स्थैतिकी: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 12 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

परिमाण: |a| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
इकाई सदिश: û = a/|a|
कोण से घटक: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
अदिश गुणनफल: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
b पर a का अदिश प्रक्षेप: a·b/|b|
कार्य: W = F·d
सदिश गुणनफल: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
क्षेत्रफल: समांतर चतुर्भुज |a × b|, त्रिभुज ½|a × b|
O के परितः आघूर्ण: M_O = 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: ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 ΣF_y = 0 का उपयोग करें, और दूसरे आघूर्ण समीकरण से जाँचें।

ट्रस: जोड़ विधि

संधि विधि: ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 ΣF_x = 0 तथा ΣF_y = 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: ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 = √(F_x² + F_y²)
उत्तोलक, प्लायर, बेल क्रैंक: F_in·a = F_out·b
टॉगल: F_link = 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 ΣF_x = 0 और ΣF_y = 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/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)

2अभ्यास प्रश्न

1.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफलमध्यम

b = (−3, 4, 3) पर a = (−4, −1, 6) का अदिश प्रक्षेप comp_b a, अर्थात b की दिशा में a का घटक, ज्ञात कीजिए।

a = (−4, −1, 6)b = (−3, 4, 3)

comp_b a =

2.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफलकठिन

a = (−2, −6, −6) और b = (−6, 3, −2) के लिए सदिश गुणनफल a × b का y-घटक (a × b)_y ज्ञात कीजिए।

a = (−2, −6, −6)b = (−6, 3, −2)

(a × b)_y =

3.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँमध्यम

सरल आलंबित बीम में A पर पिन और B पर रोलर है। ऊर्ध्वाधर आलंब प्रतिक्रिया R_A ज्ञात कीजिए।

L = 5 mP₁ = 50 kN पर 1.5 mP₂ = 55 kN पर 4 m

R_A = kN

4.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन

सरल आलंबित बीम में A पर पिन और B पर रोलर है। ऊर्ध्वाधर आलंब प्रतिक्रिया R_B ज्ञात कीजिए।

L = 5 mP = 30 kN पर 2.5 mw = 10 kN/m, 1 से 4 m तक

R_B = kN

5.ट्रस: जोड़ विधिमध्यम

जोड़ विधि से अवयव AB में बल F_AB ज्ञात कीजिए। तनाव को धनात्मक और संपीडन को ऋणात्मक दें।

विस्तार = 6 mऊँचाई = 4 mB, A से 4 m पर हैऊर्ध्वाधर भार = 25 kN

F_AB = kN

6.ट्रस: जोड़ विधिकठिन

विस्तार = 8 mऊँचाई = 2 mB, A से 3 m पर हैऊर्ध्वाधर भार = 25 kNक्षैतिज भार = 20 kN ←

F_AB = kN

7.फ़्रेम और मशीनेंमध्यम

दिखाए गए टॉगल क्लैंप में दो बराबर कड़ियाँ AB और BC, B पर पिन से जुड़ी हैं, और हर एक रेखा AC से 15° बनाती है। B पर 100 N का नीचे की ओर बल लगाया जाता है। स्लाइडर C कार्य-खंड को दबाता है। घर्षण और भारों की उपेक्षा करते हुए क्षैतिज जकड़ने वाला बल Q ज्ञात कीजिए।

F = 100 Nθ = 15°

Q = N

8.फ़्रेम और मशीनेंकठिन

1 kN भार की एक एकसमान क्षैतिज बूम AB दीवार में A पर पिन से जुड़ी है और अपने सिरे B से दीवार पर बिंदु C तक एक केबल से थमी है, जो A से 1.5 m ऊपर है। B पर 5 kN का भार लटका है। केबल में तनाव T ज्ञात कीजिए।

W = 5 kNW_b = 1 kNAB = 3 mAC = 1.5 m

T = kN

9.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।

10 kN @ 5 m5 kN/m, 0–4 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)

10.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

आलंब A से x = 1 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 = 4 mP = 60 kN पर 1.5 mw = 5 kN/m, 0 से 4 m तकx = 1 m

M_x = kN·m

11.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णमध्यम

एक खोखले आयताकार (बॉक्स) खंड की बाहरी चौड़ाई B = 100 mm, बाहरी ऊँचाई H = 325 mm और एकसमान दीवार मोटाई t = 8 mm है। क्षैतिज केंद्रकीय अक्ष के परितः उसकी परिभ्रमण त्रिज्या r ज्ञात कीजिए।

B = 100 mmH = 325 mmt = 8 mm

r = mm

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 M_allow ज्ञात कीजिए (उसका परिमाण दें)।

b_f = 280 mmt_f = 20 mmt_w = 18 mmh_w = 260 mmσ_t,allow = 50 MPaσ_c,allow = 150 MPa

M_allow = kN·m

3विलयन

1.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

उत्तर: comp_b a = 4.459

Dot product: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |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)·(−3) + (−1)·4 + 6·3 = 26

b की लंबाई

|b| = √((−3)² + 4² + 3²) = 5.831

अदिश प्रक्षेप

comp_b a = a·b/|b| = 26/5.831 = 4.459

उत्तर

comp_b a = 4.459

2.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

उत्तर: (a × b)_y = 32

Cross product: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) 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 M_O = r × F, with r = A − O.

