Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.
1Formules en methoden
Oplegreacties van balken
Evenwicht
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Gelijkmatig verdeelde belasting
resultante w·L in het midden van de belasting
Moment
M = F·d
Methode
Teken een vrijlichaamsschema en vervang elke oplegging door haar reactiekrachten.
Vervang elke verdeelde belasting door één kracht in haar zwaartepunt.
Neem momenten om één oplegging om de reactiekracht in de andere te vinden.
Gebruik ΣFy = 0 om de overige reactiekracht te vinden, en controleer met een tweede momentenvergelijking.
Axiale spanning en rek
Normaalspanning
σ = F/A
Rek
ε = ΔL/L
Wet van Hooke
σ = E·ε
Verlenging
ΔL = FL/(EA)
Thermische rek
εT = α·ΔT
Torsie van assen
Schuifspanning
τ = T·r/J
Massieve as
J = πd⁴/32
Holle as
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Wringhoek
φ = TL/(GJ)
Vermogen
P = T·ω = 2πnT/60
Methode
Bereken het polair traagheidsmoment: J = πd⁴/32 voor een massieve as.
Schuifspanning aan het oppervlak: τ = T·r/J, met r de buitenstraal.
Wringhoek: φ = TL/(GJ) in radialen.
Als het vermogen gegeven is, bereken dan eerst het koppel met P = T·ω, ω = 2πn/60.
Dwarskracht en buigend moment
Dwarskracht en moment
V = ΣF aan één kant, M = ΣF·d aan één kant
Buigspanning
σ = M·y/I
Rechthoek
I = bh³/12
Weerstandsmoment
W = I/ymax
Ligger op twee steunpunten, gelijkmatige belasting
Mmax = wL²/8
Methode
Bepaal de oplegreacties uit het evenwicht van de hele balk.
Snijd de balk door in de doorsnede die je nodig hebt en houd één kant over.
Dwarskracht: de som van de verticale krachten op die kant. Buigend moment: de som van hun momenten om de snede.
Zoek voor het maximale moment de plek waar de dwarskracht nul is.
Cirkel van Mohr en spanningstransformatie
Middelpunt
C = (σx + σy)/2
Straal
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Hoofdspanningen
σ1,2 = C ± R
Hoofdrichting
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Schuin vlak
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ
Methode
Bereken het middelpunt van de cirkel van Mohr: C = (σx + σy)/2.
Bereken de straal: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
De hoofdspanningen zijn C ± R en de grootste schuifspanning in het vlak is R.
Hoeken op de cirkel zijn het dubbele van de hoeken op het element: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).
Doorbuiging van de balk
Puntlast in het midden
δ = PL³/(48EI)
Gelijkmatige belasting, ligger op twee steunpunten
δ = 5wL⁴/(384EI)
Uitkraging, eindlast
δ = PL³/(3EI)
Uitkraging, gelijkmatige belasting
δ = wL⁴/(8EI)
Superpositie
δ = δ1 + δ2
Knik van kolommen
Eulerse kniklast
Pcr = π²EI/(KL)²
Kniklengtefactor
K = 1 scharnierend–scharnierend, 0,5 ingeklemd–ingeklemd, 0,7 ingeklemd–scharnierend, 2 ingeklemd–vrij
Kritieke spanning
σcr = Pcr/A
Slankheid
λ = KL/r, r = √(I/A)
Kogelbaan
Componenten
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Positie
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Maximale hoogte
H = h + vy²/(2g)
Worpafstand (vlakke grond)
R = v0²·sin 2θ/g
Methode
Ontbind de beginsnelheid in componenten: vx = v₀·cos θ en vy = v₀·sin θ.
De horizontale beweging heeft een constante snelheid; de verticale beweging heeft versnelling −g.
Bepaal de vluchttijd uit de verticale beweging.
Gebruik die tijd in de horizontale beweging om de dracht te vinden.
Arbeid en energie
Kinetische energie
Ek = ½mv²
Potentiële energie
Ep = mgh
Energiebalans
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Wrijvingsarbeid
W = μ·N·d
Vermogen
P = W/t
Mechanische trillingen
Eigenfrequentie
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Uit de statische doorbuiging
ωn = √(g/δst)
Kritische demping
cc = 2√(km) = 2mωn
Dempingsverhouding
ζ = c/cc
Gedempte eigenfrequentie
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Logaritmisch decrement
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Veren parallel
k = k1 + k2
Veren in serie
1/k = 1/k1 + 1/k2
Warmtemotoren en koelmachines
Rendement
η = W/QH = 1 − QC/QH
Carnotrendement
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP van de koelmachine
COPR = QC/W
COP van de warmtepomp
COPHP = QH/W = COPR + 1
Energiebalans
QH = W + QC
Gaskringprocessen
Isentroop, volumeverhouding
T2/T1 = rk−1
Isentroop, drukverhouding
T2/T1 = rp(k−1)/k
Otto-rendement
η = 1 − 1/rk−1
Diesel-rendement
η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
Brayton-rendement
η = 1 − 1/rp(k−1)/k
Toegevoerde warmte
Otto: cv(T3 − T2) Diesel, Brayton: cp(T3 − T2)
Netto arbeid Brayton
w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
Isentrope rendementen
wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
Koude lucht
k = 1,4, cp = 1,005, cv = 0,718 kJ/(kg·K)
Continuïteit en Bernoulli
Continuïteit
A1v1 = A2v2
Bernoulli
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Debiet
Q = A·v
Oppervlakte van een cirkel
A = πd²/4
Leidingwrijving en drukhoogteverlies
Getal van Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Stromingsregime
laminair onder Re ≈ 2000, turbulent boven Re ≈ 4000
Gemiddelde snelheid
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Plaatselijke verliezen
hm = ΣK·V²/(2g)
Gangbare K-waarden
intrede 0,5, uittrede 1,0, bocht van 90° ≈ 0,3
Drukval
Δp = ρ·g·hf
Twee open reservoirs
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Vrije uitstroming
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Pompen en pompvermogen
Hydraulisch vermogen
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Asvermogen
Pshaft = Ph/ηpump
Elektrisch vermogen
Pel = Pshaft/ηmotor
Opvoerhoogte van de pomp
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Systeemverliezen
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Warmtegeleiding
Wet van Fourier
Q̇ = kAΔT/L
Geleidingsweerstand
R = L/(kA)
Convectieweerstand
R = 1/(hA)
Weerstanden in serie
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
U-waarde
U = 1/(ΣR·A)
Tandwielen en tandwieloverbrengingen
Ingrijpende tandwielen
n1·N1 = n2·N2
Koppel
T2 = T1·(N2/N1)·η
Vermogen
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Meertraps overbrenging
totale overbrengingsverhouding = product van de trapverhoudingen
Stationaire fout en PID-regeling
Systeemtype
aantal polen van G(s) bij s = 0
Foutconstanten
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Stap A
ess = A/(1 + Kp)
Helling A·t
ess = A/Kv
Parabool A·t²/2
ess = A/Ka
PID-regelaar
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Tweedegraads doel
s² + 2ζωns + ωn²
Overshoot en timing
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Methode
Tel de polen van de open lus C(s)·G(s) bij s = 0: dat is het systeemtype.
