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1सूत्र और विधियाँ
सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल
परिमाण
|a| = √(ax² + ay² + az²)
इकाई सदिश
û = a/|a|
कोण से घटक
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
अदिश गुणनफल
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
b पर a का अदिश प्रक्षेप
a·b/|b|
कार्य
W = F·d
सदिश गुणनफल
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
क्षेत्रफल
समांतर चतुर्भुज |a × b|, त्रिभुज ½|a × b|
O के परितः आघूर्ण
MO = r × F, r = A − O
समांतर षट्फलक का आयतन
V = |a·(b × c)|
विधि
हर सदिश को घटकों में लिखें; परिमाण और कोण से दिए गए बल के लिए F·cos θ और F·sin θ का उपयोग करें।
लंबाइयों और दिशाओं के लिए परिमाण √(x² + y² + z²) और इकाई सदिश a/|a| का उपयोग करें।
कोणों, प्रक्षेपों, लंबवतता और कार्य के लिए अदिश गुणनफल का उपयोग करें: a·b = |a||b|cos θ।
लंबवत सदिशों, क्षेत्रफलों और आघूर्णों के लिए सदिश गुणनफल का उपयोग करें: क्रम a × b बनाए रखते हुए तीनों घटक ध्यान से लिखें।
बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ
संतुलन
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
एकसमान भार
परिणामी w·L भार के मध्य में
आघूर्ण
M = F·d
विधि
मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ और हर आलंब को उसकी प्रतिक्रियाओं से बदलें।
हर वितरित भार को उसके केंद्रक पर एक अकेले बल से बदलें।
एक आलंब के परितः आघूर्ण लेकर दूसरे की प्रतिक्रिया ज्ञात करें।
शेष प्रतिक्रिया ज्ञात करने के लिए ΣFy = 0 का उपयोग करें, और दूसरे आघूर्ण समीकरण से जाँचें।
ट्रस: जोड़ विधि
संधि विधि
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
खंड विधि
ΣM = 0 about a cut point
अवयव बल
धनात्मक = तनाव, ऋणात्मक = संपीडन
विधि
पूरे ट्रस की आलंब प्रतिक्रियाएँ ज्ञात करें।
संधि विधि: ऐसी संधि से शुरू करें जिस पर अधिकतम दो अज्ञात सदस्य बल हों, और ΣFx = 0 तथा ΣFy = 0 का उपयोग करें।
खंड विधि: आवश्यक सदस्य से होकर काटें और उस बिंदु के परितः आघूर्ण लें जहाँ अन्य अज्ञात सदस्य मिलते हैं।
तनाव मानें; ऋणात्मक उत्तर का अर्थ है संपीडन।
फ़्रेम और मशीनें
हर अवयव का संतुलन
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
द्वि-बल अवयव
इसके दोनों पिनों से गुज़रने वाली रेखा के अनुदिश बल
पिन बल
जोड़े गए दोनों अवयवों पर समान और विपरीत
पिन बल का परिमाण
F = √(Fx² + Fy²)
उत्तोलक, प्लायर, बेल क्रैंक
Fin·a = Fout·b
टॉगल
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
एकसमान भार
परिणामी w·L भार के मध्य में
विधि
पूरी संरचना बनाएँ और, यदि अज्ञात तीन से अधिक न हों, तो आलंब प्रतिक्रियाएँ ज्ञात करें।
द्वि-बल अवयव पहचानें: केवल दो पिनों पर भारित, उनका बल दोनों पिनों के बीच की रेखा के अनुदिश लगता है।
फ़्रेम को अलग-अलग करें और हर अवयव को अकेले बनाएँ, जहाँ अवयव मिलते हैं वहाँ समान और विपरीत पिन बल रखें।
हर अवयव के लिए किसी ऐसे पिन के परितः आघूर्ण लें जहाँ अज्ञात बल लगते हैं, फिर ΣFx = 0 और ΣFy = 0 उपयोग करें; अंत में घटकों को मिलाकर परिमाण निकालें।
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/ymax
सरल आधारित, एकसमान भार
Mmax = 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 = ΣAiyi/ΣAi
आयत
I = bh³/12
समांतर अक्ष प्रमेय
I = Ic + A·d²
संयुक्त खंड
I = Σ(Ic,i + Aidi²)
2अभ्यास प्रश्न
1.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफलमध्यम
b = (−4, −2, 5) पर a = (4, −1, 6) का अदिश प्रक्षेप compb a, अर्थात b की दिशा में a का घटक, ज्ञात कीजिए।
