はりの支点反力
- つり合い
- ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
- 等分布荷重
- 合力 w·L は荷重の中央に作用
- モーメント
- M = F·d
解き方
- 自由体図を描き、各支点を反力に置き換えます。
- 分布荷重はそれぞれ、その図心に作用する 1 つの力に置き換えます。
- 一方の支点まわりのモーメントをとり、もう一方の支点反力を求めます。
- ΣFy = 0 を使って残りの反力を求め、もう 1 つのモーメントの式で確かめます。
公式集、全トピックの解法の要点、42 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。
単純ばりは A がピン支点、B がローラー支点である。鉛直支点反力 RB を求めよ。
単純ばりは A がピン支点、B がローラー支点である。鉛直支点反力 RB を求めよ。
鋼 の棒(直径 40 mm、E = 200 GPa)が、青銅 でできた管(外径 100 mm、内径 60 mm、E = 110 GPa)の中に入っています。どちらも長さ 300 mm で、剛な板の間で 250 kN によって一緒に圧縮されます。 縮み δ を求めなさい。
段付き棒は壁に固定され、自由端に荷重を受ける。棒の最大垂直応力 σmax を求めよ。
中空軸がトルク 200 N·m を受けなければならない。 内径は外径の 0.6 倍とし、せん断応力は 80 MPa を超えてはならない。最小の外径 do を求めよ。
直径 30 mm の黄銅製の中実軸が、両端 A と B で剛な壁に固定されている。A から 0.8 m、B から 1 m の C にトルク 200 N·m が作用する。 壁 A における反力トルク TA を求めよ。
単純ばりに 2 つの集中荷重が作用する。はりの最大曲げモーメント Mmax を求めよ。
点 A から G は、梁を 6 つの等しい部分に分けています。曲げモーメントの大きさが最大になるのは、正曲げでも負曲げでも、どの点ですか? 図でそれをクリックしなさい。
荷重を受ける部品内のある点で、σₓ = 80 MPa、σᵧ = 20 MPa、τₓᵧ = 20 MPa である(引張を正とする)。 x 軸から最大主応力の方向までの角度 θp を、−90° から 90° の範囲で求めよ。
内径 1200 mm、肉厚 15 mm の薄肉円筒タンクに、ゲージ圧 0.8 MPa のガスが入っている。タンクは、円筒の軸と 30° をなすらせん状の継目に沿って溶接された板でできている。 溶接継目に沿って作用するせん断応力の大きさ |τn| を求めよ。
片持ちばりの全長に等分布荷重 w が、自由端に集中荷重 P が作用する。重ね合わせを用いて自由端のたわみ δ を求めよ。
一端固定・他端支持ばりは A で固定され、B で単純支持されている。全長に等分布荷重 w が作用する。EI は一定である。 固定端における曲げモーメントの大きさ MA を求めよ。
鋼製の長さ L の柱が両端ピンである。オイラーの式を用いて座屈荷重 Pcr を求めよ。
アルミニウム製の長さ L の柱が下端固定・上端ピンである。細長比と、オイラーの式による座屈応力 σcr を求めよ。
水平な地面からボールを水平から 75° 上向きに打ち出すと、70 m 先に着地する。空気抵抗を無視し、g = 9.81 m/s² とする。打ち出した速さ v0 を求めよ。
ボールを 高さ 5 m の崖の上から水平から 25° 上向きに投げる。空気抵抗は無視する。ボールが地面に落ちるまでに進む水平距離 x を求めよ。
質量 1000 kg の自動車が 8° の坂を一定の 36 km/h で上る。空気抵抗と転がり抵抗の合計は 450 N である。車輪が出さなければならない動力 P を kW で求めよ。
質量 5 kg のブロックが 15° の斜面の下端で静止しており、斜面に平行な一定の力 45 N で斜面を引き上げられる。動摩擦係数は 0.2 である。ブロックが斜面を 9 m 上がった後の速さ v を求めよ。
10 kg の質量が、ばね定数 20 kN/m のばねと、減衰係数 90 N·s/m の粘性ダンパで支えられている。減衰比 ζ を求めよ。
