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

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

P = 50 kNd = 20 mmL = 0.5 mE = 200 GPa

ε = µε

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

एक स्टील छड़ (व्यास 20 mm, E = 200 GPa, अनुमेय प्रतिबल 150 MPa) ताँबा की बनी नलिका (बाहरी व्यास 120 mm, भीतरी व्यास 50 mm, E = 120 GPa, अनुमेय प्रतिबल 60 MPa) के भीतर है। दोनों को दृढ़ प्लेटों के बीच साथ-साथ संपीडित किया जाता है। सबसे बड़ा भार P_max ज्ञात कीजिए।

छड़: Ø20 mm, E = 200 GPa, σ_allow = 150 MPaनलिका: Ø120/Ø50 mm, E = 120 GPa, σ_allow = 60 MPa

P_max = kN

3.शाफ़्ट का मरोड़मध्यम

पीतल 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 = 50 mmL = 0.8 mG = 39 GPa

φ = °

4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

60 mm व्यास वाला एक ठोस पीतल शाफ़्ट दोनों सिरों A और B पर दृढ़ दीवारों में स्थिर है। A से 2 m और B से 1.2 m पर C पर 200 N·m का बलाघूर्ण लगाया जाता है। दीवार A पर प्रतिक्रिया बलाघूर्ण T_A ज्ञात कीजिए।

d = 60 mmT₀ = 200 N·ma = 2 mb = 1.2 m

T_A = N·m

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

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।

35 kN @ 4 m6 kN/m, 0–6 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)

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

60 kN @ 6 m15 kN @ 1 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)

7.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णमध्यम

एक सममित I-खंड के फ़्लेंज 110 mm चौड़े और 22 mm मोटे हैं, कुल गहराई 440 mm है और वेब 14 mm मोटा है। क्षैतिज केंद्रकीय अक्ष x के परितः बंकन के लिए उसका प्रत्यास्थ खंड मापांक S_x ज्ञात कीजिए।

B = 110 mmH = 440 mmt_f = 22 mmt_w = 14 mm

S_x = × 10³ mm³

8.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णकठिन

T-खंड ऊपर फ़्लेंज के साथ बीम के रूप में उपयोग होता है और 10 kN·m का धनात्मक बंकन आघूर्ण वहन करता है। ऊपरी किनारे पर बंकन प्रतिबल σ_ऊपर का परिमाण ज्ञात कीजिए।

b_f = 200 mmt_f = 10 mmt_w = 14 mmh_w = 300 mmM = 10 kN·m

σ_ऊपर = MPa

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

एक बिंदु पर σₓ = 10 MPa, σᵧ = 70 MPa और τₓᵧ = −40 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 = 10 MPaσ_y = 70 MPaτ_xy = −40 MPaθ = 20°

σ_y′ = MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = −60 MPa, σᵧ = 10 MPa और τₓᵧ = 50 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अभिलंब प्रतिबल σ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 45° वामावर्त घुमाया गया है।

σ_x = −60 MPaσ_y = 10 MPaτ_xy = 50 MPaθ = 45°

σ_θ = MPa

11.बीम विक्षेपमध्यम

एक सरल आलंबित बीम अपने पूरे विस्तार पर समान वितरित भार w वहन करता है। मध्य विस्तार पर अधिकतम विक्षेप δ_max ज्ञात कीजिए।

w = 2 kN/mL = 5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)I = 8.5 × 10⁶ mm⁴

δ_max = 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 = 20 kN/mL = 5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)

I_req = × 10⁶ mm⁴

13.स्तंभ बकलिंगमध्यम

स्टील 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 = 5 mE = 200 GPa (स्टील)b × h = 30 × 100 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

स्टील से बना L लंबाई का एक ठोस गोल स्तंभ आधार पर जड़ित और शीर्ष पर पिन किया हुआ है। इसे बकलिंग के विरुद्ध 2 के सुरक्षा गुणक के साथ 70 kN वहन करना है। न्यूनतम व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 70 kNn = 2L = 5 mE = 200 GPa (स्टील)

d = mm

3विलयन

1.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: ε = 795.8 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·20²/4 = 314.2 mm²

σ = P/A = 50·1000/314.2 = 159.2 MPa

विकृति (हुक का नियम)

E for स्टील = 200 GPa = 200000 MPa.