a = (4, −1, 6)b = (−4, −2, 5)
compb a =
2.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफलकठिन
इकाई सदिश n̂, a = (−5, 5, 3) और b = (1, 4, −4) दोनों के लंबवत है और उसका z-घटक धनात्मक है। इसका y-घटक n̂y ज्ञात कीजिए।
a = (−5, 5, 3)b = (1, 4, −4)n̂z > 0
n̂y =
3.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँमध्यम
सरल आलंबित बीम में A पर पिन और B पर रोलर है। ऊर्ध्वाधर आलंब प्रतिक्रिया RA ज्ञात कीजिए।
L = 8 mP1 = 50 kN पर 3 mP2 = 45 kN पर 6 m
RA = kN
4.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन
एक संयुक्त बीम A पर दीवार में स्थिर है, C पर (A से 3.5 m) एक आंतरिक कब्ज़ा (हिंज) है और D पर (A से 6 m) रोलर पर टिका है। यह A से 5.5 m पर बिंदु भार P, पूरे भाग CD पर समान वितरित भार w और A से 2.5 m पर बिंदु भार Q वहन करता है। दीवार पर प्रतिक्रिया आघूर्ण MA का परिमाण ज्ञात कीजिए।
AC = 3.5 mAD = 6 mP = 70 kN पर 5.5 mw = 5 kN/m, 3.5 से 6 m तकQ = 70 kN पर 2.5 m
MA = kN·m
5.ट्रस: जोड़ विधिमध्यम
जोड़ विधि से अवयव AC में बल FAC ज्ञात कीजिए। तनाव को धनात्मक और संपीडन को ऋणात्मक दें।
विस्तार = 4 mऊँचाई = 4 mB, A से 3 m पर हैऊर्ध्वाधर भार = 10 kN
FAC = kN
6.ट्रस: जोड़ विधिकठिन
इस ट्रस का ठीक एक सदस्य इन भारों के अंतर्गत कोई बल वहन नहीं करता। शून्य-बल सदस्य कौन-सा है? उसे आरेख में क्लिक करें।
दिखाया गया बेल क्रैंक पिन O के परितः घूमता है। A पर (150 mm पर O से) 50 N का ऊर्ध्वाधर बल B पर (120 mm O से ऊपर) क्षैतिज बल से संतुलित है। पिन प्रतिक्रिया FO का परिमाण ज्ञात कीजिए।
F = 50 NOA = 150 mmOB = 120 mm
FO = N
8.फ़्रेम और मशीनेंकठिन
दिखाया गया A-फ़्रेम A पर पिन और B पर रोलर पर खड़ा है, जो 3 m दूर हैं। पाए पिन C पर मिलते हैं, जो 3.6 m ऊँचा है, और 0.8 m पर क्षैतिज छड़ DE से बँधे हैं। C पर दाईं ओर 6 kN का क्षैतिज बल लगता है। टाई में तनाव T ज्ञात कीजिए।
P = 6 kNAB = 3 mC की ऊँचाई = 3.6 mDE की ऊँचाई = 0.8 m
T = kN
9.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम
कैंटिलीवर A पर स्थिर है। यह अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w और A से 2.5 m पर बिंदु भार P वहन करता है। स्थिर आलंब A पर बंकन आघूर्ण MA ज्ञात कीजिए। सैगिंग आघूर्णों को और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण को धनात्मक लें।
L = 3 mP = 70 kN पर 2.5 mw = 6 kN/m, 0 से 3 m तक
MA = kN·m
10.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन
बीम A पर पिन और B पर रोलर पर टिका है और B से आगे 1 m मुक्त सिरे C तक ओवरहैंग करता है। पूरी लंबाई A–C पर समान वितरित भार w कार्य करता है। आलंबों के बीच अधिकतम सैगिंग बंकन आघूर्ण Mmax ज्ञात कीजिए।
L = 6 mw = 3 kN/m, 0 से 6 m तकआलंब x = 0 और x = 5 m पर
Mmax = kN·m
11.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णमध्यम
एक सममित I-खंड के फ़्लेंज 180 mm चौड़े और 16 mm मोटे हैं, कुल गहराई 280 mm है और वेब 6 mm मोटा है। क्षैतिज केंद्रकीय अक्ष x के परितः उसका क्षेत्रफल का द्वितीय आघूर्ण Ix ज्ञात कीजिए।
B = 180 mmH = 280 mmtf = 16 mmtw = 6 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णकठिन
एक ढलवाँ लोहे के बीम का T-खंड चित्र जैसा है, फ़्लेंज ऊपर। स्वीकार्य प्रतिबल तनाव में 50 MPa और संपीडन में 150 MPa हैं। बीम द्वारा वहन किया जा सकने वाला सबसे बड़ा हॉगिंग बंकन आघूर्ण Mallow ज्ञात कीजिए (उसका परिमाण दें)।
Dot product:a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.
