FE Mechanical परीक्षा अभ्यास: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 42 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

संतुलन: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
एकसमान भार: परिणामी w·L भार के मध्य में
आघूर्ण: M = F·d

विधि

मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ और हर आलंब को उसकी प्रतिक्रियाओं से बदलें।
हर वितरित भार को उसके केंद्रक पर एक अकेले बल से बदलें।
एक आलंब के परितः आघूर्ण लेकर दूसरे की प्रतिक्रिया ज्ञात करें।
शेष प्रतिक्रिया ज्ञात करने के लिए ΣF_y = 0 का उपयोग करें, और दूसरे आघूर्ण समीकरण से जाँचें।

अक्षीय प्रतिबल और विकृति

अभिलंब प्रतिबल: σ = F/A
विकृति: ε = ΔL/L
हुक का नियम: σ = E·ε
दीर्घीकरण: ΔL = FL/(EA)
तापीय विकृति: ε_T = α·ΔT

शाफ़्ट का मरोड़

अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J
ठोस शाफ़्ट: J = πd⁴/32
खोखला शाफ़्ट: J = π(D⁴ − d⁴)/32
मरोड़ कोण: φ = TL/(GJ)
शक्ति: P = T·ω = 2πnT/60

विधि

ध्रुवीय क्षेत्र आघूर्ण ज्ञात करें: ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32।
सतह पर अपरूपण प्रतिबल: τ = T·r/J, जहाँ r बाहरी त्रिज्या है।
ऐंठन कोण: रेडियन में φ = TL/(GJ)।
यदि शक्ति दी गई है, तो पहले P = T·ω, ω = 2πn/60 से बलाघूर्ण ज्ञात करें।

अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

अपरूपण बल और आघूर्ण: V = एक ओर का ΣF, M = एक ओर का ΣF·d
बंकन प्रतिबल: σ = M·y/I
आयत: I = bh³/12
खंड मापांक: W = I/y_max
सरल आधारित, एकसमान भार: M_max = wL²/8

विधि

पूरे बीम के संतुलन से आलंब प्रतिक्रियाएँ ज्ञात करें।
बीम को आवश्यक खंड पर काटें और एक भाग रखें।
अपरूपण बल: उस भाग पर ऊर्ध्वाधर बलों का योग। बंकन आघूर्ण: कट के परितः उनके आघूर्णों का योग।
अधिकतम आघूर्ण के लिए वह स्थान ज्ञात करें जहाँ अपरूपण बल शून्य है।

मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

केंद्र: C = (σ_x + σ_y)/2
त्रिज्या: R = √(((σ_x − σ_y)/2)² + τ_xy²)
मुख्य प्रतिबल: σ_1,2 = C ± R
मुख्य दिशा: tan 2θ_p = 2τ_xy/(σ_x − σ_y)
झुका हुआ तल: σ_θ = C + (σ_x − σ_y)/2·cos 2θ + τ_xy·sin 2θ

विधि

मोर वृत्त का केंद्र निकालें: C = (σx + σy)/2।
त्रिज्या निकालें: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)।
मुख्य प्रतिबल C ± R हैं और तल में सबसे बड़ा अपरूपण प्रतिबल R है।
वृत्त पर कोण अवयव पर कोणों के दोगुने होते हैं: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)।

बीम विक्षेप

मध्य-विस्तार पर बिंदु भार: δ = PL³/(48EI)
एकसमान भार, सरल आधारित: δ = 5wL⁴/(384EI)
कैंटिलीवर, सिरे पर भार: δ = PL³/(3EI)
कैंटिलीवर, एकसमान भार: δ = wL⁴/(8EI)
अध्यारोपण: δ = δ₁ + δ₂

स्तंभ बकलिंग

ऑयलर भार: P_cr = π²EI/(KL)²
प्रभावी लंबाई गुणांक: K = 1 पिन–पिन, 0.5 स्थिर–स्थिर, 0.7 स्थिर–पिन, 2 स्थिर–मुक्त
क्रांतिक प्रतिबल: σ_cr = P_cr/A
पतलापन अनुपात: λ = KL/r, r = √(I/A)

प्रक्षेप्य गति

घटक: v_x = v₀cos θ, v_y = v₀sin θ
स्थिति: x = v_xt, y = h + v_yt − ½gt²
अधिकतम ऊँचाई: H = h + v_y²/(2g)
परास (समतल भूमि): R = v₀²·sin 2θ/g

विधि

प्रक्षेपण वेग को घटकों में विभाजित करें: v_x = v₀·cos θ और v_y = v₀·sin θ।
क्षैतिज गति की चाल नियत होती है; ऊर्ध्वाधर गति का त्वरण −g होता है।
ऊर्ध्वाधर गति से उड़ान का समय ज्ञात करें।
परास ज्ञात करने के लिए उस समय का क्षैतिज गति में उपयोग करें।

कार्य और ऊर्जा

गतिज ऊर्जा: E_k = ½mv²
स्थितिज ऊर्जा: E_p = mgh
ऊर्जा संतुलन: E_k1 + E_p1 + W = E_k2 + E_p2 + losses
घर्षण का कार्य: W = μ·N·d
शक्ति: P = W/t

