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

ताँबा छड़ में अक्षीय विकृति ε माइक्रोस्ट्रेन (µε = 10⁻⁶) में ज्ञात कीजिए।

P = 40 kNd = 10 mmL = 3 mE = 117 GPa

ε = µε

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

एक स्टील खंड (व्यास 25 mm, लंबाई 300 mm, E = 200 GPa) और ताँबा का बना खंड (व्यास 40 mm, लंबाई 500 mm, E = 120 GPa) सिरे से सिरा जोड़कर दो दृढ़ दीवारों के बीच जकड़े हैं। जोड़ पर खंड 2 की ओर 100 kN का अक्षीय भार लगता है। खंड 2 में प्रतिबल σ₂ का परिमाण ज्ञात कीजिए।

खंड 1: स्टील, Ø25 mm, 300 mm, E = 200 GPaखंड 2: ताँबा, Ø40 mm, 500 mm, E = 120 GPaP = 100 kN

σ₂ = MPa

3.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 = 400 N·md = 30 mmL = 0.8 mG = 80 GPa

φ = °

4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

50 mm व्यास वाला एक ठोस एल्युमिनियम शाफ़्ट दोनों सिरों A और B पर दृढ़ दीवारों में स्थिर है। A से 2.5 m और B से 0.5 m पर C पर 1500 N·m का बलाघूर्ण लगाया जाता है। खंड C का घूर्णन कोण φ_C डिग्री में ज्ञात कीजिए।

d = 50 mmT₀ = 1500 N·ma = 2.5 mb = 0.5 mG = 26 GPa

φ_C = °

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

आलंब A से x = 3.5 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 mw = 6 kN/m, 0 से 6 m तकx = 3.5 m

M_x = kN·m

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

बीम A पर पिन और B पर रोलर पर टिका है और B से आगे 2.5 m मुक्त सिरे C तक ओवरहैंग करता है। पूरी लंबाई A–C पर समान वितरित भार w कार्य करता है। आलंब B पर बंकन आघूर्ण M_B ज्ञात कीजिए। सैगिंग आघूर्णों को और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण को धनात्मक लें।

L = 7.5 mw = 2 kN/m, 0 से 7.5 m तकआलंब x = 0 और x = 5 m पर

M_B = 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 = 140 mmt_f = 25 mmt_w = 20 mmh_w = 280 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

8.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णकठिन

T-खंड ऊपर फ़्लेंज के साथ बीम के रूप में उपयोग होता है और 25 kN·m का धनात्मक बंकन आघूर्ण वहन करता है। ऊपरी किनारे पर बंकन प्रतिबल σ_ऊपर का परिमाण ज्ञात कीजिए।

b_f = 120 mmt_f = 25 mmt_w = 14 mmh_w = 260 mmM = 25 kN·m

σ_ऊपर = MPa

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

एक बिंदु पर σₓ = 50 MPa और σᵧ = −50 MPa है। सबसे बड़े मुख्य प्रतिबल के 100 MPa तक पहुँचने से पहले अपरूपण प्रतिबल τ_xy (परिमाण) कितना बड़ा हो सकता है?

σ_x = 50 MPaσ_y = −50 MPaσ₁ = 100 MPa

τ_xy = MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −60 MPa, σᵧ = −80 MPa और τₓᵧ = −60 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अपरूपण प्रतिबल τ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 60° वामावर्त घुमाया गया है (τₓᵧ की ही दिशा में धनात्मक)।

σ_x = −60 MPaσ_y = −80 MPaτ_xy = −60 MPaθ = 60°

τ_θ = MPa

11.बीम विक्षेपमध्यम

एक सरल आलंबित बीम अपने पूरे विस्तार पर समान वितरित भार w वहन करता है। आलंब A पर बीम की प्रवणता θ_A रेडियन में ज्ञात कीजिए।

w = 15 kN/mL = 2 mE = 200 GPa (स्टील)I = 8.5 × 10⁶ mm⁴

θ_A = rad

12.बीम विक्षेपकठिन

एक सरल आलंबित बीम समान वितरित भार w और मध्य विस्तार पर बिंदु भार P वहन करता है। अध्यारोपण से मध्य विक्षेप δ_max ज्ञात कीजिए।