अदिश गुणनफल
a·b = 4·(−4) + (−1)·(−2) + 6·5 = 16
b की लंबाई
|b| = √((−4)² + (−2)² + 5²) = 6.708
अदिश प्रक्षेप
compb a = a·b/|b| = 16/6.708 = 2.385
उत्तर
compb a = 2.385
2.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल
उत्तर: n̂y = 0.3862
Cross product:a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.
सदिश गुणनफल
(a × b)x = aybz − azby = 5·(−4) − 3·4 = −32
(a × b)y = azbx − axbz = 3·1 − (−5)·(−4) = −17
(a × b)z = axby − aybx = (−5)·4 − 5·1 = −25
इकाई रूप में लाएँ
a × b का z-घटक ऋणात्मक है, इसलिए −(a × b) का उपयोग करें।
स्थैतिक संतुलन: स्थिर वस्तु के लिए किसी भी बिंदु के परितः ΣFx = 0, ΣFy = 0 और ΣM = 0। एक आलंब के परितः आघूर्ण लेने से उस आलंब की प्रतिक्रिया समीकरण से हट जाती है।
मुक्त-पिंड आरेख
आलंबों को प्रतिक्रिया बलों से बदलें। रोलर एक ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया देता है; केवल ऊर्ध्वाधर भारों के साथ पिन भी एक ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया देता है।
संतुलन
A के परितः आघूर्ण, वामावर्त धनात्मक। फिर ऊर्ध्वाधर बल संतुलन।
ΣMA = 0: RB·8 = 50·3 + 45·6
RB = 420/8 = 52.5 kN
ΣFy = 0: RA = 95 − 52.5 = 42.5 kN
उत्तर
RA = 42.5 kN
4.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ
उत्तर: MA = 245.9 kN·m
स्थैतिक संतुलन: विराम में पिंड के लिए ΣFx = 0, ΣFy = 0 और किसी भी बिंदु के परितः ΣM = 0। हर वितरित भार को उसके परिणामी (उसका क्षेत्रफल) से बदलें जो भार आरेख के केंद्रक पर कार्य करता है, और किसी आलंब के परितः आघूर्ण लें ताकि उस आलंब की प्रतिक्रिया समीकरण से हट जाए। आंतरिक कब्ज़ा बंकन आघूर्ण वहन नहीं कर सकता, जिससे एक अतिरिक्त समीकरण मिलता है: किसी भी ओर के बलों का कब्ज़े के परितः आघूर्ण शून्य है।
भाग CD
कब्ज़े पर कोई आघूर्ण नहीं है, इसलिए केवल CD पर C के परितः आघूर्ण संतुलित होने चाहिए।
W = 5·2.5 = 12.5 kN पर 1.25 m से C
ΣMC = 0: RD·2.5 = 70·2 + 12.5·1.25
RD = 62.25 kN
VC = 82.5 − 62.25 = 20.25 kN
भाग AC
कब्ज़ा बल VC, AC पर नीचे की ओर कार्य करता है (CD पर उसकी क्रिया के बराबर और विपरीत)।
RA = 70 + 20.25 = 90.25 kN
MA = 70·2.5 + 20.25·3.5 = 245.9 kN·m
उत्तर
MA = 245.9 kN·m
5.ट्रस: जोड़ विधि
उत्तर: FAC = 1.875 kN
जोड़ विधि: ट्रस का हर जोड़ संतुलन में है, इसलिए हर जोड़ पर ΣFx = 0 और ΣFy = 0। उस जोड़ से शुरू करें जहाँ अधिकतम दो अज्ञात अवयव बल हों। ऋणात्मक परिणाम का अर्थ है कि अवयव संपीडन में है।
आलंब प्रतिक्रियाएँ
पूरे ट्रस का संतुलन। A के परितः आघूर्ण, वामावर्त धनात्मक।
ΣMA = 0: Cy·4 = 10·3 → Cy = 7.5 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 7.5 = 2.5 kN
जोड़ C
रोलर केवल ऊर्ध्वाधर प्रतिक्रिया देता है, इसलिए जोड़ C पर केवल दो अज्ञात अवयव बल हैं। दोनों को तनाव में मानें।
sin γ = 4/4.123 = 0.9701, cos γ = 1/4.123 = 0.2425