यांत्रिक कंपन

प्राकृतिक आवृत्ति: ω_n = √(k/m), f_n = ω_n/(2π)
स्थैतिक विक्षेप से: ω_n = √(g/δ_st)
क्रांतिक अवमंदन: c_c = 2√(km) = 2mω_n
अवमंदन अनुपात: ζ = c/c_c
अवमंदित आवृत्ति: ω_d = ω_n√(1 − ζ²)
लघुगणकीय ह्रास: δ = (1/n)·ln(x₀/x_n), ζ = δ/√(4π² + δ²)
समांतर में स्प्रिंग: k = k₁ + k₂
श्रेणी में स्प्रिंग: 1/k = 1/k₁ + 1/k₂

ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

दक्षता: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
कार्नो दक्षता: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
रेफ्रिजरेटर का COP: COP_R = Q_C/W
हीट पंप का COP: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
ऊर्जा संतुलन: Q_H = W + Q_C

गैस शक्ति चक्र

समएन्ट्रॉपिक, आयतन अनुपात: T₂/T₁ = r^k−1
समएन्ट्रॉपिक, दाब अनुपात: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
ऑटो दक्षता: η = 1 − 1/r^k−1
डीज़ल दक्षता: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
ब्रेटन दक्षता: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
दी गई ऊष्मा: ऑटो: c_v(T₃ − T₂) डीज़ल, ब्रेटन: c_p(T₃ − T₂)
ब्रेटन शुद्ध कार्य: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
समएन्ट्रॉपिक दक्षताएँ: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
ठंडी वायु: k = 1.4, c_p = 1.005, c_v = 0.718 kJ/(kg·K)

सांतत्य और बर्नूली

सांतत्य: A₁v₁ = A₂v₂
बर्नूली: p₁ + ½ρv₁² + ρgz₁ = p₂ + ½ρv₂² + ρgz₂
प्रवाह दर: Q = A·v
वृत्त का क्षेत्रफल: A = πd²/4

पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

रेनॉल्ड्स संख्या: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
प्रवाह व्यवस्था: Re ≈ 2000 से नीचे स्तरीय, Re ≈ 4000 से ऊपर विक्षुब्ध
औसत वेग: V = Q/A, A = π·D²/4
डार्सी–वाइसबाख: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
लघु हानियाँ: h_m = ΣK·V²/(2g)
K के सामान्य मान: प्रवेश 0.5, निकास 1.0, 90° मोड़ ≈ 0.3
दाब पात: Δp = ρ·g·h_f
दो खुले जलाशय: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
मुक्त निकास: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

पंप और पंप शक्ति

द्रवीय शक्ति: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
शाफ़्ट शक्ति: P_shaft = P_h/η_pump
विद्युत शक्ति: P_el = P_shaft/η_motor
पंप शीर्ष: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
तंत्र हानियाँ: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

ऊष्मा चालन

फ़ूरिये नियम: Q̇ = kAΔT/L
चालन प्रतिरोध: R = L/(kA)
संवहन प्रतिरोध: R = 1/(hA)
श्रेणी प्रतिरोध: Q̇ = ΔT_total/ΣR
U-मान: U = 1/(ΣR·A)

गियर और गियर ट्रेन

परस्पर जुड़े गियर: n₁·N₁ = n₂·N₂
बलाघूर्ण: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η
शक्ति: P = T·ω, ω = 2π·n/60
संयुक्त गियर ट्रेन: कुल अनुपात = चरण अनुपातों का गुणनफल

स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

तंत्र प्रकार: G(s) के s = 0 पर ध्रुवों की संख्या
त्रुटि स्थिरांक: K_p = lim G(s), K_v = lim s·G(s), K_a = lim s²·G(s) (s → 0)
सोपान A: e_ss = A/(1 + K_p)
रैंप A·t: e_ss = A/K_v
परवलय A·t²/2: e_ss = A/K_a
PID नियंत्रक: C(s) = K_p + K_i/s + K_d·s
द्वितीय-कोटि लक्ष्य: s² + 2ζω_ns + ω_n²
अतिलंघन और समय: %OS = 100·e^{−ζπ/√(1−ζ²)}, t_p = π/ω_d, t_s ≈ 4/(ζω_n)

विधि

विवृत-लूप C(s)·G(s) के s = 0 पर ध्रुव गिनिए: वही तंत्र का प्रकार है।
निवेश से मेल खाने वाला त्रुटि स्थिरांक निकालिए: सोपान के लिए K_p, रैंप के लिए K_v, परवलय के लिए K_a।
e_ss = A/(1 + K_p), A/K_v या A/K_a लगाइए, या जिस लब्धि की आपको ज़रूरत है उसके लिए इसे हल कीजिए।
अवमंदन या चाल के विनिर्देश के लिए संवृत-लूप अभिलाक्षणिक बहुपद लिखिए और उसे s² + 2ζω_n·s + ω_n² से मिलाइए।

