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 छड़ स्टील के खंड (व्यास 25 mm, लंबाई 600 mm, E = 200 GPa) से बनी है, जो ताँबा के बने खंड (व्यास 60 mm, लंबाई 200 mm, E = 120 GPa) से सिरे से सिरा जोड़कर जुड़ा है। वह एक सिरे पर स्थिर है और दूसरे पर खींची जाती है। वह अक्षीय भार P ज्ञात कीजिए जो उसे कुल 0.5 mm खींचता है।

खंड 1: स्टील, Ø25 mm, 600 mm, E = 200 GPaखंड 2: ताँबा, Ø60 mm, 200 mm, E = 120 GPaδ = 0.5 mm

P = kN

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृतिकठिन

एक स्टील खंड (व्यास 25 mm, लंबाई 400 mm, E = 200 GPa) और काँसा का बना खंड (व्यास 60 mm, लंबाई 400 mm, E = 110 GPa) सिरे से सिरा जोड़कर दो दृढ़ दीवारों के बीच जकड़े हैं। जोड़ पर खंड 2 की ओर 40 kN का अक्षीय भार लगता है। खंड 2 में प्रतिबल σ₂ का परिमाण ज्ञात कीजिए।

खंड 1: स्टील, Ø25 mm, 400 mm, E = 200 GPaखंड 2: काँसा, Ø60 mm, 400 mm, E = 110 GPaP = 40 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 = 750 N·md = 30 mmL = 1.5 mG = 80 GPa

φ = °

4.शाफ़्ट का मरोड़कठिन

एक ठोस शाफ़्ट को 750 rpm पर 10 kW संचारित करना है, बिना अपरूपण प्रतिबल के 80 MPa से अधिक हुए। उपयुक्त सबसे छोटा व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 10 kWN = 750 rpmτ_allow = 80 MPa

d = mm

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।

25 kN @ 6 m10 kN/m, 4–8 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

45 kN @ 12 m10 kN @ 6 m5 kN/m, 0–10 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 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 = 300 mmt_f = 10 mmt_w = 20 mmh_w = 260 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

8.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णकठिन

एक वेल्डित I-खंड का ऊपरी फ़्लेंज 150 × 16 mm, वेब 350 mm ऊँचा और 8 mm मोटा, और निचला फ़्लेंज 300 × 20 mm (चौड़ाई × मोटाई) है। उसके केंद्रक से होकर जाने वाली क्षैतिज अक्ष x के परितः उसका क्षेत्रफल का द्वितीय आघूर्ण I_x ज्ञात कीजिए।

ऊपरी फ़्लेंज: 150 × 16 mmवेब: 8 × 350 mmनिचला फ़्लेंज: 300 × 20 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणमध्यम

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 10 MPa, σᵧ = 50 MPa और τₓᵧ = −30 MPa है (तनन धनात्मक)। तल में अधिकतम अपरूपण प्रतिबल τ_max ज्ञात कीजिए।

σ_x = 10 MPaσ_y = 50 MPaτ_xy = −30 MPa

τ_max = MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरणकठिन

किसी भारित पुर्ज़े के एक बिंदु पर σₓ = 60 MPa, σᵧ = 20 MPa और τₓᵧ = 40 MPa है (तनन धनात्मक)। उस तल पर अपरूपण प्रतिबल τ_θ ज्ञात कीजिए जिसका अभिलंब x-अक्ष से 40° वामावर्त घुमाया गया है (τₓᵧ की ही दिशा में धनात्मक)।

σ_x = 60 MPaσ_y = 20 MPaτ_xy = 40 MPaθ = 40°

τ_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 = 12 kN/mL = 2.5 mE = 200 GPa (स्टील)I = 23 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

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 = 23 kNw = 4 kN/mL = 1.5 mE = 70 GPa (एल्युमिनियम)I = 8.5 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

13.स्तंभ बकलिंगमध्यम

स्टील से बना L लंबाई का एक स्तंभ दोनों सिरों पर पिन किया हुआ है। ऑयलर सूत्र से उसका क्रांतिक बकलिंग भार P_cr ज्ञात कीजिए।

L = 2.5 mE = 200 GPa (स्टील)d = 40 mm

P_cr = kN

14.स्तंभ बकलिंगकठिन

स्टील से बना L लंबाई का एक ठोस गोल स्तंभ दोनों सिरों पर जड़ित है। इसे बकलिंग के विरुद्ध 3 के सुरक्षा गुणक के साथ 115 kN वहन करना है। न्यूनतम व्यास d ज्ञात कीजिए।

P = 115 kNn = 3L = 3 mE = 200 GPa (स्टील)

d = mm

3विलयन

1.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: P = 74.62 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

A₁ = 490.9 mm², A₂ = 2827 mm²

नम्यताएँ

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·490.9) = 6.112 × 10⁻⁶ mm/N

L₂/(E₂A₂) = 200/(120000·2827) = 5.895 × 10⁻⁷ mm/N

भार

P = 0.5/6.701 × 10⁻⁶ = 74616 N = 74.62 kN

उत्तर

P = 74.62 kN

2.अक्षीय प्रतिबल और विकृति

उत्तर: σ₂ = 10.75 MPa

कठोरताएँ

k₁ = 200000·490.9/400 = 245437 N/mm

k₂ = 110000·2827/400 = 777544 N/mm

खंड 2 का हिस्सा

F₂ = 40000·777544/1.023 × 10⁶ = 30403 N

प्रतिबल

σ₂ = 30403/2827 = 10.75 MPa (संपीडन)

