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 m पर बिंदु भार P और A से 1.5 m पर एक दक्षिणावर्त बलयुग्म M वहन करता है। ऊपर की ओर को धनात्मक लेते हुए ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया R_B ज्ञात कीजिए।

L = 4 mP = 75 kN पर 2 mM = 30 kN·m (दक्षिणावर्त) पर 1.5 m

R_B = kN

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन

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

L = 6 mP = 40 kN पर 2 mw = 8 kN/m, 2 से 6 m तक

R_A = kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

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

P = 80 kNd = 16 mmL = 0.5 mE = 70 GPa

δ = mm

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

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

P = 120 kNखंड 1: Ø40 mm, 0.5 m, पीतल (E = 100 GPa)खंड 2: Ø16 mm, 2 m, स्टील (E = 200 GPa)

σ_max = MPa

5.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

स्टील 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 = 200 N·md = 40 mmL = 0.8 mG = 80 GPa

φ = °

6.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक ठोस शाफ़्ट को 1000 rpm पर 100 kW संचारित करना है, बिना अपरूपण प्रतिबल के 60 MPa से अधिक हुए। उपयुक्त सबसे छोटा व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 100 kWN = 1000 rpmτ_allow = 60 MPa

d = mm

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

कैंटिलीवर A पर स्थिर है। यह अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w और A से 1.5 m पर बिंदु भार P वहन करता है। स्थिर आलंब A से x = 0.5 m पर खंड में बंकन आघूर्ण M_x ज्ञात कीजिए। सैगिंग आघूर्णों को और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण को धनात्मक लें।

L = 4 mP = 40 kN पर 1.5 mw = 4 kN/m, 0 से 4 m तकx = 0.5 m

M_x = kN·m

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

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

30 kN @ 6 m15 kN/m, 0–4 m

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

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

एक बिंदु पर σₓ = 0 MPa और σᵧ = 80 MPa है। सबसे बड़े मुख्य प्रतिबल के 135 MPa तक पहुँचने से पहले अपरूपण प्रतिबल τ_xy (परिमाण) कितना बड़ा हो सकता है?

σ_x = 0 MPaσ_y = 80 MPaσ₁ = 135 MPa

τ_xy = MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

एक पतली प्लेट का एक बिंदु समतल प्रतिबल में है: σₓ = 150 MPa, σᵧ = −20 MPa और τₓᵧ = 60 MPa (σ_z = 0)। पदार्थ का पराभव सामर्थ्य 355 MPa है। वॉन मीज़ेस (विरूपण ऊर्जा) मानदंड से पराभव के विरुद्ध सुरक्षा गुणक n ज्ञात कीजिए।

σ_x = 150 MPaσ_y = −20 MPaτ_xy = 60 MPaσ_Y = 355 MPa

n =

11.बीम विक्षेपमध्यम

एक सरल आलंबित बीम आलंब A से a = 2 m पर बिंदु भार P वहन करता है। भार के नीचे विक्षेप δ_P ज्ञात कीजिए।

P = 27 kNa = 2 mL = 6 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)I = 160 × 10⁶ mm⁴

δ_P = mm

12.बीम विक्षेपकठिन

एक टेकयुक्त कैंटिलीवर A पर स्थिर है और B पर सरल आलंबित (टेक लगा) है। यह अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w वहन करता है। EI स्थिर है। टेक पर प्रतिक्रिया R_B ज्ञात कीजिए।

L = 6 mw = 4 kN/m

R_B = kN

13.स्तंभ बकलिंगमध्यम

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

L = 3 mE = 200 GPa (स्टील)b × h = 20 × 100 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

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

L = 5 mE = 200 GPa (स्टील)d = 80 mm

σ_cr = MPa

15.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

एक गेंद समतल ज़मीन से क्षैतिज से 55° ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें। गेंद द्वारा प्राप्त अधिकतम ऊँचाई H ज्ञात कीजिए।

v₀ = 26 m/sθ = 55°g = 9.81 m/s²

H = m

16.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक 5 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 29 m/s से क्षैतिज से 45° 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 = 29 m/sθ = 45°h = 5 mg = 9.81 m/s²