2अभ्यास प्रश्न

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँमध्यम

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

L = 4 mP₁ = 30 kN पर 1 mP₂ = 25 kN पर 2 m

R_B = kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन

एक संयुक्त बीम A पर दीवार में स्थिर है, C पर (A से 2.5 m) एक आंतरिक कब्ज़ा (हिंज) है और D पर (A से 6 m) रोलर पर टिका है। यह A से 3 m पर बिंदु भार P, पूरे भाग CD पर समान वितरित भार w और A से 1.5 m पर बिंदु भार Q वहन करता है। रोलर पर प्रतिक्रिया R_D ज्ञात कीजिए।

AC = 2.5 mAD = 6 mP = 25 kN पर 3 mw = 8 kN/m, 2.5 से 6 m तकQ = 65 kN पर 1.5 m

R_D = kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

अक्षीय भार के अंतर्गत पीतल छड़ का दीर्घीकरण δ ज्ञात कीजिए।

P = 115 kNd = 12 mmL = 0.5 mE = 100 GPa

δ = mm

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

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

P = 25 kNखंड 1: Ø40 mm, 2 m, ताँबा (E = 117 GPa)खंड 2: Ø16 mm, 1.5 m, पीतल (E = 100 GPa)

δ = mm

5.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

एल्युमिनियम 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 = 400 N·md = 50 mmL = 0.5 mG = 26 GPa

φ = °

6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक खोखला शाफ़्ट 500 rpm पर 75 kW संचारित करता है। शाफ़्ट में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

P = 75 kWN = 500 rpmd_o = 50 mmd_i = 30 mm

τ_max = MPa

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

आलंब A से x = 3 m पर खंड में अपरूपण बल V_x ज्ञात कीजिए। नीचे के रेशों को खींचने वाले आघूर्ण और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण बल को धनात्मक लें।

L = 4 mw = 4 kN/m, 0 से 4 m तकx = 3 m

V_x = kN

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

आलंब A से x = 4 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 = 6 mP = 60 kN पर 4 mw = 12 kN/m, 0 से 6 m तकx = 4 m

M_x = kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

एक बिंदु पर σₓ = −70 MPa, σᵧ = −10 MPa और τₓᵧ = 30 MPa है (तनन धनात्मक)। अवयव को 50° वामावर्त घुमाया जाता है। घुमाए गए अवयव के उन फलकों पर अभिलंब प्रतिबल σ_y′ ज्ञात कीजिए जो घुमाई गई y′-अक्ष के लंबवत हैं।

σ_x = −70 MPaσ_y = −10 MPaτ_xy = 30 MPaθ = 50°

σ_y′ = MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

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

σ_x = 10 MPaσ_y = 10 MPaτ_xy = 10 MPa

σ_vM = MPa

11.बीम विक्षेपमध्यम

एक कैंटिलीवर अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w और अपने मुक्त सिरे पर बिंदु भार P वहन करता है। अध्यारोपण का उपयोग करके मुक्त सिरे पर विक्षेप δ ज्ञात कीजिए।

P = 5 kNw = 6 kN/mL = 2.5 mE = 200 GPa (स्टील)I = 160 × 10⁶ mm⁴

δ = mm

12.बीम विक्षेपकठिन

एक टेकयुक्त कैंटिलीवर A पर स्थिर है और B पर सरल आलंबित (टेक लगा) है। यह मध्य-विस्तार पर बिंदु भार P वहन करता है। EI स्थिर है। टेक पर प्रतिक्रिया R_B ज्ञात कीजिए।

L = 5 mP = 35 kN पर 2.5 m

R_B = kN

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)b × h = 40 × 50 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

एल्युमिनियम 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 = 2 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 60 mm

σ_cr = MPa

15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

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

v₀ = 18 m/sθ = 45°g = 9.81 m/s²

t = s

16.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक 10 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 16 m/s से क्षैतिज से 25° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। वह चाल v ज्ञात कीजिए जिससे यह ज़मीन से टकराती है।

v₀ = 16 m/sθ = 25°h = 10 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

17.कार्य और ऊर्जामध्यम

समतल सड़क पर 40 km/h से चल रही एक कार ज़ोर से ब्रेक लगाती है और पहिए जाम होकर फिसलते हुए रुक जाती है। टायरों और सड़क के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.7 है। रुकने की दूरी d ज्ञात कीजिए।

v = 40 km/hμ = 0.7g = 9.81 m/s²

d = m

18.कार्य और ऊर्जाकठिन

एक 5 kg गाड़ी 5.3 m की ऊँचाई पर विराम से एक चिकने ट्रैक पर छोड़ी जाती है जो 1.5 m त्रिज्या वाले ऊर्ध्वाधर वृत्ताकार लूप में जाता है। लूप के शीर्ष पर गाड़ी की चाल v ज्ञात कीजिए।

m = 5 kgh = 5.3 mR = 1.5 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

19.यांत्रिक कंपनमध्यम

12 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग पर एक 15 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 = 15 kgk = 12 kN/mζ = 0.4