100 kg の質量が、横に並べた(並列の)2 本のばね k₁ = 10 kN/m、k₂ = 40 kN/m につり下げられている。質量は水平を保つ。 ばね系の等価ばね定数 keq を kN/m で求めよ。
熱機関が 525 °C の高温熱源と 5 °C の低温熱源の間で働く。 この機関は 4900 kJ の熱を受け取る。得られる最大の仕事 Wmax を求めよ。
ヒートポンプが 5 °C の熱源から熱をくみ上げ、20 °C の暖房システムに 7.5 kW の熱を供給する。実際の COP はこれらの温度間のカルノー COP の 55% である。使う電力 Ẇ を求めよ。
理想ディーゼルサイクルの圧縮比は r = 15、締切比は rc = v₃/v₂ = 2 である。 圧縮開始時の空気の温度は 300 K である。 冷空気標準の仮定を用いる:空気は比熱一定の理想気体で、k = 1.4、cp = 1.005 kJ/(kg·K)、cv = 0.718 kJ/(kg·K) とする。 加熱終わりの温度 T3 を K で求めよ。
ガスタービン発電設備が、圧縮機の圧力比 10 のブレイトンサイクルで運転されている。空気は 310 K で圧縮機に入り、1400 K でタービンに入る。 圧縮機もタービンも等エントロピー的に作動する。 冷空気標準の仮定を用いる:空気は比熱一定の理想気体で、k = 1.4、cp = 1.005 kJ/(kg·K)、cv = 0.718 kJ/(kg·K) とする。 空気 1 kg あたりの正味仕事 wnet を kJ/kg で求めよ。
水が、100 mm から 40 mm に細くなる水平管を流れる。太い部分の圧力は 130 kPa、流速は 0.5 m/s である。損失を無視して、細い部分の圧力 p2 を求めよ。
内径 25 mm のホースで開放水槽から水をサイホンで吸い出す。ホースの最高点 C は水面より 2.5 m 上にあり、出口(大気に開放)は水面より 4 m 下にある。損失を無視し、g = 9.81 m/s² とする。 点 C での絶対圧力 pC を求めよ。大気圧は 101.3 kPa である。
水が、長さ 1000 m、内径 200 mm の管内を 50 L/s で流れている。 ダルシーの管摩擦係数 f = 0.022、g = 9.81 m/s² とする。摩擦損失水頭 hf を求めよ。
2 つの開放貯水槽が、長さ 200 m、内径 200 mm、ダルシーの管摩擦係数 f = 0.022 の管でつながれている。上の貯水槽の水面は下の貯水槽の水面より 23 m 高い。局所損失は 角ばった入口(K = 0.5)、3 個の曲がり(各 K = 0.3)、弁(K = 5)、下の貯水槽への出口(K = 1.0) である。g = 9.81 m/s² とする。流量 Q を L/s で求めよ。
ポンプが揚程 76 m に対して水(ρ = 1000 kg/m³)を 10 L/s 送っている。ポンプ効率は 82%、これを駆動する電動機の効率は 92% である。g = 9.81 m/s² とする。電動機が消費する電力 Pel を kW で求めよ。
ポンプが 100 L/s の水(ρ = 1000 kg/m³)を、開放された下の貯水槽から、水面が 15 m 高い上のタンクへ送る。管は長さ 100 m、内径 250 mm、ダルシーの管摩擦係数 f = 0.015 で、局所損失係数の合計は ΣK = 6(入口と出口を含む)である。g = 9.81 m/s² とする。 ポンプ効率は 78% である。軸動力 Pshaft を kW で求めよ。
壁はガラス 100 mm とれんが 25 mm からなり、面積は 4 m² である。外側の両面は 19 °C と 3 °C である。 壁を通る熱流量 Q̇ を求めよ。
250 mm のれんがと 25 mm のコンクリートからなる壁が、21 °C の部屋と 2 °C の外気を隔てている。熱伝達率は室内側 6 W/(m²·K)、屋外側 30 W/(m²·K)、壁の面積は 10 m² である。 壁の熱通過率 U を求めよ。
2 本の平行軸の間隔は 75 mm である。これらをモジュール 2.5 mm、減速比 3 : 1 の平歯車対で連結しなければならない。 歯車の歯数 N2 はいくつ必要か。
平行掛けのベルトが、直径 160 mm のプーリと直径 400 mm のプーリをつなぎ、その中心は 500 mm 離れています。小さいほうのプーリへの巻き付け角 θ を度で求めなさい。