H = m

17.कार्य और ऊर्जामध्यम

समतल सड़क पर 120 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 = 120 km/hμ = 0.7g = 9.81 m/s²

d = m

18.कार्य और ऊर्जाकठिन

0.5 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 2.5 m ऊँचाई से विराम से छोड़ा जाता है। नीचे वह 3 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 = 0.5 kgh = 2.5 mL = 3 mμ = 0.2k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²

x = cm

19.यांत्रिक कंपनमध्यम

एक 15 kg द्रव्यमान 2 kN/m दृढ़ता वाले स्प्रिंग और 100 N·s/m अवमंदन गुणांक वाले श्यान अवमंदक पर टिका है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

m = 15 kgk = 2 kN/mc = 100 N·s/m

ζ =

20.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 50 kg द्रव्यमान स्प्रिंग k₃ = 40 kN/m से लटका है। k₃ का ऊपरी सिरा एक दृढ़ छड़ से जुड़ा है जो अगल-बगल दो स्प्रिंगों k₁ = 40 kN/m और k₂ = 40 kN/m से लटकी है; छड़ समतल रहती है। अवमंदन तथा स्प्रिंगों और छड़ के द्रव्यमान की उपेक्षा करें। ऊर्ध्वाधर कंपन की प्राकृतिक आवृत्ति f_n Hz में ज्ञात कीजिए।

m = 50 kgk₁ = 40 kN/mk₂ = 40 kN/mk₃ = 40 kN/m

f_n = Hz

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरमध्यम

एक उत्क्रमणीय (कार्नो) ऊष्मा इंजन 425 °C वाले भंडार से प्रति चक्र 600 kJ ऊष्मा लेता है और 278 kJ त्यागता है। ठंडे भंडार का तापमान T_L °C में ज्ञात कीजिए।

T_H = 425 °CQ_H = 600 kJQ_L = 278 kJ

T_L = °C

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटरकठिन

एक ऊष्मा इंजन प्रति चक्र 500 °C वाले भंडार से 3100 kJ ऊष्मा लेता है, 1519 kJ कार्य उत्पन्न करता है और शेष को 25 °C वाले भंडार को त्यागता है। प्रति चक्र उत्पन्न कुल एन्ट्रॉपी S_gen ज्ञात कीजिए।

T_H = 500 °CT_L = 25 °CQ_H = 3100 kJW = 1519 kJ

S_gen = kJ/K

23.गैस शक्ति चक्रमध्यम

एक आदर्श डीज़ल चक्र का संपीडन अनुपात r = 20 और कटऑफ़ अनुपात r_c = v₃/v₂ = 3 है। ठंडी-वायु-मानक मान्यताओं का उपयोग करें: वायु नियत विशिष्ट ऊष्माओं वाली आदर्श गैस है, k = 1.4, c_p = 1.005 kJ/(kg·K) और c_v = 0.718 kJ/(kg·K)। इसकी ऊष्मीय दक्षता η प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

r = 20r_c = 3k = 1.4

η = %

24.गैस शक्ति चक्रकठिन

एक गैस-टरबाइन संयंत्र 18 संपीडक दाब अनुपात वाले ब्रेटन चक्र पर चलता है। वायु 295 K पर संपीडक में और 1300 K पर टरबाइन में प्रवेश करती है। संपीडक की समएन्ट्रॉपिक दक्षता 88% और टरबाइन की 92% 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)। प्रति किलोग्राम वायु शुद्ध कार्य निर्गत w_net kJ/kg में ज्ञात कीजिए।

r_p = 18T₁ = 295 KT₃ = 1300 Kη_c = 88%η_t = 92%k = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

25.सांतत्य और बर्नूलीमध्यम

पानी एक क्षैतिज पाइप में बहता है जो 100 mm से 25 mm तक संकरा होता है। चौड़े भाग में दाब 270 kPa और वेग 0.5 m/s है। हानियाँ नगण्य मानकर संकरे भाग में दाब p₂ ज्ञात कीजिए।

d₁ = 100 mmd₂ = 25 mmp₁ = 270 kPav₁ = 0.5 m/sρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