Bereken de foutconstante die bij de ingang hoort: Kp voor een stap, Kv voor een helling, Ka voor een parabool.
Pas ess = A/(1 + Kp), A/Kv of A/Ka toe, of los het op voor de versterking die je nodig hebt.
Schrijf voor een eis aan demping of snelheid het karakteristieke polynoom van de gesloten lus op en laat het overeenkomen met s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Oefenopgaven
1.Oplegreacties van balkenGemiddeld
De vrij opgelegde balk heeft een scharnier in A en een rol in B. Vind de verticale oplegreactie RA.
L = 4 mP1 = 50 kN op 2 mP2 = 25 kN op 3 m
RA = kN
2.Oplegreacties van balkenMoeilijk
De vrij opgelegde balk heeft een scharnier in A en een rol in B. Vind de verticale oplegreactie RB.
L = 10 mP = 35 kN op 2 mw = 12 kN/m van 1 tot 7 m
RB = kN
3.Axiale spanning en rekGemiddeld
Een staaf van staal (diameter 20 mm, E = 200 GPa) zit in een buis van aluminium (buitendiameter 100 mm, binnendiameter 50 mm, E = 70 GPa). Beide zijn 400 mm lang en worden samen tussen stijve platen met 150 kN op druk belast. Bepaal de verkorting δ.
P = 150 kNstaaf: Ø20 mm, E = 200 GPabuis: Ø100/Ø50 mm, E = 70 GPaL = 400 mm
δ = mm
4.Axiale spanning en rekMoeilijk
De getrapte staaf is ingeklemd in de muur en belast aan het vrije uiteinde. Vind de grootste normaalspanning σmax in de staaf.
P = 35 kNdeel 1: Ø35 mm, 0,5 m, messing (E = 100 GPa)deel 2: Ø16 mm, 1 m, koper (E = 117 GPa)
σmax = MPa
5.Torsie van assenGemiddeld
Een massieve as van messing is ingeklemd in de muur en wordt aan het vrije uiteinde getordeerd door een koppel T. Vind de wringhoek φ van het vrije uiteinde, in graden.
T = 1000 N·md = 50 mmL = 1 mG = 39 GPa
φ = °
6.Torsie van assenMoeilijk
Een massieve as van staal met diameter 50 mm is aan beide uiteinden A en B ingeklemd in starre wanden. Een wringend moment van 1000 N·m werkt in C, op 0,5 m van A en 2,5 m van B. Vind de maximale schuifspanning τmax in de as.
d = 50 mmT0 = 1000 N·ma = 0,5 mb = 2,5 m
τmax = MPa
7.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
De uitkragende ligger is ingeklemd in A. Hij draagt een gelijkmatig verdeelde belasting w over de hele lengte en een puntlast P op 4 m vanaf A. Vind het buigend moment MA bij de inklemming A. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.
L = 4 mP = 25 kN op 4 mw = 3 kN/m van 0 tot 4 m
MA = kN·m
8.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
De vrij opgelegde balk draagt een gelijkmatig verdeelde belasting w over de hele overspanning en een puntlast P. Vind het maximale buigend moment Mmax in de balk.
L = 6 mP = 20 kN op 3,5 mw = 6 kN/m van 0 tot 6 m
Mmax = kN·m
9.Cirkel van Mohr en spanningstransformatieGemiddeld
Een punt in een belast onderdeel heeft σₓ = −60 MPa, σᵧ = −30 MPa en τₓᵧ = 10 MPa (trek positief). Bereken de hoek θp van de x-as naar de richting van de grootste hoofdspanning, tussen −90° en 90°.
σx = −60 MPaσy = −30 MPaτxy = 10 MPa
θp = °
10.Cirkel van Mohr en spanningstransformatieMoeilijk
Een massieve as met diameter 30 mm draagt een axiale drukkracht van 20 kN samen met een wringend moment van 200 N·m. Aan het oppervlak van de as, vind de maximale schuifspanning in het vlak τmax.
d = 30 mmF = −20 kNT = 200 N·m
τmax = MPa
11.Doorbuiging van de balkGemiddeld
Een uitkragende ligger draagt een gelijkmatig verdeelde belasting w over de hele lengte. Vind de doorbuiging δ aan het vrije uiteinde.
w = 10 kN/mL = 1,5 mE = 70 GPa (aluminium)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
12.Doorbuiging van de balkMoeilijk
Een vrij opgelegde balk draagt een gelijkmatig verdeelde belasting w en een puntlast P in het midden. Vind met superpositie de doorbuiging in het midden δmax.
P = 29 kNw = 5 kN/mL = 4 mE = 70 GPa (aluminium)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
13.Knik van kolommenGemiddeld
Een kolom met lengte L van staal is aan beide uiteinden scharnierend. Vind met de formule van Euler de kritieke knikbelasting Pcr.
