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

एक स्थिर बल F = (20, 15, −15) N किसी वस्तु पर कार्य करता है जब वह बिंदु A(−1, 1, 2) से बिंदु B(−3, −2, 5) तक सीधी रेखा में चलती है। निर्देशांक मीटर में हैं। बल द्वारा किया गया कार्य W ज्ञात कीजिए।

F = (20, 15, −15) NA(−1, 1, 2) mB(−3, −2, 5) m

W = J

2.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफलकठिन

a = (−6, 6, 1) और b = (4, 3, 0) द्वारा बने समांतर चतुर्भुज का क्षेत्रफल A ज्ञात कीजिए।

a = (−6, 6, 1)b = (4, 3, 0)

A =

3.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँमध्यम

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

L = 4 mP₁ = 30 kN पर 2 mP₂ = 20 kN पर 3 m

R_B = kN

4.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँकठिन

L = 10 mP = 40 kN पर 7 mw = 5 kN/m, 7 से 10 m तक

R_B = kN

5.ट्रस: जोड़ विधिमध्यम

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।

B: 35 kN ↓C: 20 kN ↓D: 20 kN ↓H: 25 kN ↓

1सदस्य AB
2सदस्य BC
3सदस्य CD
4सदस्य DE
5सदस्य FG
6सदस्य GH
7सदस्य AF
8सदस्य HE
9सदस्य BF
10सदस्य CG
11सदस्य DH
12सदस्य FC
13सदस्य HC

6.ट्रस: जोड़ विधिकठिन

C: 25 kN ↓D: 40 kN ↓F: 40 kN ↓G: 40 kN ↓H: 35 kN ↓H: 30 kN ←

1सदस्य AB
2सदस्य BC
3सदस्य CD
4सदस्य DE
5सदस्य FG
6सदस्य GH
7सदस्य AF
8सदस्य HE
9सदस्य BF
10सदस्य CG
11सदस्य DH
12सदस्य FC
13सदस्य HC

7.फ़्रेम और मशीनेंमध्यम

दिखाया गया बेल क्रैंक पिन O के परितः घूमता है। A पर (150 mm पर O से) 250 N का ऊर्ध्वाधर बल B पर (120 mm O से ऊपर) क्षैतिज बल से संतुलित है। पिन प्रतिक्रिया F_O का परिमाण ज्ञात कीजिए।

F = 250 NOA = 150 mmOB = 120 mm

F_O = N

8.फ़्रेम और मशीनेंकठिन

एक टॉगल प्रेस में दो बराबर कड़ियाँ AB और BC हैं, हर एक पिनों के बीच 100 mm लंबी। जोड़ B रेखा AC से 8 mm ऊपर है। B पर कौन-सा नीचे की ओर बल F स्लाइडर C पर 5000 N का क्षैतिज दबाव बल उत्पन्न करता है? घर्षण और भारों की उपेक्षा करें।

Q = 5000 NAB = BC = 100 mmh = 8 mm

F = N

9.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णमध्यम

कैंटिलीवर A पर स्थिर है। यह अपनी पूरी लंबाई पर समान वितरित भार w और A से 3 m पर बिंदु भार P वहन करता है। स्थिर आलंब A पर बंकन आघूर्ण M_A ज्ञात कीजिए। सैगिंग आघूर्णों को और बाएँ फलक पर ऊपर की ओर अपरूपण को धनात्मक लें।

L = 3 mP = 65 kN पर 3 mw = 3 kN/m, 0 से 3 m तक

M_A = kN·m

10.अपरूपण बल और बंकन आघूर्णकठिन

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 @ 0 m55 kN @ 6 m10 kN @ 3 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)

11.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णमध्यम

T-खंड का उसके केंद्रक से होकर क्षैतिज अक्ष x के परितः जड़त्व आघूर्ण I_x ज्ञात कीजिए।

b_f = 260 mmt_f = 25 mmt_w = 14 mmh_w = 160 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.केंद्रक और जड़त्व आघूर्णकठिन

T-खंड ऊपर फ़्लेंज के साथ बीम के रूप में उपयोग होता है और 20 kN·m का धनात्मक बंकन आघूर्ण वहन करता है। ऊपरी किनारे पर बंकन प्रतिबल σ_ऊपर का परिमाण ज्ञात कीजिए।

b_f = 240 mmt_f = 20 mmt_w = 16 mmh_w = 160 mmM = 20 kN·m

σ_ऊपर = MPa

3विलयन

1.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

उत्तर: W = −130 J

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.

विस्थापन

d = B − A = (−3, −2, 5) − (−1, 1, 2) = (−2, −3, 3) m

कार्य

W = F·d = 20·(−2) + 15·(−3) + (−15)·3 = −130 J

उत्तर

W = −130 J

ऋणात्मक कार्य: बल अधिकांशतः गति के विरुद्ध कार्य करता है।

2.सदिश: अदिश और सदिश गुणनफल

उत्तर: A = 42.3

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

(a × b)_x = a_yb_z − a_zb_y = 6·0 − 1·3 = −3

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = 1·4 − (−6)·0 = 4

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = (−6)·3 − 6·4 = −42

क्षेत्रफल

A = |a × b| = √((−3)² + 4² + (−42)²) = 42.3

उत्तर

A = 42.3

3.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = 30 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·4 = 30·2 + 20·3

