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सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 12 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

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

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।

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)।

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

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)

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

2अभ्यास प्रश्न

1.गियर और गियर ट्रेनमध्यम

दो समांतर शाफ़्ट 72 mm दूर हैं। इन्हें 3 mm मॉड्यूल और 2 : 1 चाल अपचयन वाले स्पर गियरों की एक जोड़ी से जोड़ना है। पिनियन में कितने दाँत N₁ होने चाहिए?

a = 72 mmm = 3 mmi = 2

N₁ =

2.गियर और गियर ट्रेनकठिन

एक संयुक्त गियर ट्रेन में, 1450 rpm पर घूम रहे निवेश शाफ़्ट पर लगा गियर A (30 दाँत) गियर B (50 दाँत) को चलाता है। गियर C (18 दाँत) B वाले शाफ़्ट पर ही लगा है और निर्गत शाफ़्ट पर लगे गियर D (45 दाँत) को चलाता है। निर्गत चाल n_out ज्ञात कीजिए।

n_in = 1450 rpmA = 30B = 50C = 18D = 45

n_out = rpm

3.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 = 1000 N·md = 50 mmL = 3 mG = 26 GPa

φ = °

4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

30 mm व्यास वाला एक ठोस एल्युमिनियम शाफ़्ट दोनों सिरों A और B पर दृढ़ दीवारों में स्थिर है। A से 0.5 m और B से 2.5 m पर C पर 500 N·m का बलाघूर्ण लगाया जाता है। शाफ़्ट में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

d = 30 mmT₀ = 500 N·ma = 0.5 mb = 2.5 m

τ_max = MPa

5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

एक बिंदु पर σₓ = 110 MPa, σᵧ = 10 MPa और τₓᵧ = 10 MPa है (तनन धनात्मक)। अवयव को 20° 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 = 110 MPaσ_y = 10 MPaτ_xy = 10 MPaθ = 20°

σ_y′ = MPa

6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

एक पतली प्लेट का एक बिंदु समतल प्रतिबल में है: σₓ = −70 MPa, σᵧ = 90 MPa और τₓᵧ = 40 MPa (σ_z = 0)। पदार्थ का पराभव सामर्थ्य 275 MPa है। ट्रेस्का (अधिकतम अपरूपण प्रतिबल) मानदंड से पराभव के विरुद्ध सुरक्षा गुणक n ज्ञात कीजिए।

σ_x = −70 MPaσ_y = 90 MPaτ_xy = 40 MPaσ_Y = 275 MPa

n =

7.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

एक स्टील छड़ (व्यास 20 mm, E = 200 GPa) काँसा की बनी नलिका (बाहरी व्यास 100 mm, भीतरी व्यास 50 mm, E = 110 GPa) के भीतर है। दोनों 800 mm लंबे हैं और दृढ़ प्लेटों के बीच 200 kN से साथ-साथ संपीडित किए जाते हैं। संकुचन δ ज्ञात कीजिए।

P = 200 kNछड़: Ø20 mm, E = 200 GPaनलिका: Ø100/Ø50 mm, E = 110 GPaL = 800 mm

δ = mm

8.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

एक स्टील छड़ (व्यास 25 mm, E = 200 GPa, अनुमेय प्रतिबल 120 MPa) पीतल की बनी नलिका (बाहरी व्यास 120 mm, भीतरी व्यास 60 mm, E = 100 GPa, अनुमेय प्रतिबल 70 MPa) के भीतर है। दोनों को दृढ़ प्लेटों के बीच साथ-साथ संपीडित किया जाता है। सबसे बड़ा भार P_max ज्ञात कीजिए।

छड़: Ø25 mm, E = 200 GPa, σ_allow = 120 MPaनलिका: Ø120/Ø60 mm, E = 100 GPa, σ_allow = 70 MPa

P_max = kN

9.स्तंभ बकलिंगमध्यम

एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर पिन किया हुआ है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार P_cr ज्ञात कीजिए।

L = 4 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 50 mm

P_cr = kN

10.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 = 30 mm

σ_cr = MPa

11.यांत्रिक कंपनमध्यम

एक अवमंदित द्रव्यमान–स्प्रिंग तंत्र के मुक्त-कंपन परीक्षण में 15 mm के विस्थापन शिखर के 5 चक्र बाद 1.2 mm का शिखर आता है। अवमंदन अनुपात ζ ज्ञात कीजिए।

x₀ = 15 mmx₅ = 1.2 mmn = 5

ζ =

12.यांत्रिक कंपनकठिन

एक 20 kg द्रव्यमान अगल-बगल (समांतर में) दो स्प्रिंगों से लटका है, जिनकी दृढ़ताएँ k₁ = 10 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 = 20 kgk₁ = 10 kN/mk₂ = 5 kN/m

f_n = Hz

3विलयन

1.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: N₁ = 16

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: F_t = 2T/d.