L = 2,5 mE = 200 GPa (staal)d = 30 mm
Pcr = kN
14.Knik van kolommenMoeilijk
Een massieve ronde kolom met lengte L van aluminium is aan beide uiteinden ingeklemd. Hij moet 105 kN dragen met een veiligheidsfactor van 2 tegen knik. Vind de kleinste diameter d.
P = 105 kNn = 2L = 4 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
15.KogelbaanGemiddeld
Een bal wordt onder 50° boven de horizontaal vanaf vlak terrein weggeschoten. Verwaarloos luchtweerstand. Vind de maximale hoogte H die de bal bereikt.
v0 = 16 m/sθ = 50°g = 9,81 m/s²
H = m
16.KogelbaanMoeilijk
Een bal wordt onder 40° boven de horizontaal vanaf de top van een 35 m hoge klif weggeschoten. Verwaarloos luchtweerstand. Vind de horizontale afstand x die de bal aflegt voordat hij de grond raakt.
v0 = 25 m/sθ = 40°h = 35 mg = 9,81 m/s²
x = m
17.Arbeid en energieGemiddeld
Een auto van 800 kg rijdt met een constante 90 km/h een helling van 8° op. Luchtweerstand en rolweerstand samen bedragen 600 N. Vind het vermogen P dat de wielen moeten leveren, in kW.
Een veer met veerconstante 2000 N/m onderaan een helling van 30° wordt 8 cm ingedrukt tegen een blok van 0,5 kg en losgelaten. De kinetische wrijvingscoëfficiënt tussen blok en helling is 0,15. Hoe ver d gaat het blok vanaf het loslaatpunt de helling op voordat het stopt? (Verwaarloos de korte afstand waarover de veer duwt, d.w.z. neem wrijving en zwaartekracht over de hele afstand d.)
Bij een uitslingerproef van een gedempt massa-veersysteem volgt op een uitwijkingspiek van 15 mm 3 perioden later een piek van 1,5 mm. Vind de dempingsverhouding ζ.
x0 = 15 mmx3 = 1,5 mmn = 3
ζ =
20.Mechanische trillingenMoeilijk
Een massa van 5 kg hangt aan veer k₃ = 40 kN/m. De bovenkant van k₃ zit vast aan een starre balk die aan twee veren naast elkaar hangt, k₁ = 100 kN/m en k₂ = 50 kN/m; de balk blijft horizontaal. Verwaarloos demping en de massa’s van de veren en de balk. Vind de eigenfrequentie fn van de verticale trilling in Hz.
m = 5 kgk1 = 100 kN/mk2 = 50 kN/mk3 = 40 kN/m
fn = Hz
21.Warmtemotoren en koelmachinesGemiddeld
Een warmtemotor krijgt warmte van een bron op 300 °C en staat warmte af aan de omgeving op 25 °C. Het werkelijke thermisch rendement is 29%. Vind het exergetisch rendement ηII, de verhouding van het werkelijke rendement tot het Carnotrendement.
TH = 300 °CTL = 25 °Cη = 29%
ηII = %
22.Warmtemotoren en koelmachinesMoeilijk
Een koelkast houdt de koude ruimte op 5 °C in een keuken van 32 °C, en onttrekt warmte aan de koude ruimte met 1,5 kW. Vind het minimaal benodigde vermogen Ẇmin.
TH = 32 °CTL = 5 °CQ̇L = 1,5 kW
Ẇmin = kW
23.GaskringprocessenGemiddeld
Een ideaal Diesel-kringproces heeft een compressieverhouding r = 17 en een afsnijverhouding rc = v₃/v₂ = 1,5. Aan het begin van de compressie heeft de lucht 290 K. Gebruik de koude-luchtstandaardaannamen: lucht is een ideaal gas met constante soortelijke warmtes, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) en cv = 0,718 kJ/(kg·K). Vind de toegevoerde warmte qin per kilogram lucht, in kJ/kg.
r = 17rc = 1,5T1 = 290 Kk = 1,4cp = 1,005 kJ/(kg·K)
qin = kJ/kg
24.GaskringprocessenMoeilijk
Een gasturbine-installatie werkt volgens een Brayton-kringproces met een drukverhouding van de compressor van 8. Lucht komt de compressor in met 288 K en de turbine met 1200 K. De compressor heeft een isentroop rendement van 88% en de turbine 88%. Gebruik de koude-luchtstandaardaannamen: lucht is een ideaal gas met constante soortelijke warmtes, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) en cv = 0,718 kJ/(kg·K). Vind de netto arbeid wnet per kilogram lucht, in kJ/kg.
Water loopt uit een grote open tank via een scherpgerande opening met een diameter van 20 mm. Het waterniveau wordt op 5 m boven de opening gehouden en de afvoercoëfficiënt is 0,6. Vind het debiet Q. Gebruik g = 9,81 m/s².
d = 20 mmh = 5 mCd = 0,6g = 9,81 m/s²
Q = L/s
26.Continuïteit en BernoulliMoeilijk
Een slang met een binnendiameter van 20 mm hevelt water uit een open tank. Het hoogste punt C van de slang ligt 1,5 m boven het wateroppervlak, en de uitlaat (open naar de lucht) ligt 2,5 m onder het wateroppervlak. Verwaarloos verliezen en neem g = 9,81 m/s². Vind de absolute druk pC in punt C. De atmosferische druk is 101,3 kPa.
Water stroomt met een gemiddelde snelheid van 1,5 m/s door een leiding van 800 m lang met een binnendiameter van 300 mm. Gebruik de Darcy-wrijvingsfactor f = 0,015 en g = 9,81 m/s². Vind het wrijvingsverlies hf.
Twee open reservoirs zijn verbonden door een leiding van 100 m lang met een binnendiameter van 150 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,025. Het wateroppervlak van het bovenste reservoir ligt 8 m boven dat van het onderste. De plaatselijke verliezen zijn een scherpe intrede (K = 0,5), 4 bochten (K = 0,3 per stuk), een afsluiter (K = 10) en de uittrede in het lagere reservoir (K = 1,0). Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het debiet Q in L/s.