ε = σ/E = 159.2/200000 = 0.0007958 = 795.8 µε

उत्तर

ε = 795.8 µε

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: P_max = 592.2 kN

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(120² − 50²)/4 = 9346 mm²

संयुक्त अक्षीय कठोरता

ΣEA = 200·10³·314.2 + 120·10³·9346 = 1.184 × 10⁹ N

निर्धारक विकृति

ε = min(0.00075, 0.0005) = 0.0005 (ताँबा)

सबसे बड़ा भार

P_max = 0.0005·1.184 × 10⁹ = 592190 N = 592.2 kN

उत्तर

P_max = 592.2 kN

3.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ = 0.4789 °

ध्रुवीय जड़त्व आघूर्ण

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

मरोड़ कोण

φ = TL/(GJ) = 250·1000·800/(39000·613592) = 0.008358 rad

φ = 0.008358·180/π = 0.4789°

उत्तर

φ = 0.4789°

4.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: T_A = 75 N·m

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 = 200

T_A·a = T_B·b

T_A = 200·1.2/3.2 = 75 N·m

T_B = 200·2/3.2 = 125 N·m

उत्तर

T_A = 75 N·m

5.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 = 29.67 kN, R₂ = 41.33 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 = 26.67, M_C = 47.33, M_D = 62, M_E = 70.67 kN·m, M_F = 38.33, M_G = 0

उत्तर

चिह्न E: M_E = 70.67 kN·m

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: F (x = 5 m)

आलंब प्रतिक्रियाएँ

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

R₁ = 0 kN, R₂ = 75 kN

हर चिह्न पर बंकन आघूर्ण

M_A = 0, M_B = 0, M_C = −15, M_D = −30, M_E = −45, M_F = −60 kN·m, M_G = 0

उत्तर

चिह्न F: M_F = −60 kN·m

7.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: S_x = 1291 × 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 = 440 − 2·22 = 396 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (110·440³ − 96·396³)/12

I_x = 2.841 × 10⁸ mm⁴

खंड मापांक

c = H/2 = 220 mm

S_x = I/c = 2.841 × 10⁸/220

S_x = 1.291 × 10⁶ mm³ = 1291 × 10³ mm³

उत्तर

S_x = 1291 × 10³ mm³

8.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: σ_ऊपर = 17.17 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 = 200·10 = 2000 mm², y_f = 300 + 10/2 = 305 mm

वेब: A_w = 14·300 = 4200 mm², y_w = 300/2 = 150 mm

केंद्रक

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (2000·305 + 4200·150)/6200 = 200 mm

समांतर अक्ष प्रमेय

फ़्लेंज: 200·10³/12 + 2000·(305 − 200)² = 2.207 × 10⁷ mm⁴

वेब: 14·300³/12 + 4200·(150 − 200)² = 4.2 × 10⁷ mm⁴

I_x = 2.207 × 10⁷ + 4.2 × 10⁷ = 6.407 × 10⁷ mm⁴

बंकन प्रतिबल

ऊपरी किनारा अक्ष से h − ȳ दूर है।

y = 310 − 200 = 110 mm

σ = M·y/I = 1 × 10⁷·110/6.407 × 10⁷ = 17.17 MPa

उत्तर

σ_ऊपर = 17.17 MPa

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_y′ = 88.69 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′ = 40 − (−30)·0.766 − (−40)·0.6428 = 88.69 MPa

जाँच

घुमाने से अभिलंब प्रतिबलों का योग नहीं बदलता।

σ_x′ = −8.693 MPa, σ_x′ + σ_y′ = 80 = σ_x + σ_y

उत्तर

σ_y′ = 88.69 MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: σ_θ = 25 MPa

रूपांतरण समीकरण

σ_θ = −25 + −35·0 + 50·1 = 25 MPa

उत्तर

σ_θ = 25 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_max = 27.35 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 = 2 N/mm, L = 5000 mm

EI = 5.95 × 10¹¹ N·mm²

विक्षेप

δ_max = 5wL⁴/(384EI) = 5·2·5000⁴/(384·5.95 × 10¹¹) = 27.35 mm

उत्तर

δ_max = 27.35 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: I_req = 167.4 × 10⁶ mm⁴

विक्षेप सीमा

δ_allow = L/360 = 5000/360 = 13.89 mm

आवश्यक जड़त्व आघूर्ण

I = 5wL⁴/(384·E·δ_allow) = 5·20·5000⁴/(384·70000·13.89) = 1.674 × 10⁸ mm⁴

I_req = 167.4 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_req = 167.4 × 10⁶ mm⁴

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 36.26 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 = 0.7·5000 = 3500 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·225000/3500² = 36256 N = 36.26 kN

उत्तर

P_cr = 36.26 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: d = 64.86 mm

आवश्यक क्रांतिक भार

P_cr = n·P = 2·70000 = 140000 N

KL = 0.7·5000 = 3500 mm

व्यास के लिए हल करें

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·140000·3500²/(π³·200000))^(1/4) = 64.86 mm

उत्तर

d = 64.86 mm

जाँच: तनुता KL/r = 215.8 है, इसलिए स्तंभ पतला है और ऑयलर लागू होता है।

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