P = 3 kNw = 5 kN/mL = 2.5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)I = 36 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

13.स्तंभ बकलिंगमध्यम

एल्युमिनियम 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 = 2.5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)b × h = 50 × 80 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

एल्युमिनियम से बना L लंबाई का एक ठोस गोल स्तंभ दोनों सिरों पर पिन किया हुआ है। इसे बकलिंग के विरुद्ध 2.5 के सुरक्षा गुणक के साथ 105 kN वहन करना है। न्यूनतम व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 105 kNn = 2.5L = 2.5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)

d = mm

3विलयन

1.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: ε = 4353 µε

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·10²/4 = 78.54 mm²

σ = P/A = 40·1000/78.54 = 509.3 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for ताँबा = 117 GPa = 117000 MPa.

ε = σ/E = 509.3/117000 = 0.004353 = 4353 µε

उत्तर

ε = 4353 µε

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: σ₂ = 38.17 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 = 200000·490.9/300 = 327249 N/mm

k₂ = 120000·1257/500 = 301593 N/mm

खंड 2 का हिस्सा

F₂ = 100000·301593/628842 = 47960 N

प्रतिबल

σ₂ = 47960/1257 = 38.17 MPa (संपीडन)

उत्तर

σ₂ = 38.17 MPa

3.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ = 2.882 °

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π·30⁴/32 = 79522 mm⁴

मरोड़ कोण

φ = TL/(GJ) = 400·1000·800/(80000·79522) = 0.0503 rad

φ = 0.0503·180/π = 2.882°

उत्तर

φ = 2.882°

4.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ_C = 2.245 °

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 = 1500

T_A·a = T_B·b

T_A = 1500·0.5/3 = 250 N·m

T_B = 1500·2.5/3 = 1250 N·m

C का घूर्णन

खंड AC का उपयोग करें: यह A पर स्थिर है और T_A वहन करता है।

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

G = 26 GPa = 26000 MPa

φ_C = T_A·a/(GJ) = 250000·2500/(26000·613592) = 0.03918 rad = 2.245°

उत्तर

φ_C = 2.245°

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 26.25 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।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 6·6 = 36 kN, x̄ = 3 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·6 = 6·6·3

R_B = 108/6 = 18 kN

ΣF_y = 0: R_A = 36 − 18 = 18 kN

x = 3.5 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 = 18·3.5 − 6·3.5·1.75 = 26.25 kN·m

उत्तर

M_x = 26.25 kN·m

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_B = −6.25 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। अधिकतम आघूर्ण: चूँकि dM/dx = V, बंकन आघूर्ण वहाँ शिखर पर होता है जहाँ अपरूपण बल शून्य से होकर गुज़रता है, या तो किसी बिंदु भार पर या किसी वितरित भार के भीतर।

आलंब प्रतिक्रियाएँ

ओवरहैंग पर भार सहित पूरे बीम का संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 2·7.5 = 15 kN, x̄ = 3.75 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·5 = 2·7.5·3.75

R_B = 56.25/5 = 11.25 kN

ΣF_y = 0: R_A = 15 − 11.25 = 3.75 kN

B पर काटें और ओवरहैंग रखें

ओवरहैंग पर भार w·a, B से a/2 पर कार्य करता है और बीम को आलंब के ऊपर हॉग कराता है।

M_B = −w·a²/2 = −2·2.5²/2 = −6.25 kN·m

उत्तर

M_B = −6.25 kN·m

7.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: I_x = 86.86 × 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 = 140·25 = 3500 mm², y_f = 280 + 25/2 = 292.5 mm