उत्तर

σ₂ = 10.75 MPa

3.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: φ = 10.13 °

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·30⁴/32 = 79522 mm⁴

मरोड़ कोण

φ = TL/(GJ) = 750·1000·1500/(80000·79522) = 0.1768 rad

φ = 0.1768·180/π = 10.13°

उत्तर

φ = 10.13°

4.शाफ़्ट का मरोड़

उत्तर: d = 20.09 mm

बलाघूर्ण

ω = 2πN/60 = 2π·750/60 = 78.54 rad/s

T = P/ω = 10000/78.54 = 127.3 N·m

अनुमेय प्रतिबल से व्यास

d = ∛(16T/(π·τ_allow)) = ∛(16·127324/(π·80)) = 20.09 mm

उत्तर

d = 20.09 mm

व्यवहार में आप अगले मानक आकार तक पूर्णांकित करेंगे।

5.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: D (x = 6 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 = 32.5 kN, R₂ = 32.5 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 = 65, M_C = 130, M_D = 175 kN·m, M_E = 130, M_F = 65, M_G = 0

उत्तर

चिह्न D: M_D = 175 kN·m

6.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: F (x = 10 m)

आलंब प्रतिक्रियाएँ

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

R₁ = 20 kN, R₂ = 85 kN

हर चिह्न पर बंकन आघूर्ण

M_A = 0, M_B = 30, M_C = 40, M_D = 30, M_E = −20, M_F = −90 kN·m, M_G = 0

उत्तर

चिह्न F: M_F = −90 kN·m

7.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: I_x = 63.99 × 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 = 300·10 = 3000 mm², y_f = 260 + 10/2 = 265 mm

वेब: A_w = 20·260 = 5200 mm², y_w = 260/2 = 130 mm

केंद्रक

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (3000·265 + 5200·130)/8200 = 179.4 mm

समांतर अक्ष प्रमेय

फ़्लेंज: 300·10³/12 + 3000·(265 − 179.4)² = 2.201 × 10⁷ mm⁴

वेब: 20·260³/12 + 5200·(130 − 179.4)² = 4.198 × 10⁷ mm⁴

I_x = 2.201 × 10⁷ + 4.198 × 10⁷ = 6.399 × 10⁷ mm⁴ = 63.99 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_x = 63.99 × 10⁶ mm⁴

8.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: I_x = 274.4 × 10⁶ mm⁴

तीन आयतों में बाँटें

हर y को निचले किनारे से मापें।

ऊपरी फ़्लेंज: A = 2400 mm², y = 378 mm

वेब: A = 2800 mm², y = 195 mm

निचला फ़्लेंज: A = 6000 mm², y = 10 mm

केंद्रक

ȳ = (2400·378 + 2800·195 + 6000·10)/11200 = 135.1 mm

समांतर अक्ष प्रमेय

ऊपरी फ़्लेंज: 150·16³/12 + 2400·242.9² = 1.416 × 10⁸ mm⁴

वेब: 8·350³/12 + 2800·59.89² = 3.863 × 10⁷ mm⁴

निचला फ़्लेंज: 300·20³/12 + 6000·125.1² = 9.411 × 10⁷ mm⁴

I_x = 1.416 × 10⁸ + 3.863 × 10⁷ + 9.411 × 10⁷

I_x = 2.744 × 10⁸ mm⁴ = 274.4 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_x = 274.4 × 10⁶ mm⁴

9.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_max = 36.06 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।

मोर वृत्त की त्रिज्या

τ_max = R = √(((10 − 50)/2)² + −30²) = 36.06 MPa

उत्तर

τ_max = 36.06 MPa

10.मोर वृत्त और प्रतिबल रूपांतरण

उत्तर: τ_θ = −12.75 MPa

रूपांतरण समीकरण

τ_θ = −20·0.9848 + 40·0.1736 = −12.75 MPa

उत्तर

τ_θ = −12.75 MPa

11.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_max = 1.327 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 = 12 N/mm, L = 2500 mm

EI = 4.6 × 10¹² N·mm²

विक्षेप

δ_max = 5wL⁴/(384EI) = 5·12·2500⁴/(384·4.6 × 10¹²) = 1.327 mm

उत्तर

δ_max = 1.327 mm

12.बीम विक्षेप

उत्तर: δ_max = 3.161 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 = 23000 N, w = 4 N/mm, L = 1500 mm, EI = 5.95 × 10¹¹ N·mm²

हर भार अलग से

δ_P = PL³/(48EI) = 23000·1500³/(48·5.95 × 10¹¹) = 2.718 mm

δ_w = 5wL⁴/(384EI) = 5·4·1500⁴/(384·5.95 × 10¹¹) = 0.4431 mm

जोड़ें

δ_max = 2.718 + 0.4431 = 3.161 mm

उत्तर

δ_max = 3.161 mm

13.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: P_cr = 39.69 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

प्रभावी लंबाई

KL = 1·2500 = 2500 mm

क्रांतिक भार

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·125664/2500² = 39688 N = 39.69 kN

उत्तर

P_cr = 39.69 kN

14.स्तंभ बकलिंग

उत्तर: d = 53.2 mm

आवश्यक क्रांतिक भार

P_cr = n·P = 3·115000 = 345000 N

KL = 0.5·3000 = 1500 mm

व्यास के लिए हल करें

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·345000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 53.2 mm

उत्तर

d = 53.2 mm

जाँच: तनुता KL/r = 112.8 है, इसलिए स्तंभ पतला है और ऑयलर लागू होता है।

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