Een pomp met een rendement van 78% levert 100 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) tegen een opvoerhoogte van 52 m. Gebruik g = 9,81 m/s². Vind het benodigde asvermogen Pshaft, in kW.
Q = 100 L/sH = 52 mη = 78%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
30.Pompen en pompvermogenMoeilijk
Een pomp verplaatst 50 L/s water (ρ = 1000 kg/m³) van een open lager reservoir naar een hoger gelegen tank waarvan het wateroppervlak 14 m hoger ligt. De leiding is 100 m lang met een binnendiameter van 150 mm en een Darcy-wrijvingsfactor f = 0,018; de coëfficiënten voor plaatselijke verliezen tellen op tot ΣK = 8 (intrede en uittrede inbegrepen). Gebruik g = 9,81 m/s². Het pomprendement is 70%. Vind het asvermogen Pshaft in kW.
Een wand bestaat uit 250 mm gipsplaat en 25 mm beton, met een oppervlak van 12 m². De buitenzijden zijn 24 °C en 10 °C. Vind de warmtestroom Q̇ door de wand.
L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 24 °CT3 = 10 °C
Q̇ = W
32.WarmtegeleidingMoeilijk
Een wand van 150 mm minerale wol en 75 mm gipsplaat scheidt een kamer van 21 °C van de buitenlucht van -12 °C. De warmteoverdrachtscoëfficiënten zijn 6 W/(m²·K) binnen en 25 W/(m²·K) buiten, en het wandoppervlak is 6 m². Vind de temperatuur Ts van het binnenoppervlak van de wand.
L1 = 150 mm, k1 = 0,04 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -12 °C
Ts = °C
33.Tandwielen en tandwieloverbrengingenGemiddeld
Twee evenwijdige assen liggen 75 mm uit elkaar. Ze moeten worden verbonden met een paar rechte tandwielen met een module van 2,5 mm en een vertraging van 3 : 1. Hoeveel tanden N2 moet het tandwiel hebben?
a = 75 mmm = 2,5 mmi = 3
N2 =
34.Tandwielen en tandwieloverbrengingenMoeilijk
Een motor van 4 kW met 2900 rpm drijft tandwiel A (32 tanden) aan, dat ingrijpt in tandwiel B (72 tanden). Tandwiel C (24 tanden) op dezelfde as als B drijft tandwiel D (60 tanden) op de uitgaande as aan. Elke tandwielingrijping heeft een rendement van 95%. Vind het uitgaande koppel Tout.
Bepaal f(t) voor F(s) = (3s + 7)/(s² + 10s + 25) en bereken f(0,2).
F(s) = (3s + 7)/(s² + 10s + 25)t = 0,2 s
f(0.2) =
36.LaplacetransformatiesMoeilijk
Een systeem voldoet aan y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t), met y(0) = 4 en y′(0) = 0. Op t = 0 wordt een stap u(t) = 1 aangelegd. Gebruik de Laplacetransformatie om y(1) te bepalen.
Een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = 1(s + 5)/((s + 3)(s + 4)). Op de referentie wordt een stap van grootte 10 aangelegd. Bepaal de stationaire fout ess.
G(s) = 1(s + 5)/((s + 3)(s + 4))R = 10
ess =
38.Blokschema’sMoeilijk
Het proces G(s) = K/((s + 4)(s + 7)(s + 8)) staat in een lus met negatieve eenheidsterugkoppeling. Gebruik het criterium van Routh–Hurwitz om de grootste versterking Kmax te vinden waarvoor de gesloten lus stabiel is.
Een systeem heeft de overdrachtsfunctie G(s) = 63/(s² + 7s + 21) en krijgt een eenheidsstap als ingang. Vind de dempingsverhouding ζ.
G(s) = 63/(s² + 7s + 21)
ζ =
40.StapresponsieMoeilijk
Een massa m = 2 kg hangt aan een veer k = 1000 N/m met een viskeuze demper c = 18 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). In rust in evenwicht wordt plotseling een constante kracht F = 20 N aangelegd. Bepaal het tijdstip tp waarop de uitwijking het grootst is.
m = 2 kgk = 1000 N/mc = 18 N·s/mF = 20 N
tp = s
41.Stationaire fout en PID-regelingGemiddeld
Een lus met eenheidsterugkoppeling heeft G(s) = K/((s + 1)(s + 4)). Bepaal de versterking K die een stationaire fout van 4 % geeft voor een stapingang.
G(s) = K/((s + 1)(s + 4))ess = 4 %
K =
42.Stationaire fout en PID-regelingMoeilijk
Een proportionele regelaar K = 4 stuurt het proces G(s) = 10/(s(s + 2)) aan in een lus met eenheidsterugkoppeling. Bepaal de 2%-insteltijd ts van de stapresponsie, met ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 10/(s(s + 2))K = 4
ts = s
3Oplossingen
1.Oplegreacties van balken
Antwoord: RA = 31,25 kN
Statisch evenwicht: een lichaam in rust heeft ΣFx = 0, ΣFy = 0 en ΣM = 0 om elk punt. Momenten nemen om één oplegging haalt de reactie van die oplegging uit de vergelijking.
Vrijlichaamsschema
Vervang de opleggingen door reactiekrachten. Een rol geeft één verticale reactie; met alleen verticale belastingen geeft het scharnier ook één verticale reactie.
Evenwicht
Momenten om A, tegen de klok in positief. Daarna het verticale krachtenevenwicht.
ΣMA = 0: RB·4 = 50·2 + 25·3
RB = 175/4 = 43,75 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 43,75 = 31,25 kN
Antwoord
RA = 31,25 kN
2.Oplegreacties van balken
Antwoord: RB = 35,8 kN
Statisch evenwicht: een lichaam in rust heeft ΣFx = 0, ΣFy = 0 en ΣM = 0 om elk punt. Momenten nemen om één oplegging haalt de reactie van die oplegging uit de vergelijking.