f_d = Hz

20.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 25 kg द्रव्यमान अगल-बगल (समांतर में) दो स्प्रिंगों से लटका है, जिनकी दृढ़ताएँ k₁ = 25 kN/m और k₂ = 5 kN/m हैं। द्रव्यमान समतल रहता है। अवमंदन और स्प्रिंगों के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति f_n Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 25 kgk₁ = 25 kN/mk₂ = 5 kN/m

f_n = Hz

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक ऊष्मा इंजन 700 °C वाले स्रोत से ऊष्मा लेता है और 20 °C वाले परिवेश को ऊष्मा त्यागता है। इसकी वास्तविक तापीय दक्षता 38% है। इसकी द्वितीय-नियम दक्षता η_II, अर्थात वास्तविक दक्षता और कार्नो दक्षता का अनुपात, ज्ञात कीजिए।

T_H = 700 °CT_L = 20 °Cη = 38%

η_II = %

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

एक ऊष्मा पंप बाहर 0 °C होने पर घर को 20 °C पर रखता है, और घर को 5 kW ऊष्मा देता है। न्यूनतम शक्ति निवेश Ẇ_min ज्ञात कीजिए।

T_H = 20 °CT_L = 0 °CQ̇_H = 5 kW

Ẇ_min = kW

23.गैस शक्ति चक्रमध्यम

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 19 और कटऑफ़ अनुपात r_c = v₃/v₂ = 2.5 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 = 19r_c = 2.5k = 1.4

η = %

24.गैस शक्ति चक्रकठिन

एक गैस-टरबाइन संयंत्र 8 संपीडक दाब अनुपात वाले ब्रेटन चक्र पर चलता है। वायु 310 K पर संपीडक में और 1500 K पर टरबाइन में प्रवेश करती है। दोनों मशीनें समएन्ट्रॉपिक हैं। ठंडी-वायु-मानक मान्यताओं का उपयोग करें: वायु नियत विशिष्ट ऊष्माओं वाली आदर्श गैस है, k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) और c_v = 0.718 kJ/(kg·K)। प्रति किलोग्राम वायु शुद्ध कार्य निर्गत w_net kJ/kg में ज्ञात कीजिए।

r_p = 8T₁ = 310 KT₃ = 1500 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी एक बड़ी खुली टंकी से 25 mm व्यास वाले तीक्ष्ण-धार छिद्र (ऑरिफ़िस) से निकलता है। जल स्तर छिद्र से 3 m ऊपर बनाए रखा जाता है और निस्सरण गुणांक 0.63 है। प्रवाह दर Q ज्ञात कीजिए। g = 9.81 m/s² लें।

d = 25 mmh = 3 mC_d = 0.63g = 9.81 m/s²

Q = L/s

26.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

एक बंद पानी की टंकी में पानी के ऊपर 110 kPa गेज दाब पर संपीडित वायु है। पानी सतह से 5 m नीचे 25 mm व्यास वाले छिद्र से खुली हवा में निकलता है। हानियों को नगण्य मानते हुए ज्ञात कीजिए: जेट वेग v। g = 9.81 m/s² लें।

p_air = 110 kPa (गेज)h = 5 md = 25 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²

v = m/s

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम

जल 150 mm आंतरिक व्यास वाले 150 m लंबे पाइप से 2.7 m/s के औसत वेग से बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि h_f ज्ञात कीजिए।

V = 2.7 m/sL = 150 mD = 150 mmf = 0.015g = 9.81 m/s²

h_f = m

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन

दो खुले जलाशय 100 m लंबे, 250 mm आंतरिक व्यास और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.018 वाले पाइप से जुड़े हैं। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 2 मोड़ (हर एक K = 0.3), एक वाल्व (K = 10) और निचले जलाशय में निकास (K = 1.0)। g = 9.81 m/s² लें। जलाशयों के बीच जल स्तर का कितना अंतर Δz, 150 L/s की प्रवाह दर देता है?

Q = 150 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0.018K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 10K_exit = 1.0

Δz = m

29.पंप और पंप शक्तिमध्यम

85% दक्षता वाला एक पंप 20 m शीर्ष के विरुद्ध 10 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 = 10 L/sH = 20 mη = 85%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 8 m ऊँची है। पाइप 200 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 250 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.02 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 4 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।

Q = 120 L/sΔz = 8 mL = 200 mD = 250 mmf = 0.02ΣK = 4

H = m

31.ऊष्मा चालनमध्यम

एक दीवार ईंट की 100 mm और खनिज ऊन की 150 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 10 m²। बाहरी फलक 20 °C और 7 °C पर हैं। दोनों परतों के अंतरापृष्ठ पर तापमान T_i ज्ञात कीजिए।

L₁ = 100 mm, k₁ = 0.72 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.04 W/(m·K)A = 10 m²T₁ = 20 °CT₃ = 7 °C

T_i = °C

32.ऊष्मा चालनकठिन

250 mm लकड़ी और 50 mm कंक्रीट की दीवार 22 °C वाले कमरे को -12 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 10 W/(m²·K) और बाहर 20 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 15 m² है। दीवार का समग्र ऊष्मा अंतरण गुणांक U ज्ञात कीजिए।