F(s) = (3s + 32)/(s² + 8s + 32) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.4) を計算せよ。
ある系が y″ + 7y′ + 10y = 10·u(t) に従い、y(0) = 4、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 10 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.2) を求めよ。
プラント G(s) = K/(s(s + 17)) を単位負帰還ループに入れる。閉ループが臨界減衰(等しい 2 つの実数極)になるゲイン K を求めよ。
比例コントローラ K が、プラント G(s) = 6/(s + 5) を単位負帰還ループで駆動する。R = 0 のとき、大きさ 0.5 の外乱ステップがプラントの入力に加わる。定常出力を 0.012 以下に保つ最小のゲイン K を求めよ。
ある系の伝達関数は G(s) = 54/(s² + 3s + 18) で、単位ステップ入力を受ける。 ステップ応答のオーバーシュート率 %OS を求めよ。
単位負帰還ループの G(s) = K/(s(s + 20)) である。ステップ応答のオーバーシュートが 20 % になるゲイン K を求めよ。
プロセス G(s) = 0.5/(0.5s + 1) を、比例ゲイン K = 9 で単位フィードバックのループにより制御します。ステップ入力に対する定常偏差 ess を、ステップの大きさに対する百分率で求めなさい。
比例制御器 K = 50 が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 5/(s(s + 6)) を制御しています。 ステップ応答のオーバーシュート率 %OS を求めよ。
答え: RB = 19.17 kN
静的つり合い:静止した物体では、任意の点まわりに ΣFx = 0、ΣFy = 0、ΣM = 0 が成り立ちます。一方の支点まわりのモーメントをとると、その支点反力が式から消えます。
支点を反力に置き換えます。ローラーは鉛直反力を 1 つ与えます。鉛直荷重のみなら、ピンも鉛直反力を 1 つ与えます。
A まわりのモーメント(反時計回りを正)。次に鉛直方向の力のつり合い。
答え: RB = 27.5 kN
静的つり合い:静止した物体では、任意の点まわりに ΣFx = 0、ΣFy = 0、ΣM = 0 が成り立ちます。一方の支点まわりのモーメントをとると、その支点反力が式から消えます。
支点を反力に置き換えます。ローラーは鉛直反力を 1 つ与えます。鉛直荷重のみなら、ピンも鉛直反力を 1 つ与えます。
A まわりのモーメント(反時計回りを正)。次に鉛直方向の力のつり合い。
答え: δ = 0.09325 mm
2 種類の材料:直列(端から端へ)では、どの区間も同じ力を受け、伸びが足されます:δ = P·Σ L/(E·A)。並列(剛な板の間に並べた場合)では、両方が同じ量だけ縮むので、ひずみが等しくなります:剛性の高いほうがより大きな割合を受け持ち、Pi = P·EiAi/ΣEA、σi = Ei·ε です。2 つの剛な壁の間に固定され、接合部に荷重がかかる棒は不静定です:2 つの区間は、剛性 k = EA/L に比例して荷重を分担します。
答え: σmax = 707.4 MPa
軸力部材:各等断面区間は δ = PL/(AE) に従います。直列の部材では伸びが足し合わされます。
自由端が P を受けるので、棒のどの断面も同じ軸力 P を受けます。変わるのは断面積と材料だけです。
細い区間は断面積が小さいので、応力が大きくなります。
答え: do = 24.46 mm
丸軸のねじり:せん断応力は中心で 0、表面で τmax = T·r/J まで直線的に増えます。中実軸は J = πd⁴/32、中空軸は J = π(do⁴ − di⁴)/32。ねじれ角は φ = TL/(GJ)(ラジアン)。動力とトルクは P = T·ω で結ばれます。
中実軸なら d = 23.35 mm が必要です。中空軸は少し大きくなりますが、はるかに軽くなります。
答え: TA = 111.1 N·m