Vrijlichaamsschema
Vervang de opleggingen door reactiekrachten. Een rol geeft één verticale reactie; met alleen verticale belastingen geeft het scharnier ook één verticale reactie.
Evenwicht
Momenten om A, tegen de klok in positief. Daarna het verticale krachtenevenwicht.
Resultante van de verdeelde belasting: W = w·ℓ = 12·6 = 72 kN, aangrijpend op x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·10 = 35·2 + 12·6·4
RB = 358/10 = 35,8 kN
ΣFy = 0: RA = 107 − 35,8 = 71,2 kN
Antwoord
RB = 35,8 kN
3.Axiale spanning en rek
Antwoord: δ = 0,1263 mm
Twee materialen: bij serie (na elkaar) draagt elk segment dezelfde kracht en de verlengingen tellen op: δ = P·Σ L/(E·A). Bij parallel (naast elkaar tussen stijve platen) worden beide delen evenveel korter, dus hun rekken zijn gelijk: het stijvere deel neemt het grotere aandeel op, Pi = P·EiAi/ΣEA, en σi = Ei·ε. Een staaf die tussen twee stijve wanden is ingeklemd met een belasting op de overgang is statisch onbepaald: de twee segmenten delen de belasting naar verhouding van hun stijfheid k = EA/L.
Oppervlakken
Ar = π·20²/4 = 314,2 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²
Gecombineerde axiale stijfheid
ΣEA = 200·10³·314,2 + 70·10³·5890 = 4,752 × 10⁸ N
Verkorting
δ = 150000·400/4,752 × 10⁸ = 0,1263 mm
Antwoord
δ = 0,1263 mm
4.Axiale spanning en rek
Antwoord: σmax = 174,1 MPa
Axiaal belaste staven: elk prismatisch deel volgt δ = PL/(AE). Voor delen in serie tellen de verlengingen op.
Dezelfde kracht in beide delen
Het vrije uiteinde draagt P, dus elke doorsnede van de staaf draagt dezelfde axiale kracht P. Alleen de oppervlakken en materialen veranderen.
Het dunnere deel heeft het kleinere oppervlak, dus het draagt de grotere spanning.
σmax = 174,1 MPa
Antwoord
σmax = 174,1 MPa
5.Torsie van assen
Antwoord: φ = 2,394 °
Torsie van ronde assen: de schuifspanning neemt lineair toe van nul in het midden tot τmax = T·r/J aan het oppervlak, met J = πd⁴/32 voor een massieve as en J = π(do⁴ − di⁴)/32 voor een holle. De wringhoek is φ = TL/(GJ) in radialen. Vermogen en koppel hangen samen via P = T·ω.
Polair traagheidsmoment
J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴
Wringhoek
φ = TL/(GJ) = 1000·1000·1000/(39000·613592) = 0,04179 rad
φ = 0,04179·180/π = 2,394°
Antwoord
φ = 2,394°
6.Torsie van assen
Antwoord: τmax = 33,95 MPa
Torsie van ronde assen: de schuifspanning neemt lineair toe van nul in het midden tot τmax = T·r/J aan het oppervlak, met J = πd⁴/32 voor een massieve as en J = π(do⁴ − di⁴)/32 voor een holle. De wringhoek is φ = TL/(GJ) in radialen. Vermogen en koppel hangen samen via P = T·ω. Als beide uiteinden zijn ingeklemd, geeft de statica alleen TA + TB = T₀; de tweede vergelijking is de vormveranderingsvoorwaarde (gelijke wringhoek van beide delen bij de belaste doorsnede).
Evenwicht en vormveranderingsvoorwaarde
TA + TB = 1000
TA·a = TB·b
TA = 1000·2,5/3 = 833,3 N·m
TB = 1000·0,5/3 = 166,7 N·m
Maximale schuifspanning
Het grootste van de twee momenten is maatgevend (zelfde diameter).
τmax = 16·833333/(π·50³) = 33,95 MPa
Antwoord
τmax = 33,95 MPa
7.Dwarskracht en buigend moment
Antwoord: MA = −124 kN·m
Snedemethode: snijd de balk door waar je de inwendige krachten wilt weten en houd één kant over. De dwarskracht V houdt de verticale krachten op die kant in evenwicht, en het buigend moment M hun momenten om de snede.
Houd het deel met het vrije uiteinde over
P: −25·4 = −100 kN·m
w: −3·4²/2 = −24 kN·m
MA = −100 − 24 = −124 kN·m
Antwoord
MA = −124 kN·m
Negatief betekent opbuigend (hogging): trek aan de bovenzijde.
8.Dwarskracht en buigend moment
Antwoord: Mmax = 55,42 kN·m
Snedemethode: snijd de balk door waar je de inwendige krachten wilt weten en houd één kant over. De dwarskracht V houdt de verticale krachten op die kant in evenwicht, en het buigend moment M hun momenten om de snede. Maximaal moment: omdat dM/dx = V, bereikt het buigend moment zijn piek waar de dwarskracht door nul gaat, bij een puntlast of binnen een verdeelde belasting.
Oplegreacties
Evenwicht van de hele balk.
Resultante van de verdeelde belasting: W = w·ℓ = 6·6 = 36 kN, aangrijpend op x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 20·3,5 + 6·6·3
RB = 178/6 = 29,67 kN
ΣFy = 0: RA = 56 − 29,67 = 26,33 kN
Waar is V = 0?
V(3,5⁻) = RA − w·3,5 = 5,333 kN
V(3,5⁺) = 5,333 − 20 = −14,67 kN
De dwarskracht wisselt van teken bij de last, dus het maximum ligt onder de last.
Transformatie van een vlakke spanningstoestand: op een vlak dat over θ gedraaid is, geldt σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. De cirkel van Mohr toont alle vlakken tegelijk: het middelpunt ligt bij C = (σₓ + σᵧ)/2 en de straal is R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). De hoofdspanningen zijn C ± R, en de grootste schuifspanning in het vlak is R.