26.सांतत्य और बर्नूलीकठिन

पानी एक पाइप में ऊपर की ओर बहता है जो 75 mm से 40 mm तक संकरा होता है और 10 m ऊपर उठता है। खंड 1 पर दाब 370 kPa और वेग 0.75 m/s है। हानियाँ नगण्य मानकर खंड 2 पर दाब p₂ ज्ञात कीजिए।

d₁ = 75 mmd₂ = 40 mmp₁ = 370 kPav₁ = 0.75 m/sΔz = 10 mρ = 1000 kg/m³

p₂ = kPa

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम

जल 100 mm आंतरिक व्यास वाले 400 m लंबे पाइप से 1.3 m/s के औसत वेग से बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.022 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि h_f ज्ञात कीजिए।

V = 1.3 m/sL = 400 mD = 100 mmf = 0.022g = 9.81 m/s²

h_f = m

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन

दो खुले जलाशय 200 m लंबे, 150 mm आंतरिक व्यास और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 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, 60 L/s की प्रवाह दर देता है?

Q = 60 L/sL = 200 mD = 150 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 10K_exit = 1.0

Δz = m

29.पंप और पंप शक्तिमध्यम

एक परीक्षण में पंप 54 m शीर्ष के विरुद्ध 40 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है जबकि उसका शाफ़्ट 30.3 kW लेता है। g = 9.81 m/s² लें। पंप दक्षता η प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

Q = 40 L/sH = 54 mP_shaft = 30.3 kWg = 9.81 m/s²

η = %

30.पंप और पंप शक्तिकठिन

एक पंप 15 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 9 m ऊँची है। पाइप 150 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 100 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 4 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। ऊपरी टैंक बंद है और उसके जल के ऊपर की वायु 100 kPa के गेज दाब पर है। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।

Q = 15 L/sΔz = 9 mL = 150 mD = 100 mmf = 0.015ΣK = 4p_tank = 100 kPa

H = m

31.ऊष्मा चालनमध्यम

एक दीवार काँच की 100 mm और ईंट की 150 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 8 m²। बाहरी फलक 15 °C और -12 °C पर हैं। दोनों परतों के अंतरापृष्ठ पर तापमान T_i ज्ञात कीजिए।

L₁ = 100 mm, k₁ = 0.96 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.72 W/(m·K)A = 8 m²T₁ = 15 °CT₃ = -12 °C

T_i = °C

32.ऊष्मा चालनकठिन

50 mm जिप्सम बोर्ड और 75 mm लकड़ी की दीवार 20 °C वाले कमरे को 3 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 8 W/(m²·K) और बाहर 25 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 6 m² है। दीवार से ऊष्मा हानि Q̇ ज्ञात कीजिए।

L₁ = 50 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = 3 °C

Q̇ = W

33.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

1450 rpm पर चल रही एक 1.5 kW मोटर 72 दाँतों वाले पिनियन को चलाती है, जो 80 दाँतों वाले गियर से जुड़ा है। गियर युग्म की दक्षता 98% है। मोटर शाफ़्ट पर बलाघूर्ण T₁ ज्ञात कीजिए।

P = 1.5 kWn₁ = 1450 rpmN₁ = 72N₂ = 80η = 98%

T₁ = N·m

34.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक संयुक्त गियर ट्रेन में, 3000 rpm पर घूम रहे निवेश शाफ़्ट पर लगा गियर A (12 दाँत) गियर B (60 दाँत) को चलाता है। गियर C (20 दाँत) B वाले शाफ़्ट पर ही लगा है और निर्गत शाफ़्ट पर लगे गियर D (32 दाँत) को चलाता है। निर्गत चाल n_out ज्ञात कीजिए।

n_in = 3000 rpmA = 12B = 60C = 20D = 32

n_out = rpm

35.लाप्लास रूपांतरमध्यम

वर्ग पूरा करके F(s) = 5/(s² + 6s + 10) के लिए f(t) ज्ञात कीजिए, और f(0.1) का मान निकालिए।