सदिश गुणनफल, घटक-दर-घटक

(a × b)_x = a_yb_z − a_zb_y = (−6)·(−2) − (−6)·3 = 30

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = (−6)·(−6) − (−2)·(−2) = 32

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = (−2)·3 − (−6)·(−6) = −42

पूछा गया घटक

(a × b)_y = 32

उत्तर

(a × b)_y = 32

जाँच: a × b दोनों सदिशों के लंबवत है, इसलिए a और b के साथ इसका अदिश गुणनफल शून्य है।

3.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_A = 46 kN

स्थैतिक संतुलन: स्थिर वस्तु के लिए किसी भी बिंदु के परितः ΣF_x = 0, ΣF_y = 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।

ΣM_A = 0: R_B·5 = 50·1.5 + 55·4

R_B = 295/5 = 59 kN

ΣF_y = 0: R_A = 105 − 59 = 46 kN

उत्तर

R_A = 46 kN

4.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = 30 kN

मुक्त-पिंड आरेख

संतुलन

A के परितः आघूर्ण, वामावर्त धनात्मक। फिर ऊर्ध्वाधर बल संतुलन।

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 10·3 = 30 kN, x̄ = 2.5 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·5 = 30·2.5 + 10·3·2.5

R_B = 150/5 = 30 kN

ΣF_y = 0: R_A = 60 − 30 = 30 kN

उत्तर

R_B = 30 kN

5.ट्रस: जोड़ विधि

उत्तर: F_AB = −11.79 kN

जोड़ विधि: ट्रस का हर जोड़ संतुलन में है, इसलिए हर जोड़ पर ΣF_x = 0 और ΣF_y = 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।

ΣM_A = 0: C_y·6 = 25·4 → C_y = 16.67 kN

ΣF_y = 0: A_y = 25 − 16.67 = 8.333 kN

जोड़ A

मानें कि हर अवयव तनाव में है (जोड़ से दूर खींचता है)। A पर केवल AB का ऊर्ध्वाधर घटक है।

sin α = 4/5.657 = 0.7071

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −8.333/0.7071 = −11.79 kN

उत्तर

F_AB = −11.79 kN (संपीडन)

6.ट्रस: जोड़ विधि

उत्तर: F_AB = −37.18 kN

आलंब प्रतिक्रियाएँ

पूरे ट्रस का संतुलन। A के परितः आघूर्ण, वामावर्त धनात्मक।

ΣM_A = 0: C_y·8 = 25·3 − 20·2 → C_y = 4.375 kN

ΣF_y = 0: A_y = 25 − 4.375 = 20.63 kN

ΣF_x = 0: A_x = 20 kN

जोड़ A

sin α = 2/3.606 = 0.5547

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −20.63/0.5547 = −37.18 kN

उत्तर

F_AB = −37.18 kN (संपीडन)

7.फ़्रेम और मशीनें

उत्तर: Q = 186.6 N

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 F_in·a = F_out·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।

पिन B का संतुलन

2·F_link·sin 15° = 100

F_link = 193.2 N

जकड़ने वाला बल

Q = F_link·cos 15° = 100/(2·tan 15°) = 186.6 N

उत्तर

Q = 186.6 N

बल अनुपात Q/F = 1.866 कड़ियों के सीधे होने पर असीमित रूप से बढ़ता है।

8.फ़्रेम और मशीनें

उत्तर: T = 12.3 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 ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 और ΣM = 0 लिखें। किसी पिन के परितः आघूर्ण लेने से समीकरण से उस पिन बल के दोनों घटक हट जाते हैं।

केबल का कोण

BC = √(3² + 1.5²) = 3.354 m, sin β = 0.4472

A के परितः आघूर्ण

T·0.4472·3 = 5·3 + 1·1.5

T = 12.3 kN

उत्तर

T = 12.3 kN

9.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: D (x = 3 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 = 15 kN, R₂ = 15 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 = 12.5, M_C = 20, M_D = 22.5 kN·m, M_E = 20, M_F = 15, M_G = 0

उत्तर

चिह्न D: M_D = 22.5 kN·m

10.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_x = 45 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 = 5·4 = 20 kN, x̄ = 2 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·4 = 60·1.5 + 5·4·2

R_B = 130/4 = 32.5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 80 − 32.5 = 47.5 kN

x = 1 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 = 47.5·1 − 5·1·0.5 = 45 kN·m

उत्तर

M_x = 45 kN·m

11.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: r = 110.2 mm

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। परिभ्रमण त्रिज्या r = √(I/A) वह दूरी है जिस पर पूरा क्षेत्रफल वही I देगा; इसका उपयोग स्तंभ आकुंचन में होता है।

शुद्ध क्षेत्रफल और क्षेत्रफल का द्वितीय आघूर्ण

b = 84 mm, h = 309 mm

A = BH − bh = 100·325 − 84·309 = 6544 mm²

I = (BH³ − bh³)/12 = 7.954 × 10⁷ mm⁴

परिभ्रमण त्रिज्या

r = √(I/A) = √(7.954 × 10⁷/6544) = 110.2 mm

उत्तर

r = 110.2 mm

12.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: M_allow = 51.89 kN·m

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।

केंद्रक

ȳ = (5600·270 + 4680·130)/10280 = 206.3 mm

ऊपरी कोर: c = 280 − 206.3 = 73.74 mm

क्षेत्र का द्वितीय आघूर्ण

I = 280·20³/12 + 5600·63.74² + 18·260³/12 + 4680·76.26² = 7.652 × 10⁷ mm⁴

हर कोर द्वारा अनुमत आघूर्ण

हॉगिंग: ऊपरी भाग तनाव में, निचला भाग संपीडन में।

ऊपरी कोर: M = 50·7.652 × 10⁷/73.74 = 51.89 kN·m

निचली कोर: M = 150·7.652 × 10⁷/206.3 = 55.65 kN·m

निर्णायक मान

M_allow = min = 51.89 kN·m (ऊपरी कोर)

उत्तर

M_allow = 51.89 kN·m

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