Hoek op de cirkel
Punt x ligt op de cirkel van Mohr onder een hoek 2θp vanaf de σ-as; het kwadrant volgt uit de tekens van σₓ − σᵧ en τₓᵧ.
2θp = atan2(2·10, −60 − −30) = 146,3°
Hoek op het element
θp = 73,15°
Antwoord
θp = 73,15°
Positieve hoeken zijn tegen de klok in.
10.Cirkel van Mohr en spanningstransformatie
Antwoord: τmax = 40,29 MPa
Transformatie van een vlakke spanningstoestand: op een vlak dat over θ gedraaid is, geldt σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. De cirkel van Mohr toont alle vlakken tegelijk: het middelpunt ligt bij C = (σₓ + σᵧ)/2 en de straal is R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). De hoofdspanningen zijn C ± R, en de grootste schuifspanning in het vlak is R.
Doorbuiging van balken: doorbuigingen volgen uit het twee keer integreren van de kromming M/(EI). Standaardgevallen staan in tabellen, bijvoorbeeld PL³/(3EI) voor een uitkragende ligger met een eindlast en 5wL⁴/(384EI) voor een vrij opgelegde balk onder een volledige gelijkmatige belasting. Doorbuigingen door afzonderlijke belastingen tellen op (superpositie).
Consistente eenheden
Werk in N en mm: P in N, w in N/mm (kN/m = N/mm), L in mm, E in N/mm² (GPa × 1000), I in mm⁴.
w = 10 N/mm, L = 1500 mm
EI = 8,4 × 10¹¹ N·mm²
Doorbuiging
δ = wL⁴/(8EI) = 10·1500⁴/(8·8,4 × 10¹¹) = 7,533 mm
Antwoord
δ = 7,533 mm
12.Doorbuiging van de balk
Antwoord: δmax = 6,587 mm
Doorbuiging van balken: doorbuigingen volgen uit het twee keer integreren van de kromming M/(EI). Standaardgevallen staan in tabellen, bijvoorbeeld PL³/(3EI) voor een uitkragende ligger met een eindlast en 5wL⁴/(384EI) voor een vrij opgelegde balk onder een volledige gelijkmatige belasting. Doorbuigingen door afzonderlijke belastingen tellen op (superpositie).
Consistente eenheden
Werk in N en mm: P in N, w in N/mm (kN/m = N/mm), L in mm, E in N/mm² (GPa × 1000), I in mm⁴.
P = 29000 N, w = 5 N/mm, L = 4000 mm, EI = 8,4 × 10¹² N·mm²
Elke belasting afzonderlijk
δP = PL³/(48EI) = 29000·4000³/(48·8,4 × 10¹²) = 4,603 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·5·4000⁴/(384·8,4 × 10¹²) = 1,984 mm
Tel ze op
δmax = 4,603 + 1,984 = 6,587 mm
Antwoord
δmax = 6,587 mm
13.Knik van kolommen
Antwoord: Pcr = 12,56 kN
Knik volgens Euler: een slanke kolom wordt instabiel bij Pcr = π²EI/(KL)², waarbij KL de kniklengte is: K = 1 voor scharnier–scharnier, 2 voor ingeklemd–vrij, 0,7 voor ingeklemd–scharnier en 0,5 voor ingeklemd–ingeklemd. De kolom knikt om de as met de kleinste I. De formule geldt voor slanke kolommen, waarvan de kritieke spanning onder de vloeigrens blijft.
Knik volgens Euler: een slanke kolom wordt instabiel bij Pcr = π²EI/(KL)², waarbij KL de kniklengte is: K = 1 voor scharnier–scharnier, 2 voor ingeklemd–vrij, 0,7 voor ingeklemd–scharnier en 0,5 voor ingeklemd–ingeklemd. De kolom knikt om de as met de kleinste I. De formule geldt voor slanke kolommen, waarvan de kritieke spanning onder de vloeigrens blijft.
Benodigde kritieke belasting
Pcr = n·P = 2·105000 = 210000 N
KL = 0,5·4000 = 2000 mm
Los op naar de diameter
d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·210000·2000²/(π³·70000))^(1/4) = 70,55 mm
Antwoord
d = 70,55 mm
Controle: de slankheid KL/r is 113,4, dus de kolom is slank en Euler geldt.
15.Kogelbaan
Antwoord: H = 7,657 m
Kogelbaan: zonder luchtweerstand geldt x = vxt en y = h + vyt − ½gt². De twee richtingen zijn onafhankelijk, behalve dat ze dezelfde tijd delen.
Ontbind de beginsnelheid
De horizontale snelheid blijft constant; de verticale beweging heeft een constante versnelling g = 9,81 m/s² omlaag.
vx = v0·cos θ = 16·cos 50° = 10,28 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 50° = 12,26 m/s
Hoogste punt
Bovenaan is de verticale snelheid nul: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 12,26²/(2·9,81) = 7,657 m
Antwoord
H = 7,657 m
16.Kogelbaan
Antwoord: x = 91,38 m
Kogelbaan: zonder luchtweerstand geldt x = vxt en y = h + vyt − ½gt². De twee richtingen zijn onafhankelijk, behalve dat ze dezelfde tijd delen.
Ontbind de beginsnelheid
De horizontale snelheid blijft constant; de verticale beweging heeft een constante versnelling g = 9,81 m/s² omlaag.
vx = v0·cos θ = 25·cos 40° = 19,15 m/s
vy = v0·sin θ = 25·sin 40° = 16,07 m/s
Vliegtijd
Los y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 op voor de positieve wortel.
0 = 35 + 16,07·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (16,07 + √(258,2 + 686,7))/9,81 = 4,772 s
Horizontale afstand
x = vx·t = 19,15·4,772 = 91,38 m
Antwoord
x = 91,38 m
17.Arbeid en energie
Antwoord: P = 42,31 kW
Arbeid-energiestelling: de verandering van kinetische energie is gelijk aan de arbeid van alle krachten. Door zwaartekracht en veren als potentiële energie te schrijven (mgh en ½kx²) wordt dit een balans: beginenergie = eindenergie + energie verloren aan wrijving (μN·d). Vermogen is kracht maal snelheid: P = F·v.
