवृत्ति ωn ज्ञात कीजिए।

%OS = 15 %tp = 0.25 s
ωn = rad/s
41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम
r(t) = 1t+Ks(s + 5)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 5)) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप को रैंप r(t) = 1t का अनुसरण 0.1 की स्थायी-अवस्था त्रुटि के साथ करना है। लब्धि K ज्ञात कीजिए।

G(s) = K/(s(s + 5))r(t) = 1tess = 0.1
K =
42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन
R(s)+K = 54s(s + 2)C(s)−

एक आनुपातिक नियंत्रक K = 5 संयंत्र G(s) = 4/(s(s + 2)) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। सोपान अनुक्रिया का शिखर समय tp ज्ञात कीजिए।

G(s) = 4/(s(s + 2))K = 5
tp = s

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: RB = 28.75 kN

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

P1​ = 25 kNP2​ = 60 kNABRA​RB​2 m1 m5 m

मुक्त-पिंड आरेख

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

संतुलन

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

ΣMA = 0: RB·8 = 25·2 + 60·3
RB = 230/8 = 28.75 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 28.75 = 56.25 kN

उत्तर

RB = 28.75 kN
2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: MA = 130 kN·m

कैंटिलीवर संतुलन: स्थिर आलंब ऊपर धकेल सकता है और घूर्णन का प्रतिरोध भी कर सकता है, इसलिए यह एक ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया RA और एक प्रतिक्रिया आघूर्ण MA देता है। ΣFy = 0 से RA मिलता है, और दीवार के परितः आघूर्णों से MA = Σ(भार × दीवार से दूरी)। वितरित भार भार आरेख के केंद्रक पर अपने परिणामी के रूप में कार्य करता है।

त्रिभुजाकार भार का परिणामी

W = ½·15·5 = 37.5 kN
x̄ = L/3 = 1.667 m

दीवार के परितः आघूर्ण

MA = W·x̄ + P·a = 37.5·1.667 + 15·4.5 = 130 kN·m

उत्तर

MA = 130 kN·m
3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: P = 39 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 = 1257 mm², A₂ = 706.9 mm²

नम्यताएँ

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·1257) = 1.592 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(120000·706.9) = 3.537 × 10⁻⁶ mm/N

भार

P = 0.2/5.128 × 10⁻⁶ = 38999 N = 39 kN

उत्तर

P = 39 kN
4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: Pmax = 243.8 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

Ar = π·20²/4 = 314.2 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

संयुक्त अक्षीय कठोरता

ΣEA = 200·10³·314.2 + 110·10³·2199 = 3.047 × 10⁸ N

निर्धारक विकृति

ε = min(0.0008, 0.0009091) = 0.0008 (स्टील)

सबसे बड़ा भार

Pmax = 0.0008·3.047 × 10⁸ = 243788 N = 243.8 kN

उत्तर

Pmax = 243.8 kN
5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φC = 15.9 °

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।

ध्रुवीय आघूर्ण

J1 = π·60⁴/32 = 1.272 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·25⁴/32 = 38350 mm⁴

हर खंड का मरोड़

T = 200 N·m = 200000 N·mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 200000·2500/(39000·1.272 × 10⁶) = 0.01008 rad
φBC = 200000·2000/(39000·38350) = 0.2674 rad

कुल मरोड़

φC = 0.01008 + 0.2674 = 0.2775 rad = 15.9°

उत्तर

φC = 15.9°
6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φC = 0.6928 °

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।

आंतरिक बलाघूर्ण

TC की दिशा धनात्मक ली गई है।

TBC = TC = 250 N·m
TAB = TC − TB = 250 − 400 = −150 N·m

हर खंड का मरोड़

J = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴
G = 26 GPa = 26000 MPa
φAB = −150000·1500/(26000·79522) = −0.1088 rad
φBC = 250000·1000/(26000·79522) = 0.1209 rad

सिरे C का मरोड़

φC = −0.1088 + 0.1209 = 0.01209 rad → |φC| = 0.6928°

उत्तर

φC = 0.6928°
7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: Mx = 148.5 kN·m