F(s) = 5/(s² + 6s + 10)t = 0.1 s

f(0.1) =

36.लाप्लास रूपांतरकठिन

एक तंत्र अवकल समीकरण y″ + 2y′ + 5y = 3u′ + 2u से वर्णित है, जिसका इनपुट u(t) और आउटपुट y(t) है। इसका अंतरण फलन G(s) = Y(s)/U(s) (शून्य प्रारंभिक शर्तें) ज्ञात कीजिए और t = 0.8 s पर आवेग अनुक्रिया g(t) का मान निकालिए। g(0.8) ज्ञात कीजिए।

y″ + 2y′ + 5y = 3u′ + 2ut = 0.8 s

g(0.8) =

37.ब्लॉक आरेखमध्यम

एक एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में G(s) = 10(s + 3)/((s + 2)(s + 8)) है। संदर्भ पर आकार 1 का सोपान लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था त्रुटि e_ss ज्ञात कीजिए।

G(s) = 10(s + 3)/((s + 2)(s + 8))R = 1

e_ss =

38.ब्लॉक आरेखकठिन

एक आनुपातिक नियंत्रक K = 9 एकांक ऋणात्मक पुनर्निवेश लूप में संयंत्र G(s) = 6/(s + 4) को चलाता है। एक विक्षोभ D संयंत्र इनपुट पर प्रवेश करता है (यह नियंत्रक आउटपुट में जोड़ा जाता है)। R = 0 के साथ आकार 1 का विक्षोभ सोपान लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था आउटपुट c_ss ज्ञात कीजिए।

K = 9G(s) = 6/(s + 4)D = 1R = 0

c_ss =

39.सोपान अनुक्रियामध्यम

एक तंत्र का अंतरण फलन G(s) = 95/(s² + 3s + 95) है और इसे एकांक सोपान इनपुट मिलता है। सोपान अनुक्रिया का शिखर समय t_p ज्ञात कीजिए।

G(s) = 95/(s² + 3s + 95)

t_p = s

40.सोपान अनुक्रियाकठिन

शून्यों के बिना एक द्वितीय-कोटि तंत्र की सोपान अनुक्रिया में 8 % अतिलंघन होना चाहिए। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

%OS = 8 %

ζ =

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणमध्यम

रैंप r(t) = 1t को G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 1)(s + 2)) वाले एकांक पुनर्निवेश लूप पर लगाया जाता है। स्थायी-अवस्था त्रुटि e_ss ज्ञात कीजिए।

G(s) = 50(s + 3)/(s(s + 1)(s + 2))r(t) = 1t

e_ss =

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रणकठिन

एक PI नियंत्रक C(s) = K_p + K_i/s संयंत्र G(s) = 1/(s + 2) को एकांक पुनर्निवेश लूप में चलाता है। संवृत-लूप में ωₙ = 3 rad/s और ζ = 0.7 होना चाहिए। समाकल लब्धि K_i ज्ञात कीजिए।

G(s) = 1/(s + 2)ωₙ = 3 rad/sζ = 0.7

K_i =

3विलयन

1.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = 45 kN

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

A के परितः आघूर्ण

वामावर्त धनात्मक।

ΣM_A = 0: R_B·4 − 75·2 − 30 = 0

R_B = 180/4 = 45 kN

ऊर्ध्वाधर संतुलन

R_A = 75 − 45 = 30 kN

उत्तर

R_B = 45 kN

ऋणात्मक प्रतिक्रिया नीचे की ओर कार्य करती है।

2.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_A = 37.33 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।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 8·4 = 32 kN, x̄ = 4 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·6 = 40·2 + 8·4·4

R_B = 208/6 = 34.67 kN

ΣF_y = 0: R_A = 72 − 34.67 = 37.33 kN

उत्तर

R_A = 37.33 kN

3.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 2.842 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·16²/4 = 201.1 mm²

σ = P/A = 80·1000/201.1 = 397.9 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for एल्युमिनियम = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 397.9/70000 = 0.005684 = 5684 µε