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 1.4 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = -12 °C

U = W/(m²·K)

33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

960 rpm पर चल रही एक 0.75 kW मोटर 36 दाँतों वाले पिनियन को चलाती है, जो 40 दाँतों वाले गियर से जुड़ा है। गियर युग्म की दक्षता 96% है। गियर शाफ़्ट पर निर्गत बलाघूर्ण T₂ ज्ञात कीजिए।

P = 0.75 kWn₁ = 960 rpmN₁ = 36N₂ = 40η = 96%

T₂ = N·m

34.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक ग्रहीय गियर सेट में सन गियर के 12 दाँत हैं और हर प्लैनेट गियर के 18 दाँत हैं। प्लैनेट कैरियर स्थिर रखा गया है और सन को 1440 rpm पर चलाया जाता है। रिंग गियर की चाल n_r (परिमाण) ज्ञात कीजिए।

N_s = 12N_p = 18n_s = 1440 rpm

n_r = rpm

35.लाप्लास रूपांतरमध्यम

F(s) = (5s + 28)/(s² + 10s + 25) के लिए f(t) ज्ञात कीजिए और f(0.2) का मान निकालिए।

F(s) = (5s + 28)/(s² + 10s + 25)t = 0.2 s

f(0.2) =

36.लाप्लास रूपांतरकठिन

एक तंत्र y″ + 6y′ + 8y = 20·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) = 10 है। लाप्लास रूपांतर से आउटपुट y(0.5) ज्ञात कीजिए।

y″ + 6y′ + 8y = 20·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.5 s

y(0.5) =

37.ब्लॉक आरेखमध्यम

संयंत्र G(s) = K/(s(s + 17)) 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 + 17))एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश

K =

38.ब्लॉक आरेखकठिन

एक आनुपातिक नियंत्रक K एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में संयंत्र G(s) = 8/(s + 4) को चलाता है। R = 0 रहते हुए आकार 10 का विक्षोभ सोपान संयंत्र इनपुट पर प्रवेश करता है। वह न्यूनतम लब्धि K ज्ञात कीजिए जो स्थायी-अवस्था आउटपुट को 4 या उससे कम रखे।

G(s) = 8/(s + 4)D = 10c_ss ≤ 4

K =

39.सोपान अनुक्रियामध्यम

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 38.5/(s² + 9s + 77) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। सोपान अनुक्रिया का शिखर समय t_p ज्ञात कीजिए।

G(s) = 38.5/(s² + 9s + 77)

t_p = s

40.सोपान अनुक्रियाकठिन

R = 36 Ω, L = 20 mH और C = 22 µF वाला एक श्रेणी RLC परिपथ t = 0 पर 24 V सोपान से जोड़ा जाता है। सोपान से पहले संधारित्र अनावेशित है और कोई धारा नहीं बहती। शिखर संधारित्र वोल्टता v_C,max ज्ञात कीजिए।

R = 36 ΩL = 20 mHC = 22 µFV = 24 V

v_C,max = V

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम

रैंप r(t) = 2t को G(s) = 5/(s(s + 1)(s + 4)) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप पर लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था त्रुटि e_ss ज्ञात कीजिए।

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

e_ss =

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन

एक PI नियंत्रक C(s) = K_p + K_i/s संयंत्र G(s) = 2/(s + 5) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। संवृत-लूप में ωₙ = 8 rad/s और ζ = 0.5 होना चाहिए। आनुपातिक लब्धि K_p ज्ञात कीजिए।

G(s) = 2/(s + 5)ωₙ = 8 rad/sζ = 0.5

K_p =

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = 20 kN

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

मुक्त-पिंड आरेख

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

संतुलन

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

ΣM_A = 0: R_B·4 = 30·1 + 25·2

R_B = 80/4 = 20 kN

ΣF_y = 0: R_A = 55 − 20 = 35 kN

उत्तर

R_B = 20 kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_D = 17.57 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 = 8·3.5 = 28 kN पर 1.75 m से C

ΣM_C = 0: R_D·3.5 = 25·0.5 + 28·1.75

R_D = 17.57 kN

V_C = 53 − 17.57 = 35.43 kN

उत्तर

R_D = 17.57 kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 5.084 mm

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·12²/4 = 113.1 mm²

σ = P/A = 115·1000/113.1 = 1017 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for पीतल = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 1017/100000 = 0.01017 = 10168 µε

दीर्घीकरण

δ = ε·L = 0.01017·500 mm = 5.084 mm

उत्तर

δ = 5.084 mm

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 2.205 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·40²/4 = 1257 mm², A₂ = π·16²/4 = 201.1 mm²