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

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 12·10 = 120 kN, x̄ = 5 m पर कार्य करता है
ΣMA = 0: RB·10 = 12·10·5
RB = 600/10 = 60 kN
ΣFy = 0: RA = 120 − 60 = 60 kN
w = 12 kN/mABRA​ = 60RB​ = 60खंड4.5 m5.5 m

x = 4.5 m पर काटें और बायाँ भाग रखें

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

M = RA·x − (कट के बाईं ओर हर भार × कट से उसकी दूरी)
Mx = 60·4.5 − 12·4.5·2.25 = 148.5 kN·m

उत्तर

Mx = 148.5 kN·m
8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: D (x = 6 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 = 116.3 kN, R2 = 108.8 kN

हर चिह्न पर बंकन आघूर्ण

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

MA = 0, MB = −60, MC = 82.5, MD = 165 kN·m, ME = 87.5, MF = −50, MG = 0

उत्तर

चिह्न D: MD = 165 kN·m
9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: θp = 41.44 °

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।

σxyCσ1​σ2​

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।

2θp = atan2(2·40, 120 − 110) = 82.87°

अवयव पर कोण

θp = 41.44°

उत्तर

θp = 41.44°

धनात्मक कोण वामावर्त होते हैं।

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: |τn| = 5.129 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। पतली दीवार का बेलन: परिधीय प्रतिबल σh = pr/t और अक्षीय प्रतिबल σa = pr/(2t); ये दीवार में मुख्य प्रतिबल हैं।

दीवार के प्रतिबल

r = 1000/2 = 500 mm
σh = pr/t = 0.5·500/12 = 20.83 MPa
σa = pr/(2t) = 10.42 MPa

सीवन पर रूपांतरित करें

x को अक्ष के साथ (σa) और y को परिधि के साथ (σh) लें। सीवन का अभिलंब अक्ष से 90° − α बनाता है।

|τn| = (20.83 − 10.42)·sin 40°·cos 40° = 5.129 MPa

उत्तर

|τn| = 5.129 MPa
11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ = 61.65 mm

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

एकरूप इकाइयाँ

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

w = 5 N/mm, L = 2500 mm
EI = 3.96 × 10¹¹ N·mm²

विक्षेप

δ = wL⁴/(8EI) = 5·2500⁴/(8·3.96 × 10¹¹) = 61.65 mm

उत्तर

δ = 61.65 mm
12.बीम विक्षेप

उत्तर: Ireq = 184.1 × 10⁶ mm⁴

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)।

विक्षेप सीमा

δallow = L/360 = 6000/360 = 16.67 mm

आवश्यक जड़त्व आघूर्ण

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·2·6000⁴/(384·11000·16.67) = 1.841 × 10⁸ mm⁴
Ireq = 184.1 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

Ireq = 184.1 × 10⁶ mm⁴
13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: Pcr = 37.85 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 = 2·2000 = 4000 mm

क्रांतिक भार

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/4000² = 37849 N = 37.85 kN

उत्तर

Pcr = 37.85 kN
14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: d = 47.66 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 = 2.5·50000 = 125000 N
KL = 2·1000 = 2000 mm

व्यास के लिए हल करें

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·125000·2000²/(π³·200000))^(1/4) = 47.66 mm

उत्तर

d = 47.66 mm

जाँच: तनुता KL/r = 167.9 है, इसलिए स्तंभ पतला है और ऑयलर लागू होता है।

15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: y = 1.956 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 = 16·cos 25° = 14.5 m/s
t = x/vx = 14/14.5 = 0.9655 s

उस समय ऊँचाई

y = 6.762·0.9655 − ½·9.81·0.9655² = 1.956 m

उत्तर

y = 1.956 m

दीवार पर गेंद पहले से नीचे आ रही है।

16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: H = 60.73 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.

ऊर्ध्वाधर प्रक्षेपण चाल

vy = 31·sin 20° = 10.6 m/s

चट्टान से ऊपर उठान

Δh = vy²/(2g) = 10.6²/(2·9.81) = 5.73 m

ज़मीन से ऊँचाई

H = 55 + 5.73 = 60.73 m

उत्तर

H = 60.73 m
17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 11.74 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 = √(2·9.81·17·(0.5 − 0.1·0.866)) = 11.74 m/s

उत्तर

v = 11.74 m/s
18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: x = 96.03 cm

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 = 98.1·(5 − 0.2·1.5) = 461.1 J

अधिकतम संपीडन

½kx² = 461.1 → x = √(2·461.1/1000) = 0.9603 m = 96.03 cm

उत्तर

x = 96.03 cm
19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: fd = 6.667 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।

अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

ωn = √(200000/100) = 44.72 rad/s
fn = 44.72/(2π) = 7.118 Hz

अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

fd = fn·√(1 − ζ²) = 7.118·√(1 − 0.35²) = 6.667 Hz

उत्तर

fd = 6.667 Hz
20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: fn = 4.924 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 = 100 + 12 = 112 kN/m
keq = 112·5/(112 + 5) = 4.786 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ωn = √(4786/5) = 30.94 rad/s
fn = 30.94/(2π) = 4.924 Hz

उत्तर

fn = 4.924 Hz
21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Q̇H = 4.36 kW

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.

परम तापमान

TH = 30 + 273.15 = 303.1 K
TL = 5 + 273.15 = 278.1 K

उत्क्रमणीय ऊष्मा अनुपात

Q̇H = Q̇L·TH/TL = 4·303.1/278.1 = 4.36 kW

उत्तर

Q̇H = 4.36 kW

निवेश शक्ति: Ẇ = 0.3595 kW।

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: COPmax = 14.01

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 = 21 + 273.15 = 294.1 K
TL = 0 + 273.15 = 273.1 K

सर्वोत्तम संभव COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 294.1/(294.1 − 273.1) = 14.01

उत्तर

COPmax = 14.01
23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: η = 56.81 %

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))।

कटऑफ़ पद

(2.51.4 − 1)/(1.4·(2.5 − 1)) = 1.241

तापीय दक्षता

η = 1 − 0.348·1.241 = 56.81%

उत्तर

η = 56.81%
24.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: wnet = 240.8 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 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।

समएन्ट्रॉपिक तापमान

T2 = 295·180.2857 = 673.7 K
T4 = 1100/180.2857 = 481.7 K

संपीडक और टरबाइन कार्य

wc = 1.005·(673.7 − 295) = 380.6 kJ/kg
wt = 1.005·(1100 − 481.7) = 621.4 kJ/kg

शुद्ध कार्य

wnet = 621.4 − 380.6 = 240.8 kJ/kg

उत्तर

wnet = 240.8 kJ/kg

बैक-वर्क अनुपात: wc/wt = 61.25%।

25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: v = 46.55 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 = √(2·1300/1.2) = 46.55 m/s

उत्तर

v = 46.55 m/s
26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: pC = 76.78 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.

होज़ में वेग

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

v = √(2g·1.5) = √(2·9.81·1.5) = 5.425 m/s

सतह से C तक बर्नूली

patm = pC + ½ρv² + ρgzC
pC = 101.3 − 1000·(5.425²/2 + 9.81·1)/1000 = 101.3 − 24.53 = 76.78 kPa

उत्तर

pC = 76.78 kPa

यदि यह दाब पानी के वाष्प दाब तक गिर जाए, तो साइफ़न काम करना बंद कर देता है।

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Δp = 19.84 kPa

पाइप प्रवाह: रेनॉल्ड्स संख्या Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ स्तरीय प्रवाह (Re लगभग 2000 से कम) को विक्षुब्ध प्रवाह (लगभग 4000 से अधिक) से अलग करती है। पाइप के अनुदिश घर्षण से डार्सी–वाइसबाख शीर्ष हानि 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।

शीर्ष हानि

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(50/0.1)·2.3²/(2·9.81) = 2.022 m

दाब पात

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

Δp = ρ·g·hf = 1000·9.81·2.022 = 19837 Pa = 19.84 kPa

उत्तर

Δp = 19.84 kPa
28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: H = 5.097 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

V = Q/A = 0.12/0.07069 = 1.698 m/s
V²/(2g) = 0.1469 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.022·300/0.3 = 22
ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 = 11.7

ऊर्जा समीकरण

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

H = (1 + 22 + 11.7)·0.1469 = 5.097 m

उत्तर

H = 5.097 m
29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: Pel = 2.623 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 = 1000·9.81·0.02·10 = 1.962 kW

शाफ़्ट शक्ति

Pshaft = 1.962/0.85 = 2.308 kW

विद्युत शक्ति

Pel = 2.308/0.88 = 2.623 kW

उत्तर

Pel = 2.623 kW
30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 18.5 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 = 0.1/0.04909 = 2.037 m/s
V²/(2g) = 0.2115 m