दीर्घीकरण

δ = ε·L = 0.005684·500 mm = 2.842 mm

उत्तर

δ = 2.842 mm

4.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: σ_max = 596.8 MPa

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

दोनों खंडों में समान बल

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

A₁ = π·40²/4 = 1257 mm², A₂ = π·16²/4 = 201.1 mm²

σ₁ = 95.49 MPa

σ₂ = 596.8 MPa

सबसे बड़ा प्रतिबल

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

σ_max = 596.8 MPa

उत्तर

σ_max = 596.8 MPa

5.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ = 0.4559 °

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·40⁴/32 = 251327 mm⁴

मरोड़ कोण

φ = TL/(GJ) = 200·1000·800/(80000·251327) = 0.007958 rad

φ = 0.007958·180/π = 0.4559°

उत्तर

φ = 0.4559°

6.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d = 43.28 mm

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·1000/60 = 104.7 rad/s

T = P/ω = 100000/104.7 = 954.9 N·m

अनुमेय प्रतिबल से व्यास

d = ∛(16T/(π·τ_allow)) = ∛(16·954930/(π·60)) = 43.28 mm

उत्तर

d = 43.28 mm

व्यवहार में आप अगले मानक आकार तक पूर्णांकित करेंगे।

7.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = −64.5 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।

मुक्त-सिरे वाला भाग रखें

P: −40·1 = −40 kN·m

w: −4·3.5²/2 = −24.5 kN·m

M_x = −40 − 24.5 = −64.5 kN·m

उत्तर

M_x = −64.5 kN·m

ऋणात्मक का अर्थ है हॉगिंग: ऊपरी फलक पर तनाव।

8.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: E (x = 4 m)

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

आलंब प्रतिक्रियाएँ

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

R₁ = 15 kN, R₂ = 75 kN

हर चिह्न पर बंकन आघूर्ण

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

M_A = 0, M_B = 7.5, M_C = 0, M_D = −22.5, M_E = −60 kN·m, M_F = −30, M_G = 0

उत्तर

चिह्न E: M_E = −60 kN·m

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_xy = 86.17 MPa

आवश्यक त्रिज्या

C = (0 + 80)/2 = 40 MPa

R = σ₁ − C = 135 − 40 = 95 MPa

अपरूपण प्रतिबल

τ_xy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(95² − 40²) = 86.17 MPa

उत्तर

τ_xy = 86.17 MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: n = 1.853

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 = 65 MPa, R = 104 MPa

σ₁ = 169 MPa, σ₂ = −39.04 MPa, σ₃ = 0

वॉन मीज़ेस

σ_vM = √(169² − 169·(−39.04) + (−39.04)²) = 191.6 MPa

n = 355/191.6 = 1.853

उत्तर

n = 1.853

n > 1 का अर्थ है कि बिंदु पराभव नहीं करता; ट्रेस्का वॉन मीज़ेस से थोड़ा अधिक रूढ़िवादी (सुरक्षित पक्ष का) है।

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_P = 54.55 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 = 27000 N, a = 2000 mm, b = 4000 mm, L = 6000 mm

EI = 1.76 × 10¹² N·mm²

भार के नीचे विक्षेप

δ_P = Pa²b²/(3EIL) = 27000·2000²·4000²/(3·1.76 × 10¹²·6000) = 54.55 mm

उत्तर

δ_P = 54.55 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: R_B = 9 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 = wL⁴/(8EI)

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) = wL⁴/(8EI) → R_B = 3wL/8 = 3·4·6/8 = 9 kN

उत्तर

R_B = 9 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 = 100·20³/12 = 66667 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 1·3000 = 3000 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·66667/3000² = 14622 N = 14.62 kN

उत्तर

P_cr = 14.62 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σ_cr = 31.58 MPa

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

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

I = πd⁴/64 = π·80⁴/64 = 2.011 × 10⁶ mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 5027 mm²

r = √(I/A) = √(2.011 × 10⁶/5027) = 20 mm

KL = 1·5000 = 5000 mm

KL/r = 5000/20 = 250

क्रांतिक प्रतिबल

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/250² = 31.58 MPa

उत्तर

σ_cr = 31.58 MPa

15.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: H = 23.12 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 = 26·cos 55° = 14.91 m/s

v_y = v₀·sin θ = 26·sin 55° = 21.3 m/s

उच्चतम बिंदु

शीर्ष पर ऊर्ध्वाधर वेग शून्य होता है: v_y² = 2gH।

H = v_y²/(2g) = 21.3²/(2·9.81) = 23.12 m

उत्तर

H = 23.12 m

16.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: H = 26.43 m

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

ऊर्ध्वाधर प्रक्षेपण चाल

v_y = 29·sin 45° = 20.51 m/s

चट्टान से ऊपर उठान

Δh = v_y²/(2g) = 20.51²/(2·9.81) = 21.43 m

ज़मीन से ऊँचाई

H = 5 + 21.43 = 26.43 m

उत्तर

H = 26.43 m

17.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: d = 80.9 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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