Aandrijfkracht
m·g = 800·9,81 = 7848 N
mg·sin θ = 7848·sin 8° = 1092 N
F = 1092 + 600 = 1692 N
Vermogen
v = 90/3,6 = 25 m/s
P = F·v = 1692·25 = 42306 W = 42,31 kW
Antwoord
P = 42,31 kW
18.Arbeid en energie
Antwoord: d = 2,071 m
Arbeid-energiestelling: de verandering van kinetische energie is gelijk aan de arbeid van alle krachten. Door zwaartekracht en veren als potentiële energie te schrijven (mgh en ½kx²) wordt dit een balans: beginenergie = eindenergie + energie verloren aan wrijving (μN·d).
Veerenergie
x = 8 cm = 0,08 m
½kx² = ½·2000·0,08² = 6,4 J
Energiebalans langs de helling
m·g = 0,5·9,81 = 4,905 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 6,4/(4,905·(0,5 + 0,15·0,866)) = 2,071 m
Antwoord
d = 2,071 m
19.Mechanische trillingen
Antwoord: ζ = 0,1213
Vrije trilling van een massa-veersysteem: de ongedempte eigenhoekfrequentie is ωn = √(k/m) in rad/s, en fn = ωn/(2π) in Hz. Een viskeuze demper c geeft de dempingsverhouding ζ = c/cc, met kritische demping cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Een ondergedempt systeem (ζ < 1) trilt met ωd = ωn·√(1 − ζ²). Parallelle veren tellen op, k = k₁ + k₂; veren in serie tellen op via hun omgekeerde, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Vrije trilling van een massa-veersysteem: de ongedempte eigenhoekfrequentie is ωn = √(k/m) in rad/s, en fn = ωn/(2π) in Hz. Een viskeuze demper c geeft de dempingsverhouding ζ = c/cc, met kritische demping cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Een ondergedempt systeem (ζ < 1) trilt met ωd = ωn·√(1 − ζ²). Parallelle veren tellen op, k = k₁ + k₂; veren in serie tellen op via hun omgekeerde, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Vervangende stijfheid
Alleen k1 en k2 staan parallel. Dat paar staat in serie met k3, dus combineer ze via hun omgekeerde.
k12 = 100 + 50 = 150 kN/m
keq = 150·40/(150 + 40) = 31,58 kN/m
Eigenfrequentie
ωn = √(31579/5) = 79,47 rad/s
fn = 79,47/(2π) = 12,65 Hz
Antwoord
fn = 12,65 Hz
21.Warmtemotoren en koelmachines
Antwoord: ηII = 60,44 %
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.
Absolute temperaturen
TH = 300 + 273,15 = 573,1 K
TL = 25 + 273,15 = 298,1 K
Carnotrendement
ηCarnot = 1 − 298,1/573,1 = 47,98 %
Exergetisch rendement
ηII = η/ηCarnot = 29/47,98 = 60,44 %
Antwoord
ηII = 60,44 %
22.Warmtemotoren en koelmachines
Antwoord: Ẇmin = 0,1456 kW
Grenzen van de tweede hoofdwet: geen kringproces tussen reservoirs op absolute temperaturen TH en TL kan beter zijn dan het omkeerbare (Carnot)proces: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) en COPHP,max = TH/(TH − TL). Energie blijft altijd behouden: QH = W + QL.
Een omkeerbare machine, met de hoogste COP, heeft de minste arbeid nodig.
Ẇmin = Q̇L/COP = 1,5/10,3 = 0,1456 kW
Antwoord
Ẇmin = 0,1456 kW
23.Gaskringprocessen
Antwoord: qin = 452,6 kJ/kg
Diesel-kringproces (motor met compressieontsteking): 1→2 isentrope compressie, 2→3 warmtetoevoer bij constante druk, 3→4 isentrope expansie, 4→1 warmteafvoer bij constant volume. Met compressieverhouding r = v₁/v₂ en afsnijverhouding rc = v₃/v₂: T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) en η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1)).
Temperaturen
T2 = 290·170,4 = 900,7 K
T3 = 1,5·900,7 = 1351 K
Toegevoerde warmte bij constante druk
qin = 1,005·(1351 − 900,7) = 452,6 kJ/kg
Antwoord
qin = 452,6 kJ/kg
24.Gaskringprocessen
Antwoord: wnet = 208,5 kJ/kg
Brayton-kringproces (gasturbine): 1→2 isentrope compressie, 2→3 warmtetoevoer bij constante druk, 3→4 isentrope expansie in de turbine, 4→1 warmteafvoer bij constante druk. Met drukverhouding rp = P₂/P₁: T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k en η = 1 − 1/rp(k−1)/k. Netto arbeid w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Met isentrope rendementen heeft de compressor ws/ηc nodig en levert de turbine ηt·ws.
Isentrope temperaturen
T2s = 288·80,2857 = 521,7 K
T4s = 1200/80,2857 = 662,5 K
Compressor- en turbinearbeid
wc = 1,005·(521,7 − 288)/0,88 = 266,9 kJ/kg
wt = 0,88·1,005·(1200 − 662,5) = 475,4 kJ/kg
Netto arbeid
wnet = 475,4 − 266,9 = 208,5 kJ/kg
Antwoord
wnet = 208,5 kJ/kg
Verhouding compressor- tot turbinearbeid (back-work ratio): wc/wt = 56,14%.
25.Continuïteit en Bernoulli
Antwoord: Q = 1,867 L/s
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.
Ideale straalsnelheid
√(2gh) = √(2·9,81·5) = 9,905 m/s
Werkelijk debiet
De afvoercoëfficiënt houdt rekening met de contractie van de straal en de wrijving aan de rand.
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.
Snelheid in de slang
Oppervlak en uitlaat zijn allebei open naar de lucht, dus de drukterm valt weg.
Als deze druk daalt tot de dampdruk van het water, werkt de hevel niet meer.