丸軸のねじり:せん断応力は中心で 0、表面で τmax = T·r/J まで直線的に増えます。中実軸は J = πd⁴/32、中空軸は J = π(do⁴ − di⁴)/32。ねじれ角は φ = TL/(GJ)(ラジアン)。動力とトルクは P = T·ω で結ばれます。 両端が固定されていると、静力学だけでは TA + TB = T₀ しか得られません。2 つ目の式は適合条件(荷重を受ける断面で両方の部分のねじれ角が等しい)です。
答え: Mmax = 153.8 kN·m
断面法:内力を求めたい位置ではりを切断し、片側を残します。せん断力 V はその側の鉛直力と、曲げモーメント M はそれらの切断面まわりのモーメントとつり合います。 最大曲げモーメント:dM/dx = V なので、曲げモーメントはせん断力が 0 を通過する位置、つまり集中荷重の位置か分布荷重の区間内で最大になります。
はり全体のつり合い。
各荷重より左側の部分を残します。
答え: F (x = 10 m)
最大曲げモーメント:せん断力が変わるところでは M の傾きが変わるので、そのピークはせん断力がゼロを横切る位置にあります:集中荷重の下、分布荷重の内側、または張り出し梁の支点の上です。片持ち梁の固定端では、モーメントは壁で最大です。それらの位置で M の大きさを、正曲げでも負曲げでも比べます。
一方の支点まわりのモーメントをとり、次に鉛直方向の力の釣り合いを使います。
切断面の一方の側にあるすべての力のモーメントを合計します。正曲げ(下に凸)を正、負曲げ(上に凸)を負とします。
答え: θp = 16.85 °
平面応力の座標変換:θ だけ回転した面では σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ。モールの応力円はすべての面を一度に表します:中心は C = (σₓ + σᵧ)/2、半径は R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²)。主応力は C ± R、面内の最大せん断応力は R です。
モールの応力円上で、点 x は σ 軸から角度 2θp の位置にあります。象限は σₓ − σᵧ と τₓᵧ の符号で決まります。
反時計回りの角度を正とします。
答え: |τn| = 6.928 MPa
平面応力の座標変換:θ だけ回転した面では σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ。モールの応力円はすべての面を一度に表します:中心は C = (σₓ + σᵧ)/2、半径は R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²)。主応力は C ± R、面内の最大せん断応力は R です。 薄肉円筒:周方向応力 σh = pr/t、軸方向応力 σa = pr/(2t)。これらが壁の主応力です。
x を軸方向(σa)、y を周方向(σh)にとります。継目の法線は軸と 90° − α をなします。
答え: δ = 61.31 mm
はりのたわみ:たわみは曲率 M/(EI) を 2 回積分して得られます。代表的な場合は表にまとめられており、たとえば先端集中荷重の片持ちばりは PL³/(3EI)、全長等分布荷重の単純ばりは 5wL⁴/(384EI) です。別々の荷重によるたわみは足し合わせられます(重ね合わせ)。
N と mm で計算します:P は N、w は N/mm (kN/m = N/mm)、L は mm、E は N/mm² (GPa × 1000)、I は mm⁴。
答え: MA = 40 kN·m
はりのたわみ:たわみは曲率 M/(EI) を 2 回積分して得られます。代表的な場合は表にまとめられており、たとえば先端集中荷重の片持ちばりは PL³/(3EI)、全長等分布荷重の単純ばりは 5wL⁴/(384EI) です。別々の荷重によるたわみは足し合わせられます(重ね合わせ)。 不静定ばりでは、余分な支点を 1 つ取り除き、そこでのたわみが 0 になる条件(適合条件)を課します。
支点 B がなければ、はりは片持ちばりです。その自由端は荷重によってたわみます。
支点反力 RB だけで自由端は RBL³/(3EI) 持ち上がります。支点 B はたわみを 0 に保つので、両者は打ち消し合わなければなりません。EI は消去されます。
荷重と支点 B の反力による A まわりのモーメント。