ऊर्जा संतुलन

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 33.33²/(2·0.7·9.81) = 80.9 m

उत्तर

d = 80.9 m

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

18.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: x = 13.65 cm

खुरदरी पट्टी के बाद शेष ऊर्जा

रैम्प चिकना है, इसलिए केवल पट्टी ऊर्जा हटाती है।

mgh − μmgL = 4.905·(2.5 − 0.2·3) = 9.319 J

अधिकतम संपीडन

½kx² = 9.319 → x = √(2·9.319/1000) = 0.1365 m = 13.65 cm

उत्तर

x = 13.65 cm

19.यांत्रिक कंपन

उत्तर: ζ = 0.2887

द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र का मुक्त कंपन: अनवमंदित प्राकृतिक आवृत्ति rad/s में ω_n = √(k/m) है, और Hz में f_n = ω_n/(2π)। एक श्यान अवमंदक c अवमंदन अनुपात ζ = c/c_c देता है, जहाँ क्रांतिक अवमंदन c_c = 2·√(k·m) = 2·m·ω_n। अल्प-अवमंदित तंत्र (ζ < 1) ω_d = ω_n·√(1 − ζ²) पर दोलन करता है। समांतर में स्प्रिंग जुड़ते हैं, k = k₁ + k₂; श्रेणी में स्प्रिंग व्युत्क्रम के रूप में जुड़ते हैं, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂।

क्रांतिक अवमंदन

c_c = 2·√(k·m) = 2·√(2000·15) = 346.4 N·s/m

अवमंदन अनुपात

ζ = c/c_c = 100/346.4 = 0.2887

उत्तर

ζ = 0.2887

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

20.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_n = 3.676 Hz

तुल्य दृढ़ता

केवल k₁ और k₂ समांतर में हैं। वह जोड़ी k₃ के श्रेणी में है, इसलिए उन्हें व्युत्क्रम के रूप में मिलाएँ।

k₁₂ = 40 + 40 = 80 kN/m

k_eq = 80·40/(80 + 40) = 26.67 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(26667/50) = 23.09 rad/s

f_n = 23.09/(2π) = 3.676 Hz

उत्तर

f_n = 3.676 Hz

21.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: T_L = 50.33 °C

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.

स्रोत का परम तापमान

T_H = 425 + 273.15 = 698.1 K

उत्क्रमणीय ऊष्मा अनुपात

T_L = T_H·Q_L/Q_H = 698.1·278/600 = 323.5 K = 50.33 °C

उत्तर

T_L = 50.33 °C

22.ऊष्मा इंजन और रेफ़्रिजरेटर

उत्तर: S_gen = 1.293 kJ/K

एन्ट्रॉपी उत्पादन: पूरे चक्र में कार्यकारी तरल का कोई नेट एन्ट्रॉपी परिवर्तन नहीं होता। गर्म भंडार Q_H/T_H खोता है और ठंडा भंडार Q_L/T_L पाता है। इनका योग उत्पन्न एन्ट्रॉपी है, जो उत्क्रमणीय चक्र के लिए शून्य और हर वास्तविक चक्र के लिए धनात्मक है।