σ₁ = 19.89 MPa

σ₂ = 124.3 MPa

खंडों का दीर्घीकरण जोड़ें

δ₁ = σ₁L₁/E₁ = 19.89·2000/117000 = 0.3401 mm

δ₂ = σ₂L₂/E₂ = 124.3·1500/100000 = 1.865 mm

δ = δ₁ + δ₂ = 2.205 mm

उत्तर

δ = 2.205 mm

5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ = 0.7183 °

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।

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

मरोड़ कोण

φ = TL/(GJ) = 400·1000·500/(26000·613592) = 0.01254 rad

φ = 0.01254·180/π = 0.7183°

उत्तर

φ = 0.7183°

6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: τ_max = 67.05 MPa

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·500/60 = 52.36 rad/s

T = P/ω = 75000/52.36 = 1432 N·m

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π(50⁴ − 30⁴)/32 = 534071 mm⁴

अधिकतम अपरूपण प्रतिबल

τ_max = T·(d_o/2)/J = 1.432 × 10⁶·25/534071 = 67.05 MPa

उत्तर

τ_max = 67.05 MPa

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: V_x = −4 kN

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 = 4·4 = 16 kN, x̄ = 2 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·4 = 4·4·2

R_B = 32/4 = 8 kN

ΣF_y = 0: R_A = 16 − 8 = 8 kN

x = 3 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।

V = R_A − (कट के बाईं ओर सभी नीचे की ओर भार)

V_x = 8 − 4·3 = −4 kN

उत्तर

V_x = −4 kN

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 128 kN·m

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 12·6 = 72 kN, x̄ = 3 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·6 = 60·4 + 12·6·3

R_B = 456/6 = 76 kN

ΣF_y = 0: R_A = 132 − 76 = 56 kN

x = 4 m पर काटें और बायाँ भाग रखें

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

M_x = 56·4 − 12·4·2 = 128 kN·m

उत्तर

M_x = 128 kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_y′ = −74.75 MPa

y′ फलक के लिए रूपांतरण समीकरण

σ_y′ = −40 − (−30)·(−0.1736) − 30·0.9848 = −74.75 MPa

जाँच

घुमाने से अभिलंब प्रतिबलों का योग नहीं बदलता।

σ_x′ = −5.246 MPa, σ_x′ + σ_y′ = −80 = σ_x + σ_y

उत्तर

σ_y′ = −74.75 MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_vM = 20 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 = 10 MPa, R = 10 MPa

σ₁ = 20 MPa, σ₂ = 0 MPa, σ₃ = 0

वॉन मीज़ेस

σ_vM = √(20² − 20·0 + 0²) = 20 MPa

उत्तर

σ_vM = 20 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ = 1.729 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 = 5000 N, w = 6 N/mm, L = 2500 mm

EI = 3.2 × 10¹³ N·mm²

हर भार अलग से

δ_P = PL³/(3EI) = 5000·2500³/(3·3.2 × 10¹³) = 0.8138 mm

δ_w = wL⁴/(8EI) = 6·2500⁴/(8·3.2 × 10¹³) = 0.9155 mm

जोड़ें

δ = 0.8138 + 0.9155 = 1.729 mm

उत्तर

δ = 1.729 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: R_B = 10.94 kN

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)। स्थैतिक रूप से अनिर्धार्य बीम के लिए एक अतिरिक्त (रिडंडेंट) आलंब हटाएँ और वहाँ विक्षेप को शून्य रखें (संगतता)।

टेक हटाएँ

टेक के बिना बीम एक कैंटिलीवर है। उसका मुक्त सिरा भार के नीचे विक्षेपित होगा।

δ_load = P(L/2)²(3L − L/2)/(6EI) = 5PL³/(48EI)

टेक पर संगतता

अकेला टेक बल R_B मुक्त सिरे को R_BL³/(3EI) ऊपर उठाता है। टेक B को शून्य विक्षेप पर रखता है, इसलिए दोनों को एक-दूसरे को निरस्त करना होगा। EI कट जाता है।

R_B·L³/(3EI) = 5PL³/(48EI) → R_B = 5P/16 = 5·35/16 = 10.94 kN

उत्तर

R_B = 10.94 kN

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 14.62 kN

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

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

आयत अपनी कमज़ोर अक्ष के परितः, छोटी विमा के घन के साथ मुड़ता है।

I_min = h·b³/12 = 50·40³/12 = 266667 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 2·3000 = 6000 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·266667/6000² = 14622 N = 14.62 kN

उत्तर

P_cr = 14.62 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σ_cr = 79.31 MPa

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

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

I = πd⁴/64 = π·60⁴/64 = 636173 mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 2827 mm²

r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm

KL = 0.7·2000 = 1400 mm

KL/r = 1400/15 = 93.33

क्रांतिक प्रतिबल

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/93.33² = 79.31 MPa

उत्तर

σ_cr = 79.31 MPa

15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: t = 2.595 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 = 18·cos 45° = 12.73 m/s

v_y = v₀·sin θ = 18·sin 45° = 12.73 m/s

उड़ान का समय

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

t = 2·12.73/9.81 = 2.595 s

उत्तर

t = 2.595 s

16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: v = 21.26 m/s

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 = 16·cos 25° = 14.5 m/s

v_y0 = 16·sin 25° = 6.762 m/s

टकराने पर ऊर्ध्वाधर चाल

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

v_y = √(6.762² + 2·9.81·10) = 15.55 m/s

टकराने की चाल

v = √(14.5² + 15.55²) = 21.26 m/s

उत्तर

v = 21.26 m/s

ऊर्जा से जाँचें: v² = v₀² + 2gh।

17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: d = 8.989 m

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)।

मूल इकाइयों में चाल

v = 40/3.6 = 11.11 m/s

ऊर्जा संतुलन

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 11.11²/(2·0.7·9.81) = 8.989 m