दाँतों की कुल संख्या

N₁ + N₂ = 2a/m = 2·72/3 = 48

अनुपात से बाँटें

N₁ = 48/(1 + 2) = 16

उत्तर

N₁ = 16

2.गियर और गियर ट्रेन

उत्तर: n_out = 348 rpm

गियर ट्रेन: परस्पर जुड़े गियरों के दाँतों पर चाल समान होती है, इसलिए n₁·N₁ = n₂·N₂: कम दाँतों वाला गियर तेज़ घूमता है। एक ही शाफ़्ट पर लगे गियर समान चाल से घूमते हैं। शक्ति आगे पहुँचती है (हानियों को घटाकर), इसलिए चाल घटने पर बलाघूर्ण बढ़ता है: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, और P = T·ω, जहाँ ω = 2π·n/60।

पहला चरण

n_B = 1450·30/50 = 870 rpm = n_C

दूसरा चरण

n_out = 870·18/45 = 348 rpm

उत्तर

n_out = 348 rpm

कुल अनुपात = 4.167 : 1

3.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ = 10.77 °

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

मरोड़ कोण

φ = TL/(GJ) = 1000·1000·3000/(26000·613592) = 0.188 rad

φ = 0.188·180/π = 10.77°

उत्तर

φ = 10.77°

4.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: τ_max = 78.6 MPa

वृत्ताकार शाफ़्ट का मरोड़: अपरूपण प्रतिबल केंद्र पर शून्य से सतह पर τ_max = T·r/J तक रैखिक रूप से बढ़ता है, ठोस शाफ़्ट के लिए J = πd⁴/32 और खोखले के लिए J = π(d_o⁴ − d_i⁴)/32। मरोड़ कोण रेडियन में φ = TL/(GJ) है। शक्ति और बलाघूर्ण P = T·ω से जुड़े हैं। जब दोनों सिरे स्थिर हों, तो स्थैतिकी अकेले केवल T_A + T_B = T₀ देती है; दूसरा समीकरण संगतता है (भारित खंड पर दोनों भागों का समान मरोड़)।

संतुलन और संगतता

T_A + T_B = 500

T_A·a = T_B·b

T_A = 500·2.5/3 = 416.7 N·m

T_B = 500·0.5/3 = 83.33 N·m

अधिकतम अपरूपण प्रतिबल

दोनों बलाघूर्णों में से बड़ा निर्णायक है (समान व्यास)।

τ_max = 16·416667/(π·30³) = 78.6 MPa

उत्तर

τ_max = 78.6 MPa

5.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_y′ = 15.27 MPa

y′ फलक के लिए रूपांतरण समीकरण

σ_y′ = 60 − 50·0.766 − 10·0.6428 = 15.27 MPa

जाँच

घुमाने से अभिलंब प्रतिबलों का योग नहीं बदलता।

σ_x′ = 104.7 MPa, σ_x′ + σ_y′ = 120 = σ_x + σ_y

उत्तर

σ_y′ = 15.27 MPa

6.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: n = 1.537

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 = 89.44 MPa

σ₁ = 99.44 MPa, σ₂ = −79.44 MPa, σ₃ = 0

ट्रेस्का

σ_max − σ_min = 178.9 MPa

n = 275/178.9 = 1.537

उत्तर

n = 1.537

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

7.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 0.2251 mm

दो पदार्थ: श्रेणी में (एक के बाद एक) हर खंड समान बल वहन करता है और विस्तार जुड़ते हैं: δ = P·Σ L/(E·A)। समानांतर में (दृढ़ प्लेटों के बीच अगल-बगल) दोनों भाग समान मात्रा से छोटे होते हैं, इसलिए उनके विकृति समान हैं: अधिक कठोर भाग बड़ा हिस्सा लेता है, P_i = P·E_iA_i/ΣEA, और σ_i = E_i·ε। दो दृढ़ दीवारों के बीच जकड़ी छड़, जिसके जोड़ पर भार लगा है, स्थैतिक रूप से अनिर्धार्य है: दोनों खंड भार को अपनी कठोरता k = EA/L के अनुपात में बाँटते हैं।

क्षेत्रफल

A_r = π·20²/4 = 314.2 mm²

A_t = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

संयुक्त अक्षीय कठोरता

ΣEA = 200·10³·314.2 + 110·10³·5890 = 7.108 × 10⁸ N

संकुचन

δ = 200000·800/7.108 × 10⁸ = 0.2251 mm

उत्तर

δ = 0.2251 mm

8.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: P_max = 567.8 kN

क्षेत्रफल

A_r = π·25²/4 = 490.9 mm²

A_t = π(120² − 60²)/4 = 8482 mm²

संयुक्त अक्षीय कठोरता

ΣEA = 200·10³·490.9 + 100·10³·8482 = 9.464 × 10⁸ N

निर्धारक विकृति

ε = min(0.0006, 0.0007) = 0.0006 (स्टील)

सबसे बड़ा भार

P_max = 0.0006·9.464 × 10⁸ = 567843 N = 567.8 kN

उत्तर

P_max = 567.8 kN

9.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 27.04 kN

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

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

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

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 0.7·4000 = 2800 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·70000·306796/2800² = 27035 N = 27.04 kN

उत्तर

P_cr = 27.04 kN

10.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σ_cr = 19.83 MPa

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

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

I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 706.9 mm²

r = √(I/A) = √(39761/706.9) = 7.5 mm

KL = 0.7·2000 = 1400 mm

KL/r = 1400/7.5 = 186.7

क्रांतिक प्रतिबल

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/186.7² = 19.83 MPa

उत्तर

σ_cr = 19.83 MPa

11.यांत्रिक कंपन

उत्तर: ζ = 0.08014

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।

लघुगणकीय ह्रास

δ = (1/5)·ln(15/1.2) = 0.5051

अवमंदन अनुपात

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.5051/√(39.48 + 0.2552) = 0.08014

उत्तर

ζ = 0.08014

12.यांत्रिक कंपन

उत्तर: f_n = 4.359 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 = 10 + 5 = 15 kN/m

प्राकृतिक आवृत्ति

ω_n = √(15000/20) = 27.39 rad/s

f_n = 27.39/(2π) = 4.359 Hz

उत्तर

f_n = 4.359 Hz

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