त्यागी गई ऊष्मा

Q_L = Q_H − W = 3100 − 1519 = 1581 kJ

परम तापमान

T_H = 500 + 273.15 = 773.1 K

T_L = 25 + 273.15 = 298.1 K

भंडारों के एन्ट्रॉपी परिवर्तन

ΔS_H = −3100/773.1 = −4.01 kJ/K

ΔS_L = 1581/298.1 = 5.303 kJ/K

S_gen = 5.303 − 4.01 = 1.293 kJ/K

उत्तर

S_gen = 1.293 kJ/K

S_gen > 0, इसलिए इंजन संभव है पर अनुत्क्रमणीय है।

23.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: η = 60.61 %

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

कटऑफ़ पद

(3^1.4 − 1)/(1.4·(3 − 1)) = 1.306

तापीय दक्षता

η = 1 − 0.3017·1.306 = 60.61%

उत्तर

η = 60.61%

24.गैस शक्ति चक्र

उत्तर: w_net = 243.2 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

T_2s = 295·18^0.2857 = 673.7 K

T_4s = 1300/18^0.2857 = 569.2 K

संपीडक और टरबाइन कार्य

w_c = 1.005·(673.7 − 295)/0.88 = 432.5 kJ/kg

w_t = 0.92·1.005·(1300 − 569.2) = 675.7 kJ/kg

शुद्ध कार्य

w_net = 675.7 − 432.5 = 243.2 kJ/kg

उत्तर

w_net = 243.2 kJ/kg

बैक-वर्क अनुपात: w_c/w_t = 64.01%।

25.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: p₂ = 238.1 kPa

सांतत्य और बर्नूली: असंपीड्य तरल के लिए हर खंड पर प्रवाह दर समान है, Q = A₁v₁ = A₂v₂। बिना हानि के धारारेखा के साथ p + ½ρv² + ρgz स्थिर रहता है, इसलिए जहाँ तरल तेज़ या ऊँचा हो वहाँ उसका दाब कम होता है।

सांतत्य और बर्नूली

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

v₂ = v₁·(d₁/d₂)² = 0.5·(100/25)² = 8 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(0.5² − 8²)/1000 = −31.88 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) = 270 + (−31.88) = 238.1 kPa

उत्तर

p₂ = 238.1 kPa

26.सांतत्य और बर्नूली

उत्तर: p₂ = 268.7 kPa

सांतत्य और बर्नूली

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

v₂ = v₁·(d₁/d₂)² = 0.75·(75/40)² = 2.637 m/s

½ρ(v₁² − v₂²) = ½·1000·(0.75² − 2.637²)/1000 = −3.195 kPa

ρgΔz = 1000·9.81·10/1000 = 98.1 kPa

p₂ = p₁ + ½ρ(v₁² − v₂²) − ρgΔz = 370 + (−3.195) − 98.1 = 268.7 kPa

उत्तर

p₂ = 268.7 kPa

27.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: h_f = 7.58 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) = 1.3²/(2·9.81) = 0.08614 m

डार्सी–वाइसबाख

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.022·(400/0.1)·1.3²/(2·9.81) = 7.58 m

उत्तर

h_f = 7.58 m

28.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Δz = 18.86 m

वेग

V = Q/A = 0.06/0.01767 = 3.395 m/s

V²/(2g) = 0.5876 m

हानि गुणांक

f·L/D = 0.015·200/0.15 = 20

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 10 + 1.0 = 12.1

कुल शीर्ष हानि

h_f = 20·0.5876 = 11.75 m

h_m = 12.1·0.5876 = 7.11 m

Δz = h_f + h_m = 18.86 m

उत्तर

Δz = 18.86 m

29.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: η = 69.93 %

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 = 1000·9.81·0.04·54 = 21.19 kW

दक्षता

η = P_h/P_shaft = 21.19/30.3 = 69.93%

उत्तर

η = 69.93%

30.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 24.12 m

वेग

V = Q/A = 0.015/0.007854 = 1.91 m/s

V²/(2g) = 0.1859 m

शीर्ष हानियाँ

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22.5 + 4)·0.1859 = 4.927 m

दाब शीर्ष

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9.81) = 10.19 m

पंप शीर्ष

दोनों सतहें लगभग विराम में हैं, इसलिए कोई वेग शीर्ष पद नहीं है।

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 9 + 10.19 + 4.927 = 24.12 m

उत्तर

H = 24.12 m

31.ऊष्मा चालन

उत्तर: T_i = 6 °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)/(0.96·8) = 0.01302 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.72·8) = 0.02604 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 27/0.03906 = 691.2 W