शीर्ष हानियाँ

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 6)·0.2115 = 5.5 m

पंप शीर्ष

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

H = Δz + hL = 13 + 5.5 = 18.5 m

उत्तर

H = 18.5 m
31.ऊष्मा चालन

उत्तर: Q̇ = 389.9 W

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

परत प्रतिरोध

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.96·10) = 0.02604 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0.035·10) = 0.07143 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 38/0.09747 = 389.9 W

उत्तर

Q̇ = 389.9 W
32.ऊष्मा चालन

उत्तर: U = 3.647 W/(m²·K)

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/(10·8) = 0.0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0.72·8) = 0.008681 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1.4·8) = 0.008929 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·8) = 0.004167 K/W
ΣR = 0.03428 K/W

समग्र गुणांक

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0.03428) = 3.647 W/(m²·K)

उत्तर

U = 3.647 W/(m²·K)
33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: nw = 20.14 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

nw = n·z/Nw = 1450·1/72 = 20.14 rpm

उत्तर

nw = 20.14 rpm
34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: ND = 32

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.

मध्यवर्ती शाफ़्ट की चाल

nB = nC = 2880·15/30 = 1440 rpm

गियर D के दाँत

ND = C·nC/nout = 12·1440/540 = 32

उत्तर

ND = 32
35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: f(0.1) = 2.217

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)।

वर्ग पूरा करें

s² + 4s + 40 = (s + 2)² + 36 = (s + 2)² + 6²

अंश का मिलान करें

F(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 6²) + (20/6)·6/((s + 2)² + 6²)

प्रतिलोम रूपांतर

f(t) = e−2t·(cos 6t + 3.333·sin 6t)
f(0.1) = e−2·0.1·(cos(6·0.1) + 3.333·sin(6·0.1)) = 2.217

उत्तर

f(0.1) = 2.217
36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.1) = 0.2888

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

Y(s) = 75/(s(s + 3)(s + 5))

आंशिक भिन्न

A = 75/(3·5) = 5
B = 75/((−3)·2) = −12.5
C = 75/((−5)·(−2)) = 7.5

निर्गम

y(t) = 5 − 12.5·e−3t + 7.5·e−5t
y(0.1) = 0.2888

उत्तर

y(0.1) = 0.2888
37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: p = −106

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) = 7/(s + 1 + 7·3) = 7/(s + 22)

बाहरी लूप

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 84/(s + 22 + 84) = 84/(s + 106)

परिणाम

p = −106

उत्तर

p = −106
38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: css = 0.5814

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)।

अंतरण फलन

C/D = G/(1 + K·G) = 10/(s + 2 + 170)

स्थायी अवस्था

css = 10·10/172 = 0.5814

उत्तर

css = 0.5814

बड़ा K विक्षोभ का प्रभाव घटाता है, पर आनुपातिक नियंत्रक के साथ कभी शून्य नहीं करता।

39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: σ = −2

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 = 78 → ωₙ = 8.832 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·8.832) = 0.2265

परिणाम

σ = −ζωₙ = −4/2 = −2

उत्तर

σ = −2
40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: ωn = 14.68 rad/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 ± 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(0.15)/√(π² + ln²(0.15)) = 1.897/√(9.87 + 3.599) = 0.5169

प्राकृतिक आवृत्ति

ωd = π/tp = π/0.25 = 12.57 rad/s
ωₙ = ωd/√(1 − ζ²) = 12.57/0.856 = 14.68 rad/s

उत्तर

ωn = 14.68 rad/s
41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: K = 50

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।

आवश्यक वेग स्थिरांक

Kv = A/ess = 1/0.1 = 10

लब्धि

K = 5·Kv = 50

उत्तर

K = 50

बड़ी लब्धि इस लूप को बहुत हल्का अवमंदित बना देती है: ζ = 0.3536। इसी विरोध के कारण क्षतिपूरक (कम्पेन्सेटर) उपयोग किए जाते हैं।

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: tp = 0.7207 s

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 + 2) + 5·4 = s² + 2s + 20

ωₙ और ζ

ωₙ = √20 = 4.472 rad/s
ζ = 2/(2·4.472) = 0.2236

शिखर काल

ωd = 4.472·√(1 − 0.2236²) = 4.359 rad/s
tp = π/4.359 = 0.7207 s

उत्तर

tp = 0.7207 s

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