R_B = 120/4 = 30 kN

ΣF_y = 0: R_A = 50 − 30 = 20 kN

उत्तर

R_B = 30 kN

4.बीम आलंब प्रतिक्रियाएँ

उत्तर: R_B = 40.75 kN

मुक्त-पिंड आरेख

संतुलन

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

वितरित भार का परिणामी: W = w·ℓ = 5·3 = 15 kN, x̄ = 8.5 m पर कार्य करता है

ΣM_A = 0: R_B·10 = 40·7 + 5·3·8.5

R_B = 407.5/10 = 40.75 kN

ΣF_y = 0: R_A = 55 − 40.75 = 14.25 kN

उत्तर

R_B = 40.75 kN

5.ट्रस: जोड़ विधि

उत्तर: सदस्य CG

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 G

FG और GH 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 → F_CG = 0

संधि विधि से जाँचें

सभी संधियाँ हल करने पर ये सदस्य बल मिलते हैं (T = तनाव, C = संपीड़न)।

AB: 35.63 kN (T), BC: 35.63 kN (T), CD: 39.37 kN (T), DE: 39.37 kN (T), FG: 45 kN (C), GH: 45 kN (C), AF: 59.38 kN (C), HE: 65.62 kN (C), BF: 35 kN (T), CG: 0, DH: 20 kN (T), FC: 15.63 kN (T), HC: 9.375 kN (T)

उत्तर

शून्य-बल सदस्य: CG

6.ट्रस: जोड़ विधि

उत्तर: सदस्य BF

संधि B

AB और BC एक सीधी रेखा में हैं और संधि पर कोई भार नहीं है। उस रेखा के आर-पार बलों को संतुलित करने पर केवल BF बचता है।

ΣF⊥ = 0 → F_BF = 0

संधि विधि से जाँचें

सभी संधियाँ हल करने पर ये सदस्य बल मिलते हैं (T = तनाव, C = संपीड़न)।

AB: 58.75 kN (T), BC: 58.75 kN (T), CD: 91.25 kN (T), DE: 91.25 kN (T), FG: 137.5 kN (C), GH: 137.5 kN (C), AF: 125.5 kN (C), HE: 129 kN (C), BF: 0, CG: 40 kN (C), DH: 40 kN (T), FC: 68.94 kN (T), HC: 22.98 kN (T)

उत्तर

शून्य-बल सदस्य: BF

7.फ़्रेम और मशीनें

उत्तर: F_O = 400.2 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।

B पर बल

Q = 250·150/120 = 312.5 N

पिन प्रतिक्रिया

O_x = 312.5 N, O_y = 250 N

F_O = √(312.5² + 250²) = 400.2 N

उत्तर

F_O = 400.2 N

8.फ़्रेम और मशीनें

उत्तर: F = 802.6 N

कड़ी का कोण

sin θ = 8/100 = 0.08, θ = 4.589°

कड़ी का बल

F_link = Q/cos θ = 5016 N

B पर बल

F = 2·F_link·sin θ = 2·5000·tan θ = 802.6 N

उत्तर

F = 802.6 N

9.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: M_A = −208.5 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: −65·3 = −195 kN·m

w: −3·3²/2 = −13.5 kN·m

M_A = −195 − 13.5 = −208.5 kN·m

उत्तर

M_A = −208.5 kN·m

ऋणात्मक का अर्थ है हॉगिंग: ऊपरी फलक पर तनाव।

10.अपरूपण बल और बंकन आघूर्ण

उत्तर: F (x = 5 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 = 22.5 kN, R₂ = 67.5 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 = −25, M_C = −27.5, M_D = −30, M_E = −42.5, M_F = −55 kN·m, M_G = 0

उत्तर

चिह्न F: M_F = −55 kN·m

11.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: I_x = 19.37 × 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 = 260·25 = 6500 mm², y_f = 160 + 25/2 = 172.5 mm

वेब: A_w = 14·160 = 2240 mm², y_w = 160/2 = 80 mm

केंद्रक

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (6500·172.5 + 2240·80)/8740 = 148.8 mm

समांतर अक्ष प्रमेय

फ़्लेंज: 260·25³/12 + 6500·(172.5 − 148.8)² = 3.992 × 10⁶ mm⁴

वेब: 14·160³/12 + 2240·(80 − 148.8)² = 1.538 × 10⁷ mm⁴

I_x = 3.992 × 10⁶ + 1.538 × 10⁷ = 1.937 × 10⁷ mm⁴ = 19.37 × 10⁶ mm⁴

उत्तर

I_x = 19.37 × 10⁶ mm⁴

12.केंद्रक और जड़त्व आघूर्ण

उत्तर: σ_ऊपर = 43.15 MPa

दो आयतों में बाँटें

हर y को निचले किनारे से मापें।

फ़्लेंज: A_f = 240·20 = 4800 mm², y_f = 160 + 20/2 = 170 mm

वेब: A_w = 16·160 = 2560 mm², y_w = 160/2 = 80 mm

केंद्रक

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (4800·170 + 2560·80)/7360 = 138.7 mm

समांतर अक्ष प्रमेय

फ़्लेंज: 240·20³/12 + 4800·(170 − 138.7)² = 4.864 × 10⁶ mm⁴

वेब: 16·160³/12 + 2560·(80 − 138.7)² = 1.428 × 10⁷ mm⁴

I_x = 4.864 × 10⁶ + 1.428 × 10⁷ = 1.914 × 10⁷ mm⁴

बंकन प्रतिबल

ऊपरी किनारा अक्ष से h − ȳ दूर है।

y = 180 − 138.7 = 41.3 mm

σ = M·y/I = 2 × 10⁷·41.3/1.914 × 10⁷ = 43.15 MPa

उत्तर

σ_ऊपर = 43.15 MPa

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