अंतरापृष्ठ तापमान

पहली परत में तापमान Q̇·R₁ घटता है।

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 15 − 691.2·0.01302 = 6 °C

उत्तर

T_i = 6 °C

32.ऊष्मा चालन

उत्तर: Q̇ = 113.3 W

श्रेणी प्रतिरोध

R_i = 1/(h_iA) = 1/(8·6) = 0.02083 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0.17·6) = 0.04902 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0.17·6) = 0.07353 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·6) = 0.006667 K/W

ΣR = 0.15 K/W

ऊष्मा हानि

Q̇ = (20 − (3))/0.15 = 113.3 W

उत्तर

Q̇ = 113.3 W

33.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: T₁ = 9.879 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·1450/60 = 151.8 rad/s

T₁ = P/ω₁ = 1500/151.8 = 9.879 N·m

उत्तर

T₁ = 9.879 N·m

34.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n_out = 375 rpm

पहला चरण

n_B = 3000·12/60 = 600 rpm = n_C

दूसरा चरण

n_out = 600·20/32 = 375 rpm

उत्तर

n_out = 375 rpm

कुल अनुपात = 8 : 1

35.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: f(0.1) = 0.3698

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)।

वर्ग पूरा करें

s² + 6s + 10 = (s + 3)² + 1 = (s + 3)² + 1²

अंश का मिलान करें

F(s) = (5/1)·1/((s + 3)² + 1²)

प्रतिलोम रूपांतर

f(t) = e^−3t·(5·sin 1t)

f(0.1) = e^−3·0.1·(5·sin(1·0.1)) = 0.3698

उत्तर

f(0.1) = 0.3698

36.लाप्लास रूपांतर

उत्तर: g(0.8) = −0.2639

अंतरण फलन

G(s) = Y(s)/U(s) = (3s + 2)/(s² + 2s + 5)

आंशिक भिन्न

s² + 2s + 5 = (s + 1)² + 2²

G(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 2²) + (−1/2)·2/((s + 1)² + 2²)

आवेग अनुक्रिया

g(t) = e^−t·(3·cos 2t − 0.5·sin 2t)

g(0.8) = −0.2639

उत्तर

g(0.8) = −0.2639

37.ब्लॉक आरेख

उत्तर: e_ss = 0.3478

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)।

स्थिति त्रुटि स्थिरांक

Kₚ = G(0) = 10·3/(2·8) = 1.875

स्थायी-अवस्था त्रुटि

e_ss = A/(1 + Kₚ) = 1/(1 + 1.875) = 0.3478

उत्तर

e_ss = 0.3478

38.ब्लॉक आरेख

उत्तर: c_ss = 0.1034

अंतरण फलन

C/D = G/(1 + K·G) = 6/(s + 4 + 54)

स्थायी अवस्था

c_ss = 1·6/58 = 0.1034

उत्तर

c_ss = 0.1034

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

39.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: t_p = 0.3262 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 = 95 → ωₙ = 9.747 rad/s

2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·9.747) = 0.1539

परिणाम

ω_d = 9.747·√(1 − 0.1539²) = 9.631 rad/s → t_p = π/ω_d = 0.3262 s

उत्तर

t_p = 0.3262 s

40.सोपान अनुक्रिया

उत्तर: ζ = 0.6266

अवमंदन अनुपात

ζ = −ln(0.08)/√(π² + ln²(0.08)) = 2.526/√(9.87 + 6.379) = 0.6266

उत्तर

ζ = 0.6266

41.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: e_ss = 0.01333

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) = 75

रैंप त्रुटि

e_ss = 1/75 = 0.01333

उत्तर

e_ss = 0.01333

42.स्थायी-अवस्था त्रुटि और PID नियंत्रण

उत्तर: K_i = 9

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 + 2) से गुणा किया गया है।

s² + (2 + 1K_p)s + 1K_i

लक्ष्य बहुपद

s² + 2·0.7·3s + 3² = s² + 4.2s + 9

गुणांक मिलाइए

1K_i = 9 → K_i = 9

उत्तर

K_i = 9

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

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