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

एक स्टील छड़ (व्यास 25 mm, E = 200 GPa) एल्युमिनियम की बनी नलिका (बाहरी व्यास 80 mm, भीतरी व्यास 50 mm, E = 70 GPa) के भीतर है। दोनों 600 mm लंबे हैं और दृढ़ प्लेटों के बीच 150 kN से साथ-साथ संपीडित किए जाते हैं। संकुचन δ ज्ञात कीजिए।

P = 150 kNछड़: Ø25 mm, E = 200 GPaनलिका: Ø80/Ø50 mm, E = 70 GPaL = 600 mm

δ = mm

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

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

P = 10 kNखंड 1: Ø30 mm, 0.5 m, पीतल (E = 100 GPa)खंड 2: Ø12 mm, 1 m, पीतल (E = 100 GPa)

δ = mm

3.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

3 m लंबा एक ठोस स्टील शाफ़्ट 100 N·m का बलाघूर्ण वहन करता है। उसके सिरों के बीच मरोड़ कोण 1.5° से अधिक नहीं होना चाहिए। इस सीमा को पूरा करने वाला सबसे छोटा व्यास d ज्ञात कीजिए।

T = 100 N·mL = 3 mG = 80 GPaφ_allow = 1.5°

d = mm

4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक खोखले शाफ़्ट को 1450 rpm पर 50 kW संचारित करना है। इसका भीतरी व्यास इसके बाहरी व्यास का 0.5 गुना होना है, और अपरूपण प्रतिबल 50 MPa से अधिक नहीं होना चाहिए। सबसे छोटा बाहरी व्यास d_o ज्ञात कीजिए।

P = 50 kWN = 1450 rpmd_i/d_o = 0.5τ_allow = 50 MPa

d_o = mm

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

कैंटिलीवर A पर स्थिर है। यह अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w और A से 1 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 = 2 mP = 10 kN पर 1 mw = 10 kN/m, 0 से 2 m तकx = 0.5 m

M_x = kN·m

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

आलंब A से x = 7.5 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 = 10 mP = 35 kN पर 9 mw = 4 kN/m, 0 से 10 m तकx = 7.5 m

M_x = kN·m

7.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णमध्यम

T-खंड का उसके केंद्रक से होकर क्षैतिज अक्ष x के परितः जड़त्व आघूर्ण I_x ज्ञात कीजिए।

b_f = 280 mmt_f = 15 mmt_w = 20 mmh_w = 160 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

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। निचले किनारे पर बंकन प्रतिबल σ_नीचे ज्ञात कीजिए।

b_f = 160 mmt_f = 15 mmt_w = 16 mmh_w = 280 mmM = 40 kN·m

σ_नीचे = MPa

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −30 MPa, σᵧ = 10 MPa और τₓᵧ = 30 MPa है (तनन धनात्मक)। x-अक्ष से सबसे बड़े मुख्य प्रतिबल की दिशा तक का कोण θ_p, −90° और 90° के बीच, ज्ञात कीजिए।

σ_x = −30 MPaσ_y = 10 MPaτ_xy = 30 MPa

θ_p = °

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −10 MPa, σᵧ = 50 MPa और τₓᵧ = −10 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अभिलंब प्रतिबल σ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 25° वामावर्त घुमाया गया है।

σ_x = −10 MPaσ_y = 50 MPaτ_xy = −10 MPaθ = 25°

σ_θ = MPa

11.बीम विक्षेपमध्यम

एक सरल आलंबित बीम आलंब A से a = 1.5 m पर बिंदु भार P वहन करता है। भार के नीचे विक्षेप δ_P ज्ञात कीजिए।

P = 23 kNa = 1.5 mL = 4 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)I = 8.5 × 10⁶ mm⁴

δ_P = mm

12.बीम विक्षेपकठिन

एक सरल आलंबित बीम आलंब B से b = 1.5 m पर बिंदु भार P वहन करता है। मध्य-विस्तार पर विक्षेप δ_mid ज्ञात कीजिए।

P = 2 kNb = 1.5 mL = 4 mE = 200 GPa (स्टील)I = 12 × 10⁶ mm⁴

δ_mid = mm

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 = 5 mE = 200 GPa (स्टील)b × h = 30 × 100 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 = 1.5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)d = 40 mm

σ_cr = MPa

3विलयन

1.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 0.2879 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·25²/4 = 490.9 mm²

A_t = π(80² − 50²)/4 = 3063 mm²

संयुक्त अक्षीय कठोरता

ΣEA = 200·10³·490.9 + 70·10³·3063 = 3.126 × 10⁸ N

संकुचन

δ = 150000·600/3.126 × 10⁸ = 0.2879 mm

उत्तर

δ = 0.2879 mm

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: δ = 0.9549 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·30²/4 = 706.9 mm², A₂ = π·12²/4 = 113.1 mm²