答え: Pcr = 52.64 kN
オイラー座屈:細長い柱は Pcr = π²EI/(KL)² で不安定になります。KL は有効座屈長さで、K = 1(ピン–ピン)、2(固定–自由)、0.7(固定–ピン)、0.5(固定–固定)です。柱は I が最小の軸まわりに座屈します。この式は、座屈応力が降伏応力より小さい細長い柱に適用できます。
長方形は弱軸まわりに座屈するので、小さい方の寸法の 3 乗を使います。
答え: σcr = 62.66 MPa
オイラー座屈:細長い柱は Pcr = π²EI/(KL)² で不安定になります。KL は有効座屈長さで、K = 1(ピン–ピン)、2(固定–自由)、0.7(固定–ピン)、0.5(固定–固定)です。柱は I が最小の軸まわりに座屈します。この式は、座屈応力が降伏応力より小さい細長い柱に適用できます。
円形断面はどの軸まわりでも I が同じです。
答え: v0 = 37.06 m/s
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
答え: x = 13.85 m
放物運動:空気抵抗がなければ x = vxt、y = h + vyt − ½gt²。2 つの方向は独立で、共通なのは時間だけです。
水平速度は一定で、鉛直運動は下向きの一定加速度 g = 9.81 m/s² をもちます。
y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 を解き、正の解をとります。
答え: P = 18.15 kW
仕事とエネルギーの原理:運動エネルギーの変化は、すべての力がした仕事に等しくなります。重力とばねを位置エネルギー(mgh と ½kx²)として書くと、収支の式になります:初めのエネルギー = 終わりのエネルギー + 摩擦で失われたエネルギー (μN·d)。 動力は力 × 速さです:P = F·v。
答え: v = 9.066 m/s
仕事とエネルギーの原理:運動エネルギーの変化は、すべての力がした仕事に等しくなります。重力とばねを位置エネルギー(mgh と ½kx²)として書くと、収支の式になります:初めのエネルギー = 終わりのエネルギー + 摩擦で失われたエネルギー (μN·d)。
答え: ζ = 0.1006
質量–ばね系の自由振動:減衰のない固有角振動数は ωn = √(k/m)(rad/s)、固有振動数は fn = ωn/(2π)(Hz)です。粘性ダンパ c による減衰比は ζ = c/cc で、臨界減衰係数は cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn です。不足減衰系(ζ < 1)は ωd = ωn·√(1 − ζ²) で振動します。並列ばねは k = k₁ + k₂ と足し合わせ、直列ばねは逆数で 1/k = 1/k₁ + 1/k₂ と足し合わせます。
ζ < 1 なので、この系は不足減衰で、振動しながら減衰します。
答え: keq = 50 kN/m
質量–ばね系の自由振動:減衰のない固有角振動数は ωn = √(k/m)(rad/s)、固有振動数は fn = ωn/(2π)(Hz)です。粘性ダンパ c による減衰比は ζ = c/cc で、臨界減衰係数は cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn です。不足減衰系(ζ < 1)は ωd = ωn·√(1 − ζ²) で振動します。並列ばねは k = k₁ + k₂ と足し合わせ、直列ばねは逆数で 1/k = 1/k₁ + 1/k₂ と足し合わせます。
並べたばねはたわみが共通で、力が足し合わされるので、ばね定数はそのまま足します:k = k1 + k2。
答え: Wmax = 3192 kJ
第 2 法則による限界:絶対温度 TH と TL の熱源の間で働くどんなサイクルも、可逆(カルノー)サイクルを上回れません:ηmax = 1 − TL/TH、COPR,max = TL/(TH − TL)、COPHP,max = TH/(TH − TL)。エネルギーは常に保存されます:QH = W + QL。
答え: Ẇ = 0.6978 kW
Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.
