पदार्थ सामर्थ्य: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 14 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

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।

केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

केंद्रक: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
आयत: I = bh³/12
समांतर अक्ष प्रमेय: I = I_c + A·d²
संयुक्त खंड: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

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)

2अभ्यास प्रश्न

1.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिमध्यम

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

P = 65 kNd = 12 mmL = 2 mE = 117 GPa

δ = mm

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

एक स्टील खंड (व्यास 40 mm, लंबाई 300 mm, E = 200 GPa) और ताँबा का बना खंड (व्यास 30 mm, लंबाई 300 mm, E = 120 GPa) सिरे से सिरा जोड़कर दो दृढ़ दीवारों के बीच जकड़े हैं। जोड़ पर खंड 2 की ओर 50 kN का अक्षीय भार लगता है। खंड 2 में प्रतिबल σ₂ का परिमाण ज्ञात कीजिए।

खंड 1: स्टील, Ø40 mm, 300 mm, E = 200 GPaखंड 2: ताँबा, Ø30 mm, 300 mm, E = 120 GPaP = 50 kN

σ₂ = MPa

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 = 250 N·md = 25 mmL = 1.2 mG = 26 GPa

φ = °

4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक खोखला शाफ़्ट 500 rpm पर 20 kW संचारित करता है। शाफ़्ट में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

P = 20 kWN = 500 rpmd_o = 40 mmd_i = 30 mm

τ_max = MPa

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

आलंब A से x = 2 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 mw = 8 kN/m, 0 से 6 m तकx = 2 m

M_x = kN·m

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

आलंब A से x = 2.5 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 = 40 kN पर 4.5 mw = 5 kN/m, 0 से 6 m तकx = 2.5 m

M_x = kN·m

7.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णमध्यम

एक सममित I-खंड के फ़्लेंज 120 mm चौड़े और 18 mm मोटे हैं, कुल गहराई 220 mm है और वेब 10 mm मोटा है। क्षैतिज केंद्रकीय अक्ष x के परितः बंकन के लिए उसका प्रत्यास्थ खंड मापांक S_x ज्ञात कीजिए।

B = 120 mmH = 220 mmt_f = 18 mmt_w = 10 mm

S_x = × 10³ mm³

8.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णकठिन

T-खंड ऊपर फ़्लेंज के साथ बीम के रूप में उपयोग होता है और 40 kN·m का धनात्मक बंकन आघूर्ण वहन करता है। ऊपरी किनारे पर बंकन प्रतिबल σ_ऊपर का परिमाण ज्ञात कीजिए।

b_f = 180 mmt_f = 30 mmt_w = 16 mmh_w = 160 mmM = 40 kN·m

σ_ऊपर = MPa

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

एक बिंदु पर σₓ = 80 MPa, σᵧ = −40 MPa और τₓᵧ = −20 MPa है (तनन धनात्मक)। अवयव को 40° 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 = 80 MPaσ_y = −40 MPaτ_xy = −20 MPaθ = 40°

σ_y′ = MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −80 MPa, σᵧ = 120 MPa और τₓᵧ = 10 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अभिलंब प्रतिबल σ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 20° वामावर्त घुमाया गया है।

σ_x = −80 MPaσ_y = 120 MPaτ_xy = 10 MPaθ = 20°

σ_θ = MPa

11.बीम विक्षेपमध्यम

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 mE = 11 GPa (इमारती लकड़ी)I = 36 × 10⁶ mm⁴

δ = mm

12.बीम विक्षेपकठिन

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 I_req ज्ञात कीजिए।

w = 4 kN/mL = 2.5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)

I_req = × 10⁶ mm⁴

13.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 = 1.5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)b × h = 20 × 50 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

स्टील 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 = 3 mE = 200 GPa (स्टील)d = 50 mm

σ_cr = MPa

3विलयन

1.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 9.824 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 = 65·1000/113.1 = 574.7 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for ताँबा = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 574.7/117000 = 0.004912 = 4912 µε

दीर्घीकरण

δ = ε·L = 0.004912·2000 mm = 9.824 mm

उत्तर

δ = 9.824 mm

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: σ₂ = 17.85 MPa

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।

कठोरताएँ

k₁ = 200000·1257/300 = 837758 N/mm

k₂ = 120000·706.9/300 = 282743 N/mm

खंड 2 का हिस्सा

F₂ = 50000·282743/1.121 × 10⁶ = 12617 N

प्रतिबल

σ₂ = 12617/706.9 = 17.85 MPa (संपीडन)

उत्तर

σ₂ = 17.85 MPa

3.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ = 17.24 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

मरोड़ कोण

φ = TL/(GJ) = 250·1000·1200/(26000·38350) = 0.3009 rad

φ = 0.3009·180/π = 17.24°

उत्तर

φ = 17.24°

4.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: τ_max = 44.47 MPa

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·500/60 = 52.36 rad/s

T = P/ω = 20000/52.36 = 382 N·m

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π(40⁴ − 30⁴)/32 = 171806 mm⁴

अधिकतम अपरूपण प्रतिबल

τ_max = T·(d_o/2)/J = 381972·20/171806 = 44.47 MPa

उत्तर

τ_max = 44.47 MPa

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 32 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 = 8·6 = 48 kN, x̄ = 3 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·6 = 8·6·3