σ₁ = 14.15 MPa

σ₂ = 88.42 MPa

खंडों का दीर्घीकरण जोड़ें

δ₁ = σ₁L₁/E₁ = 14.15·500/100000 = 0.07074 mm

δ₂ = σ₂L₂/E₂ = 88.42·1000/100000 = 0.8842 mm

δ = δ₁ + δ₂ = 0.9549 mm

उत्तर

δ = 0.9549 mm

3.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d = 34.75 mm

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।

आवश्यक ध्रुवीय आघूर्ण

T = 100 N·m = 100000 N·mm

L = 3 m = 3000 mm

G = 80 GPa = 80000 MPa

φ = 1.5·π/180 = 0.02618 rad

J = TL/(Gφ) = 100000·3000/(80000·0.02618) = 143239 mm⁴

व्यास

d = (32J/π)^1/4 = 34.75 mm

उत्तर

d = 34.75 mm

व्यवहार में आप अगले मानक आकार तक पूर्णांकित करेंगे।

4.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d_o = 32.95 mm

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·1450/60 = 151.8 rad/s

T = P/ω = 50000/151.8 = 329.3 N·m

स्वीकार्य प्रतिबल से बाहरी व्यास

T = 329.3 N·m = 329286 N·mm

1 − k⁴ = 1 − 0.5⁴ = 0.9375

d_o = ∛(16T/(π·τ_allow·(1 − k⁴))) = ∛(16·329286/(π·50·0.9375)) = 32.95 mm

d_i = 0.5·32.95 = 16.48 mm

उत्तर

d_o = 32.95 mm

ठोस शाफ़्ट को d = 32.25 mm चाहिए होता; खोखला थोड़ा बड़ा है पर बहुत हल्का है।

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = −16.25 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: −10·0.5 = −5 kN·m

w: −10·1.5²/2 = −11.25 kN·m

M_x = −5 − 11.25 = −16.25 kN·m

उत्तर

M_x = −16.25 kN·m

ऋणात्मक का अर्थ है हॉगिंग: ऊपरी फलक पर तनाव।

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 63.75 kN·m

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 4·10 = 40 kN, x̄ = 5 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·10 = 35·9 + 4·10·5

R_B = 515/10 = 51.5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 75 − 51.5 = 23.5 kN

x = 7.5 m पर काटें और बायाँ भाग रखें

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

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

M_x = 23.5·7.5 − 4·7.5·3.75 = 63.75 kN·m

उत्तर

M_x = 63.75 kN·m

7.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: I_x = 20.81 × 10⁶ mm⁴

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 = 280·15 = 4200 mm², y_f = 160 + 15/2 = 167.5 mm

वेब: A_w = 20·160 = 3200 mm², y_w = 160/2 = 80 mm

केंद्रक

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (4200·167.5 + 3200·80)/7400 = 129.7 mm

समांतर अक्ष प्रमेय

फ़्लेंज: 280·15³/12 + 4200·(167.5 − 129.7)² = 6.092 × 10⁶ mm⁴

वेब: 20·160³/12 + 3200·(80 − 129.7)² = 1.472 × 10⁷ mm⁴

I_x = 6.092 × 10⁶ + 1.472 × 10⁷ = 2.081 × 10⁷ mm⁴ = 20.81 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_x = 20.81 × 10⁶ mm⁴

8.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: σ_नीचे = 121 MPa

दो आयतों में बाँटें

हर y को निचले किनारे से मापें।

फ़्लेंज: A_f = 160·15 = 2400 mm², y_f = 280 + 15/2 = 287.5 mm

वेब: A_w = 16·280 = 4480 mm², y_w = 280/2 = 140 mm

केंद्रक

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (2400·287.5 + 4480·140)/6880 = 191.5 mm

समांतर अक्ष प्रमेय

फ़्लेंज: 160·15³/12 + 2400·(287.5 − 191.5)² = 2.218 × 10⁷ mm⁴

वेब: 16·280³/12 + 4480·(140 − 191.5)² = 4.113 × 10⁷ mm⁴

I_x = 2.218 × 10⁷ + 4.113 × 10⁷ = 6.331 × 10⁷ mm⁴

बंकन प्रतिबल

निचला किनारा अक्ष से ȳ दूर है।

y = 191.5 mm

σ = M·y/I = 4 × 10⁷·191.5/6.331 × 10⁷ = 121 MPa

उत्तर

σ_नीचे = 121 MPa

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: θ_p = 61.85 °

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।

वृत्त पर कोण

मोर वृत्त पर बिंदु x, σ-अक्ष से 2θp कोण पर होता है; चतुर्थांश σₓ − σᵧ और τₓᵧ के चिह्नों से तय होता है।

2θ_p = atan2(2·30, −30 − 10) = 123.7°

अवयव पर कोण

θ_p = 61.85°

उत्तर

θ_p = 61.85°

धनात्मक कोण वामावर्त होते हैं।

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_θ = −6.944 MPa

रूपांतरण समीकरण

σ_θ = 20 + −30·0.6428 + −10·0.766 = −6.944 MPa

उत्तर

σ_θ = −6.944 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_P = 45.3 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।

P = 23000 N, a = 1500 mm, b = 2500 mm, L = 4000 mm

EI = 5.95 × 10¹¹ N·mm²

भार के नीचे विक्षेप

δ_P = Pa²b²/(3EIL) = 23000·1500²·2500²/(3·5.95 × 10¹¹·4000) = 45.3 mm

उत्तर

δ_P = 45.3 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_mid = 1.016 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 = 2000 N, b = 1500 mm, L = 4000 mm

EI = 2.4 × 10¹² N·mm²

मध्य विक्षेप

δ_mid = Pb(3L² − 4b²)/(48EI) = 2000·1500·(3·4000² − 4·1500²)/(48·2.4 × 10¹²) = 1.016 mm

उत्तर

δ_mid = 1.016 mm

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 4.441 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 = 100·30³/12 = 225000 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 2·5000 = 10000 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·225000/10000² = 4441 N = 4.441 kN

उत्तर

P_cr = 4.441 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: σ_cr = 62.66 MPa

न्यूनतम जड़त्व आघूर्ण

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

I = πd⁴/64 = π·40⁴/64 = 125664 mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या और तनुता

A = 1257 mm²

r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm

KL = 0.7·1500 = 1050 mm

KL/r = 1050/10 = 105

क्रांतिक प्रतिबल

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/105² = 62.66 MPa

उत्तर

σ_cr = 62.66 MPa

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