答え: T3 = 1773 K
ディーゼルサイクル(圧縮着火機関):1→2 等エントロピー圧縮、2→3 等圧加熱、3→4 等エントロピー膨張、4→1 等容放熱。圧縮比 r = v₁/v₂ と締切比 rc = v₃/v₂ を用いると、T₂ = T₁·rk−1、T₃ = rc·T₂、qin = cp·(T₃ − T₂)、η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1)) です。
答え: wnet = 388.3 kJ/kg
ブレイトンサイクル(ガスタービン):1→2 等エントロピー圧縮、2→3 等圧加熱、3→4 タービンでの等エントロピー膨張、4→1 等圧放熱。圧力比 rp = P₂/P₁ を用いると、T₂ = T₁·rp(k−1)/k、T₄ = T₃/rp(k−1)/k、η = 1 − 1/rp(k−1)/k です。正味仕事 w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]。断熱効率を考えると、圧縮機には ws/ηc が必要で、タービンは ηt·ws を出します。
後退仕事比(バックワーク比):wc/wt = 42.75%。
答え: p2 = 125.2 kPa
連続の式とベルヌーイの定理:非圧縮性流体では、どの断面でも流量は同じです:Q = A₁v₁ = A₂v₂。損失のない流線に沿って p + ½ρv² + ρgz は一定なので、流れが速いところや高いところほど圧力は低くなります。
Pa で計算し、1000 で割って kPa にします。
答え: pC = 37.53 kPa
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
水面と出口はどちらも大気に開放されているので、圧力の項は打ち消し合います。
この圧力が水の蒸気圧まで下がると、サイホンは働かなくなります。
答え: hf = 14.2 m
管内流れ:レイノルズ数 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ によって、層流(Re が約 2000 未満)と乱流(約 4000 超)を区別します。管に沿った摩擦によってダルシー・ワイスバッハの損失水頭 hf = f·(L/D)·V²/(2g) が生じます。継手、弁、入口、出口は局所損失 hm = ΣK·V²/(2g) を加えます。2 つの開放貯水槽の水面間では、エネルギー式から Δz = hf + hm(出口損失 K = 1 を含む)が得られます。
答え: Q = 123.1 L/s
管内流れ:レイノルズ数 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ によって、層流(Re が約 2000 未満)と乱流(約 4000 超)を区別します。管に沿った摩擦によってダルシー・ワイスバッハの損失水頭 hf = f·(L/D)·V²/(2g) が生じます。継手、弁、入口、出口は局所損失 hm = ΣK·V²/(2g) を加えます。2 つの開放貯水槽の水面間では、エネルギー式から Δz = hf + hm(出口損失 K = 1 を含む)が得られます。
どちらの水面も大気に開放され、ほぼ静止しているので、Δz はすべて管内で失われます。
答え: Pel = 9.883 kW
ポンプ動力:水に与えられる動力は水動力 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp です。ポンプには損失があるので、軸はそれより大きな動力を伝えなければなりません:Pshaft = Ph/ηpump。モーターが消費する電力は Pel = Pshaft/ηmotor です。ポンプ揚程 H はエネルギー式から求めます:実揚程 + 圧力水頭 + すべての摩擦損失と局所損失。
答え: Pshaft = 22.06 kW
ポンプ動力:水に与えられる動力は水動力 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp です。ポンプには損失があるので、軸はそれより大きな動力を伝えなければなりません:Pshaft = Ph/ηpump。モーターが消費する電力は Pel = Pshaft/ηmotor です。ポンプ揚程 H はエネルギー式から求めます:実揚程 + 圧力水頭 + すべての摩擦損失と局所損失。
答え: Q̇ = 460.8 W
熱抵抗:直列の層を通る定常の熱流は、直列抵抗を流れる電流と同じように振る舞います:Q̇ = ΔT/ΣR。伝導層では R = L/(kA)、対流面では R = 1/(hA)。各層の温度降下はその熱抵抗に比例します。
答え: U = 1.77 W/(m²·K)
熱抵抗:直列の層を通る定常の熱流は、直列抵抗を流れる電流と同じように振る舞います:Q̇ = ΔT/ΣR。伝導層では R = L/(kA)、対流面では R = 1/(hA)。各層の温度降下はその熱抵抗に比例します。
答え: N2 = 45
Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.