R_B = 144/6 = 24 kN

ΣF_y = 0: R_A = 48 − 24 = 24 kN

x = 2 m पर काटें और बायाँ भाग रखें

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

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

M_x = 24·2 − 8·2·1 = 32 kN·m

उत्तर

M_x = 32 kN·m

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 46.88 kN·m

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 5·6 = 30 kN, x̄ = 3 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·6 = 40·4.5 + 5·6·3

R_B = 270/6 = 45 kN

ΣF_y = 0: R_A = 70 − 45 = 25 kN

x = 2.5 m पर काटें और बायाँ भाग रखें

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

M_x = 25·2.5 − 5·2.5·1.25 = 46.88 kN·m

उत्तर

M_x = 46.88 kN·m

7.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: S_x = 448.9 × 10³ mm³

क्षेत्रफल का द्वितीय आघूर्ण: आयत के लिए उसकी अपनी केंद्रकीय अक्ष के परितः I = bh³/12, और उसके आधार के परितः bh³/3 (समांतर अक्ष प्रमेय I = I_c + A·d²)। छिद्र को उसका I घटाकर संभाला जाता है, बशर्ते दोनों भागों की अक्ष एक ही हो। प्रत्यास्थ खंड मापांक S = I/c है, जहाँ c चरम तंतु तक की दूरी है।

बाहरी आयत में से दोनों पार्श्व कटाव घटाकर

दोनों कटाव मिलकर (B − t_w) चौड़े और h_w = H − 2t_f ऊँचे हैं, और उनकी अक्ष x एक ही है।

h_w = 220 − 2·18 = 184 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (120·220³ − 110·184³)/12

I_x = 4.938 × 10⁷ mm⁴

खंड मापांक

c = H/2 = 110 mm

S_x = I/c = 4.938 × 10⁷/110

S_x = 448875 mm³ = 448.9 × 10³ mm³

उत्तर

S_x = 448.9 × 10³ mm³

8.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: σ_ऊपर = 84.59 MPa

संयुक्त क्षेत्रफल: खंड को आयतों में बाँटें। केंद्रक क्षेत्रफल-भारित औसत है ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ। केंद्रक अक्ष के परितः जड़त्व आघूर्ण हर भाग के अपने bh³/12 और समांतर-अक्ष पद A·d² को जोड़ता है, जहाँ d भाग के केंद्रक से कुल केंद्रक की दूरी है। बंकन प्रतिबल σ = M·y/I है।

दो आयतों में बाँटें

हर y को निचले किनारे से मापें।

फ़्लेंज: A_f = 180·30 = 5400 mm², y_f = 160 + 30/2 = 175 mm

वेब: A_w = 16·160 = 2560 mm², y_w = 160/2 = 80 mm

केंद्रक

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (5400·175 + 2560·80)/7960 = 144.4 mm

समांतर अक्ष प्रमेय

फ़्लेंज: 180·30³/12 + 5400·(175 − 144.4)² = 5.446 × 10⁶ mm⁴

वेब: 16·160³/12 + 2560·(80 − 144.4)² = 1.609 × 10⁷ mm⁴

I_x = 5.446 × 10⁶ + 1.609 × 10⁷ = 2.154 × 10⁷ mm⁴

बंकन प्रतिबल

ऊपरी किनारा अक्ष से h − ȳ दूर है।

y = 190 − 144.4 = 45.55 mm

σ = M·y/I = 4 × 10⁷·45.55/2.154 × 10⁷ = 84.59 MPa

उत्तर

σ_ऊपर = 84.59 MPa

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_y′ = 29.28 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।

y′ फलक के लिए रूपांतरण समीकरण

σ_y′ = 20 − 60·0.1736 − (−20)·0.9848 = 29.28 MPa

जाँच

घुमाने से अभिलंब प्रतिबलों का योग नहीं बदलता।

σ_x′ = 10.72 MPa, σ_x′ + σ_y′ = 40 = σ_x + σ_y

उत्तर

σ_y′ = 29.28 MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_θ = −50.18 MPa

रूपांतरण समीकरण

σ_θ = 20 + −100·0.766 + 10·0.6428 = −50.18 MPa

उत्तर

σ_θ = −50.18 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ = 25.25 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 = 2000 mm

EI = 3.96 × 10¹¹ N·mm²

विक्षेप

δ = wL⁴/(8EI) = 5·2000⁴/(8·3.96 × 10¹¹) = 25.25 mm

उत्तर

δ = 25.25 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: I_req = 4.185 × 10⁶ mm⁴

विक्षेप सीमा

δ_allow = L/360 = 2500/360 = 6.944 mm

आवश्यक जड़त्व आघूर्ण

I = 5wL⁴/(384·E·δ_allow) = 5·4·2500⁴/(384·70000·6.944) = 4.185 × 10⁶ mm⁴

I_req = 4.185 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_req = 4.185 × 10⁶ mm⁴

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 20.89 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 = 50·20³/12 = 33333 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 0.7·1500 = 1050 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·70000·33333/1050² = 20888 N = 20.89 kN

उत्तर

P_cr = 20.89 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σ_cr = 69.94 MPa

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

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

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 1963 mm²

r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12.5 mm

KL = 0.7·3000 = 2100 mm

KL/r = 2100/12.5 = 168

क्रांतिक प्रतिबल

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/168² = 69.94 MPa

उत्तर

σ_cr = 69.94 MPa

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