उत्तर

d = 8.989 m

चाल दोगुनी करने से रुकने की दूरी चार गुना हो जाती है।

18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 6.718 m/s

शीर्ष पर चाल

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(5.3 − 3) = 45.13 m²/s²

v = 6.718 m/s

उत्तर

v = 6.718 m/s

गाड़ी ठीक तब लूप पूरा करती है जब h = 2.5R; तब शीर्ष पर N = 0।

19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_d = 4.126 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 = √(12000/15) = 28.28 rad/s

f_n = 28.28/(2π) = 4.502 Hz

अवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति

f_d = f_n·√(1 − ζ²) = 4.502·√(1 − 0.4²) = 4.126 Hz

उत्तर

f_d = 4.126 Hz

20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_n = 5.513 Hz

तुल्य दृढ़ता

अगल-बगल के स्प्रिंग विक्षेप साझा करते हैं और उनके बल जुड़ते हैं, इसलिए उनकी दृढ़ताएँ सीधे जुड़ती हैं: k = k₁ + k₂।

k_eq = 25 + 5 = 30 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(30000/25) = 34.64 rad/s

f_n = 34.64/(2π) = 5.513 Hz

उत्तर

f_n = 5.513 Hz

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: η_II = 54.38 %

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

परम तापमान

T_H = 700 + 273.15 = 973.1 K

T_L = 20 + 273.15 = 293.1 K

कार्नो दक्षता

η_Carnot = 1 − 293.1/973.1 = 69.88 %

द्वितीय-नियम दक्षता

η_II = η/η_Carnot = 38/69.88 = 54.38 %

उत्तर

η_II = 54.38 %

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: Ẇ_min = 0.3411 kW

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 = 20 + 273.15 = 293.1 K

T_L = 0 + 273.15 = 273.1 K

सर्वोत्तम संभव COP

COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L) = 293.1/(293.1 − 273.1) = 14.66

न्यूनतम शक्ति

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

Ẇ_min = Q̇_H/COP = 5/14.66 = 0.3411 kW

उत्तर

Ẇ_min = 0.3411 kW

23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: η = 61.77 %

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

(2.5^1.4 − 1)/(1.4·(2.5 − 1)) = 1.241

तापीय दक्षता

η = 1 − 0.308·1.241 = 61.77%

उत्तर

η = 61.77%

24.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: w_net = 422.5 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 = 310·8^0.2857 = 561.5 K

T₄ = 1500/8^0.2857 = 828.1 K

संपीडक और टरबाइन कार्य

w_c = 1.005·(561.5 − 310) = 252.8 kJ/kg

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

शुद्ध कार्य

w_net = 675.3 − 252.8 = 422.5 kJ/kg

उत्तर

w_net = 422.5 kJ/kg

बैक-वर्क अनुपात: w_c/w_t = 37.44%।

25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: Q = 2.373 L/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.

आदर्श जेट वेग

√(2gh) = √(2·9.81·3) = 7.672 m/s

वास्तविक प्रवाह दर

निस्सरण गुणांक जेट के संकुचन और किनारे पर घर्षण को ध्यान में रखता है।

Q = C_d·A·√(2gh) = 0.63·0.0004909·7.672 = 0.002373 m³/s = 2.373 L/s

उत्तर

Q = 2.373 L/s

26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: v = 17.84 m/s

सतह से जेट तक बर्नूली

v = √(2·(110000/1000 + 9.81·5)) = 17.84 m/s

उत्तर

v = 17.84 m/s

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: h_f = 5.573 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) = 2.7²/(2·9.81) = 0.3716 m

डार्सी–वाइसबाख

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(150/0.15)·2.7²/(2·9.81) = 5.573 m

उत्तर

h_f = 5.573 m

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Δz = 9.185 m

वेग

V = Q/A = 0.15/0.04909 = 3.056 m/s

V²/(2g) = 0.4759 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.018·100/0.25 = 7.2

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 10 + 1.0 = 12.1

कुल शीर्ष हानि

h_f = 7.2·0.4759 = 3.427 m

h_m = 12.1·0.4759 = 5.759 m

Δz = h_f + h_m = 9.185 m

उत्तर

Δz = 9.185 m

29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: P_shaft = 2.308 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 = 1000·9.81·0.01·20 = 1.962 kW

शाफ़्ट शक्ति

P_shaft = P_h/η = 1.962/0.85 = 2.308 kW

उत्तर

P_shaft = 2.308 kW

30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 14.09 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) = (16 + 4)·0.3046 = 6.092 m