答え: θ = 152.2 °
ベルト駆動:滑りがなければ、両方のプーリの周速は同じ v = π·d·n/60 なので、n₁·d₁ = n₂·d₂ となり、速度比は d₂/d₁ です。滑り s があると、従動プーリは少し遅くなります:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。伝達される動力は P = (T₁ − T₂)·v で、T₁ は張り側の張力、T₂ は緩み側の張力です。摩擦が張力の比を制限します:T₁/T₂ = eμθ、θ は小さいほうのプーリへの巻き付け角(ラジアン)です。平行掛けのベルトでは、軸間距離 C を使って θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) です。
答え: f(0.4) = 0.9914
ラプラス変換:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt は、微分を s の掛け算に変えます:ℒ{f′} = sF(s) − f(0)、ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。基本的な変換対:1 ↔ 1/s、e−at ↔ 1/(s + a)、t·e−at ↔ 1/(s + a)²、sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)、cos ωt ↔ s/(s² + ω²)。また、s → s + σ のシフトは、時間関数に e−σt を掛けることに対応します。有理式 F(s) を逆変換するには部分分数に分解します。単極 p の留数は A = [(s − p)·F(s)] の s = p での値です。最終値の定理:f(∞) = lims→0 s·F(s)。これは s·F(s) のすべての極が左半平面にあるときに限り成り立ちます。初期値の定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。
答え: y(0.2) = 4.768
ラプラス変換:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt は、微分を s の掛け算に変えます:ℒ{f′} = sF(s) − f(0)、ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。基本的な変換対:1 ↔ 1/s、e−at ↔ 1/(s + a)、t·e−at ↔ 1/(s + a)²、sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)、cos ωt ↔ s/(s² + ω²)。また、s → s + σ のシフトは、時間関数に e−σt を掛けることに対応します。有理式 F(s) を逆変換するには部分分数に分解します。単極 p の留数は A = [(s − p)·F(s)] の s = p での値です。最終値の定理:f(∞) = lims→0 s·F(s)。これは s·F(s) のすべての極が左半平面にあるときに限り成り立ちます。初期値の定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。
検算:y(0) = A + B + C = 4。
答え: K = 72.25
ブロック線図の代数:直列のブロックは掛け算(G₁·G₂)、並列のブロックは足し算(G₁ + G₂)になります。前向き経路 G とフィードバック経路 H のループは、負帰還なら T = G/(1 + G·H)、正帰還なら G/(1 − G·H) にまとめられます。内側のループから先に簡単にし、外側へ進みます。閉ループの極は特性方程式 1 + G(s)H(s) = 0 の根です。ループが安定なら、大きさ A のステップ入力に対する定常出力は A·T(0) です。単位フィードバックでは、ステップに対する定常偏差は Kp = G(0) として A/(1 + Kp) です。
2 次式 s² + βs + γ は、β² = 4γ のとき重根をもちます。
答え: K = 40.83
ブロック線図の代数:直列のブロックは掛け算(G₁·G₂)、並列のブロックは足し算(G₁ + G₂)になります。前向き経路 G とフィードバック経路 H のループは、負帰還なら T = G/(1 + G·H)、正帰還なら G/(1 − G·H) にまとめられます。内側のループから先に簡単にし、外側へ進みます。閉ループの極は特性方程式 1 + G(s)H(s) = 0 の根です。ループが安定なら、大きさ A のステップ入力に対する定常出力は A·T(0) です。単位フィードバックでは、ステップに対する定常偏差は Kp = G(0) として A/(1 + Kp) です。