वेब: A_w = 20·280 = 5600 mm², y_w = 280/2 = 140 mm

केंद्रक

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (3500·292.5 + 5600·140)/9100 = 198.7 mm

समांतर अक्ष प्रमेय

फ़्लेंज: 140·25³/12 + 3500·(292.5 − 198.7)² = 3.101 × 10⁷ mm⁴

वेब: 20·280³/12 + 5600·(140 − 198.7)² = 5.585 × 10⁷ mm⁴

I_x = 3.101 × 10⁷ + 5.585 × 10⁷ = 8.686 × 10⁷ mm⁴ = 86.86 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_x = 86.86 × 10⁶ mm⁴

8.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: σ_ऊपर = 41.91 MPa

दो आयतों में बाँटें

हर y को निचले किनारे से मापें।

फ़्लेंज: A_f = 120·25 = 3000 mm², y_f = 260 + 25/2 = 272.5 mm

वेब: A_w = 14·260 = 3640 mm², y_w = 260/2 = 130 mm

केंद्रक

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (3000·272.5 + 3640·130)/6640 = 194.4 mm

समांतर अक्ष प्रमेय

फ़्लेंज: 120·25³/12 + 3000·(272.5 − 194.4)² = 1.846 × 10⁷ mm⁴

वेब: 14·260³/12 + 3640·(130 − 194.4)² = 3.559 × 10⁷ mm⁴

I_x = 1.846 × 10⁷ + 3.559 × 10⁷ = 5.406 × 10⁷ mm⁴

बंकन प्रतिबल

ऊपरी किनारा अक्ष से h − ȳ दूर है।

y = 285 − 194.4 = 90.62 mm

σ = M·y/I = 2.5 × 10⁷·90.62/5.406 × 10⁷ = 41.91 MPa

उत्तर

σ_ऊपर = 41.91 MPa

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_xy = 86.6 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।

आवश्यक त्रिज्या

C = (50 + (−50))/2 = 0 MPa

R = σ₁ − C = 100 − 0 = 100 MPa

अपरूपण प्रतिबल

τ_xy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(100² − 50²) = 86.6 MPa

उत्तर

τ_xy = 86.6 MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_θ = 21.34 MPa

रूपांतरण समीकरण

τ_θ = −10·0.866 + −60·−0.5 = 21.34 MPa

उत्तर

τ_θ = 21.34 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: θ_A = 0.002941 rad

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)। प्रवणता θ = dv/dx, M/(EI) का प्रथम समाकल है; संगत इकाइयों में यह रेडियन में आती है।

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 = 15 N/mm, L = 2000 mm

EI = 1.7 × 10¹² N·mm²

सिरा प्रवणता

θ_A = wL³/(24EI) = 15·2000³/(24·1.7 × 10¹²) = 0.002941 rad

उत्तर

θ_A = 0.002941 rad

यह 0.1685° है।

12.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_max = 1.397 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 = 3000 N, w = 5 N/mm, L = 2500 mm, EI = 2.52 × 10¹² N·mm²

हर भार अलग से

δ_P = PL³/(48EI) = 3000·2500³/(48·2.52 × 10¹²) = 0.3875 mm

δ_w = 5wL⁴/(384EI) = 5·5·2500⁴/(384·2.52 × 10¹²) = 1.009 mm

जोड़ें

δ_max = 0.3875 + 1.009 = 1.397 mm

उत्तर

δ_max = 1.397 mm

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 23.03 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 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 2·2500 = 5000 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·70000·833333/5000² = 23029 N = 23.03 kN

उत्तर

P_cr = 23.03 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: d = 83.4 mm

आवश्यक क्रांतिक भार

P_cr = n·P = 2.5·105000 = 262500 N

KL = 1·2500 = 2500 mm

व्यास के लिए हल करें

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·262500·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 83.4 mm

उत्तर

d = 83.4 mm

जाँच: तनुता KL/r = 119.9 है, इसलिए स्तंभ पतला है और ऑयलर लागू होता है।

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