शून्य-बल सदस्य: किसी संधि पर बल हर दिशा में संतुलित होने चाहिए। यदि संधि पर कोई भार और आधार नहीं है, और उसके तीन सदस्यों में से दो एक सीध में हैं, तो उस रेखा के आर-पार का संतुलन केवल तीसरे सदस्य को शामिल करता है, इसलिए उसका बल शून्य है। यदि भाररहित संधि पर केवल दो सदस्य मिलते हैं और वे एक सीध में नहीं हैं, तो दोनों शून्य हैं।
संधि C
BC और CD एक सीधी रेखा में हैं और संधि पर कोई भार नहीं है। उस रेखा के आर-पार बलों को संतुलित करने पर केवल CG बचता है।
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
संधि विधि से जाँचें
सभी संधियाँ हल करने पर ये सदस्य बल मिलते हैं (T = तनाव, C = संपीड़न)।
मशीनें: प्लायर, उत्तोलक, लिंकेज और क्लैंप निवेश बल को बड़े या भिन्न दिशा वाले निर्गत बल में बदलते हैं। एक भाग को मुक्त पिंड के रूप में बनाएँ और उसके धुराग्र के परितः आघूर्ण लें: पिन बल हट जाता है, और Fin·a = Fout·b से यांत्रिक लाभ a/b मिलता है। फिर पिन बल उसी भाग पर ΣF = 0 से मिलता है। टॉगल में दो कड़ियाँ उथले कोण θ पर मिलती हैं; हर कड़ी द्वि-बल अवयव है, इसलिए जोड़ पर छोटा बल F कड़ियों में बड़े बल F/(2 sin θ) और जकड़ने वाले बल F/(2 tan θ) को जन्म देता है।
B पर बल
Q = 50·150/120 = 62.5 N
पिन प्रतिक्रिया
Ox = 62.5 N, Oy = 50 N
FO = √(62.5² + 50²) = 80.04 N
उत्तर
FO = 80.04 N
8.फ़्रेम और मशीनें
उत्तर: T = 3.857 kN
फ़्रेम और मशीनें: ट्रस के विपरीत, फ़्रेम में कम से कम एक अवयव दो से अधिक बिंदुओं पर बल वहन करता है, या उसके पिनों के बीच भार होता है। पहले द्वि-बल अवयव खोजें: केवल दो पिनों पर भारित अवयव का बल उन्हें जोड़ने वाली रेखा के अनुदिश होता है, इसलिए वह दो नहीं, एक अज्ञात जोड़ता है। फिर, यदि अज्ञात तीन से अधिक न हों, तो आलंब प्रतिक्रियाओं के लिए पूरी संरचना उपयोग करें। अंत में फ़्रेम को अलग करें: हर अवयव अलग बनाएँ, जहाँ दो अवयव जुड़ते हैं वहाँ पिन बल समान और विपरीत रखें, और उसके लिए ΣFx = 0, ΣFy = 0 और ΣM = 0 लिखें। किसी पिन के परितः आघूर्ण लेने से समीकरण से उस पिन बल के दोनों घटक हट जाते हैं।
पूरा फ़्रेम: A के परितः आघूर्ण
By·3 = 6·3.6
By = 7.2 kN
पाया BC: C के परितः आघूर्ण
7.2·1.5 = T·2.8
T = 3.857 kN
उत्तर
T = 3.857 kN
धनात्मक T का अर्थ है कि टाई तनाव में है, जैसा माना गया था।
9.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण
उत्तर: MA = −202 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: −70·2.5 = −175 kN·m
w: −6·3²/2 = −27 kN·m
MA = −175 − 27 = −202 kN·m
उत्तर
MA = −202 kN·m
ऋणात्मक का अर्थ है हॉगिंग: ऊपरी फलक पर तनाव।
10.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण
उत्तर: Mmax = 8.64 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 = 3·6 = 18 kN, x̄ = 3 m पर कार्य करता है
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 = Ic + 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 − tw) चौड़े और hw = H − 2tf ऊँचे हैं, और उनकी अक्ष x एक ही है।
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।