答え: %OS = 30.5 %
ステップ応答:1 次系 G(s) = K/(τs + 1) は、大きさ U のステップに対して y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) と応答します。時定数 τ の後に最終値 K·U の 63.2 %、4τ の後に 98 % に達します。2 次系 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) の極は s = −ζωₙ ± jωd(ωd = ωₙ√(1 − ζ²))です。0 < ζ < 1 のとき、ステップ応答にはオーバーシュートがあります:オーバーシュート率 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、ピーク時間 tp = π/ωd、2 % 整定時間 ts ≈ 4/(ζωₙ)。分母を s² + 2ζωₙs + ωₙ² と比べると、ωₙ と ζ が読み取れます。質量・ばね・ダンパでは ωₙ = √(k/m)、ζ = c/(2√(km))、直列 RLC 回路では ωₙ = 1/√(LC)、ζ = (R/2)·√(C/L) です。
分母は s² + 2ζωₙs + ωₙ² と一致しなければなりません。
答え: K = 481
ステップ応答:1 次系 G(s) = K/(τs + 1) は、大きさ U のステップに対して y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) と応答します。時定数 τ の後に最終値 K·U の 63.2 %、4τ の後に 98 % に達します。2 次系 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) の極は s = −ζωₙ ± jωd(ωd = ωₙ√(1 − ζ²))です。0 < ζ < 1 のとき、ステップ応答にはオーバーシュートがあります:オーバーシュート率 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、ピーク時間 tp = π/ωd、2 % 整定時間 ts ≈ 4/(ζωₙ)。分母を s² + 2ζωₙs + ωₙ² と比べると、ωₙ と ζ が読み取れます。質量・ばね・ダンパでは ωₙ = √(k/m)、ζ = c/(2√(km))、直列 RLC 回路では ωₙ = 1/√(LC)、ζ = (R/2)·√(C/L) です。
答え: ess = 18.18 %
定常偏差:開ループ伝達関数 G(s) をもつ単位フィードバックのループでは、偏差は E(s) = R(s)/(1 + G(s)) で、最終値の定理により ess = lims→0 s·E(s) です。システムの型は、G(s) の s = 0 にある極の個数です。偏差定数は Kp = lim G(s)、Kv = lim s·G(s)、Ka = lim s²·G(s) で、いずれも s → 0 の極限です。大きさ A のステップ入力では ess = A/(1 + Kp)、ランプ入力 A·t では A/Kv、放物線入力 A·t²/2 では A/Ka になります。0 型のループはステップ入力に有限の偏差で追従し、1 型のループはステップ入力に偏差なく追従し、ランプ入力には有限の偏差で追従します。
答え: %OS = 54.49 %
P 制御、PI 制御、PID 制御:制御器 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s は偏差に作用します。比例ゲインはループを速くし、0 型の制御対象の偏差を小さくしますが、なくすことはできません。積分項は s = 0 に極を加えます:システムの型が 1 つ上がり、ステップ入力に偏差なく追従します。微分項は減衰を加えます。ゲインを決めるには、閉ループの特性多項式を書き、s² + 2ζωns + ωn² と比較します。すると %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、tp = π/ωd(ωd = ωn√(1 − ζ²))、ts ≈ 4/(ζωn) となります。
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