पंप शीर्ष

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

H = Δz + h_L = 8 + 6.092 = 14.09 m

उत्तर

H = 14.09 m

31.ऊष्मा चालन

उत्तर: T_i = 19.54 °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)/(0.72·10) = 0.01389 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.04·10) = 0.375 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 13/0.3889 = 33.43 W

अंतरापृष्ठ तापमान

पहली परत में तापमान Q̇·R₁ घटता है।

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 20 − 33.43·0.01389 = 19.54 °C

उत्तर

T_i = 19.54 °C

32.ऊष्मा चालन

उत्तर: U = 0.6038 W/(m²·K)

श्रेणी प्रतिरोध

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

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0.17·15) = 0.09804 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(1.4·15) = 0.002381 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·15) = 0.003333 K/W

ΣR = 0.1104 K/W

समग्र गुणांक

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0.1104) = 0.6038 W/(m²·K)

उत्तर

U = 0.6038 W/(m²·K)

33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: T₂ = 7.958 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 = 750/100.5 = 7.46 N·m

निर्गत बलाघूर्ण

T₂ = 7.46·40/36·0.96 = 7.958 N·m

उत्तर

T₂ = 7.958 N·m

34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n_r = 360 rpm

ग्रहीय गियर सेट: सन, रिंग और कैरियर की चालें विलिस समीकरण (n_s − n_c)/(n_r − n_c) = −N_r/N_s से जुड़ी हैं: कैरियर से देखने पर सेट एक साधारण गियर ट्रेन है जिसमें प्लैनेट आइडलर हैं। एक सदस्य को स्थिर रखने से सेट एकल-अनुपात अपचायक बन जाता है।

रिंग गियर के दाँत

N_r = N_s + 2·N_p = 12 + 2·18 = 48

कैरियर स्थिर होने पर विलिस समीकरण

n_c = 0 होने पर सन प्लैनेटों के माध्यम से रिंग को चलाता है, जो आइडलर की तरह कार्य करते हैं।

n_r = −n_s·N_s/N_r = −1440·12/48 = −360 rpm

|n_r| = 360 rpm

उत्तर

n_r = 360 rpm

रिंग सन की विपरीत दिशा में घूमता है।

35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: f(0.2) = 2.06

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 + 25 = (s + 5)²

आंशिक भिन्न

5s + 28 = 5(s + 5) + 3

F(s) = 5/(s + 5) + 3/(s + 5)²

प्रतिलोम रूपांतर

f(t) = 5·e^−5t + 3·t·e^−5t

f(0.2) = (5 + 3·0.2)·e^−5·0.2 = 2.06

उत्तर

f(0.2) = 2.06

36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: y(0.5) = 9.989

समीकरण का रूपांतर करें

Y(s) = 200/(s(s + 2)(s + 4))

आंशिक भिन्न

A = 200/(2·4) = 25

B = 200/((−2)·2) = −50

C = 200/((−4)·(−2)) = 25

निर्गम

y(t) = 25 − 50·e^−2t + 25·e^−4t

y(0.5) = 9.989

उत्तर

y(0.5) = 9.989

37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: K = 72.25

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 + 17)) = 0 → s² + 17s + K = 0

दोहराया गया मूल

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

17² = 4K → K = 289/4 = 72.25

उत्तर

K = 72.25

तब दोनों संवृत-लूप ध्रुव s = −8.5 पर हैं।

38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: K = 2

विक्षोभ अनुक्रिया

c_ss = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 10·8/(4 + 8K)

K के लिए हल करें

4 + 8K = 10·8/4 = 20

K = (20 − 4)/8 = 2

उत्तर

K = 2

39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: t_p = 0.417 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 = 77 → ωₙ = 8.775 rad/s

2ζωₙ = 9 → ζ = 9/(2·8.775) = 0.5128

परिणाम

ω_d = 8.775·√(1 − 0.5128²) = 7.533 rad/s → t_p = π/ω_d = 0.417 s

उत्तर

t_p = 0.417 s

40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: v_C,max = 26.32 V

प्राकृतिक आवृत्ति और अवमंदन अनुपात

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.02·2.2 × 10⁻⁵) = 1508 rad/s

ζ = (R/2)·√(C/L) = (36/2)·√(2.2 × 10⁻⁵/0.02) = 0.597

परिणाम

%OS = 9.654 %

v_C,max = 24·(1 + 0.09654) = 26.32 V

उत्तर

v_C,max = 26.32 V

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: e_ss = 1.6

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) = 1.25

रैंप त्रुटि

e_ss = 2/1.25 = 1.6

उत्तर

e_ss = 1.6

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: K_p = 1.5

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

1 + C(s)G(s) = 0, जिसे s(s + 5) से गुणा किया गया है।

s² + (5 + 2K_p)s + 2K_i

लक्ष्य बहुपद

s² + 2·0.5·8s + 8² = s² + 8s + 64

गुणांक मिलाइए

5 + 2K_p = 8 → K_p = 1.5

उत्तर

K_p = 1.5

समाकल पद लूप को प्रकार-1 बना देता है, इसलिए सोपान का अनुसरण स्थायी-अवस्था त्रुटि के बिना होता है।

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