27.Leidingwrijving en drukhoogteverlies
Antwoord: hf = 4,587 m
Leidingstroming: het getal van Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ onderscheidt laminaire stroming (Re onder ongeveer 2000) van turbulente stroming (boven ongeveer 4000). Wrijving langs een leiding kost het drukhoogteverlies volgens Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Hulpstukken, afsluiters, de intrede en de uittrede geven plaatselijke verliezen hm = ΣK·V²/(2g). Tussen twee open reservoiroppervlakken geeft de energievergelijking Δz = hf + hm, inclusief het uittredeverlies K = 1.
Snelheidshoogte
V²/(2g) = 1,5²/(2·9,81) = 0,1147 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(800/0,3)·1,5²/(2·9,81) = 4,587 m
Antwoord
hf = 4,587 m
28.Leidingwrijving en drukhoogteverlies
Antwoord: Q = 40,85 L/s
Leidingstroming: het getal van Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ onderscheidt laminaire stroming (Re onder ongeveer 2000) van turbulente stroming (boven ongeveer 4000). Wrijving langs een leiding kost het drukhoogteverlies volgens Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Hulpstukken, afsluiters, de intrede en de uittrede geven plaatselijke verliezen hm = ΣK·V²/(2g). Tussen twee open reservoiroppervlakken geeft de energievergelijking Δz = hf + hm, inclusief het uittredeverlies K = 1.
Verliescoëfficiënten
f·L/D = 0,025·100/0,15 = 16,67
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7
Energievergelijking
Beide oppervlakken staan open naar de lucht en zijn praktisch in rust, dus heel Δz gaat verloren in de leiding.
Pompvermogen: het vermogen dat aan het water wordt gegeven is het hydraulisch vermogen Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. De as moet meer leveren omdat de pomp verliezen heeft: Pshaft = Ph/ηpump, en de motor neemt Pel = Pshaft/ηmotor op. De opvoerhoogte H volgt uit de energievergelijking: statische opvoerhoogte + drukhoogte + alle wrijvings- en plaatselijke verliezen.
Hydraulisch vermogen
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,1·52 = 51,01 kW
Asvermogen
Pshaft = Ph/η = 51,01/0,78 = 65,4 kW
Antwoord
Pshaft = 65,4 kW
30.Pompen en pompvermogen
Antwoord: Pshaft = 15,53 kW
Pompvermogen: het vermogen dat aan het water wordt gegeven is het hydraulisch vermogen Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. De as moet meer leveren omdat de pomp verliezen heeft: Pshaft = Ph/ηpump, en de motor neemt Pel = Pshaft/ηmotor op. De opvoerhoogte H volgt uit de energievergelijking: statische opvoerhoogte + drukhoogte + alle wrijvings- en plaatselijke verliezen.
Warmteweerstand: stationaire warmtestroom door lagen in serie gedraagt zich als stroom door weerstanden in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, met R = L/(kA) voor een geleidende laag en R = 1/(hA) voor een oppervlak met convectie. Het temperatuurverschil over elke laag is evenredig met haar weerstand.
Weerstanden van de lagen
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·12) = 0,1225 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·12) = 0,001488 K/W
Warmtestroom
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 14/0,124 = 112,9 W
Antwoord
Q̇ = 112,9 W
32.Warmtegeleiding
Antwoord: Ts = 19,75 °C
Warmteweerstand: stationaire warmtestroom door lagen in serie gedraagt zich als stroom door weerstanden in serie: Q̇ = ΔT/ΣR, met R = L/(kA) voor een geleidende laag en R = 1/(hA) voor een oppervlak met convectie. Het temperatuurverschil over elke laag is evenredig met haar weerstand.
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.
Totaal aantal tanden
N1 + N2 = 2a/m = 2·75/2,5 = 60
Verdeel volgens de verhouding
N1 = 60/(1 + 3) = 15
N2 = 3·15 = 45
Antwoord
N2 = 45
34.Tandwielen en tandwieloverbrengingen
Antwoord: Tout = 66,87 N·m
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
Uitgaand toerental
nout = 2900·(32/72)·(24/60) = 515,6 rpm
ωout = 2π·515,6/60 = 53,99 rad/s
Uitgaand vermogen en koppel
Pout = 4000·0,95² = 3610 W
Tout = Pout/ωout = 3610/53,99 = 66,87 N·m
Antwoord
Tout = 66,87 N·m
35.Laplacetransformaties
Antwoord: f(0.2) = 0,515
Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 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), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Ontbind de noemer
s² + 10s + 25 = (s + 5)²
Partieelbreuken
3s + 7 = 3(s + 5) + −8
F(s) = 3/(s + 5) − 8/(s + 5)²
Inverse transformatie
f(t) = 3·e−5t − 8·t·e−5t
f(0,2) = (3 − 8·0,2)·e−5·0,2 = 0,515
Antwoord
f(0,2) = 0,515
36.Laplacetransformaties
Antwoord: y(1) = 2,374
Laplacetransformatie: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt maakt van afgeleiden vermenigvuldigingen met s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standaardparen: 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), en een verschuiving s → s + σ vermenigvuldigt de tijdfunctie met e−σt. Om een rationale F(s) terug te transformeren, splits je haar in partieelbreuken: het residu van een enkelvoudige pool p is A = [(s − p)·F(s)] bij s = p. Eindwaardestelling: f(∞) = lims→0 s·F(s), alleen geldig als alle polen van s·F(s) in het linkerhalfvlak liggen. Beginwaardestelling: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transformeer de vergelijking
(s² + 6s + 5)·Y(s) = 4s + 24 + 5/s
Y(s) = (4s² + 24s + 5)/(s(s + 1)(s + 5))
Partieelbreuken
A = 5/(1·5) = 1
B = −15/((−1)·4) = 3,75
C = −15/((−5)·(−4)) = −0,75
Resultaat
y(t) = 1 + 3,75·e−t − 0,75·e−5t
y(1) = 2,374
Antwoord
y(1) = 2,374
Controle: y(0) = A + B + C = 4.
37.Blokschema’s
Antwoord: ess = 7,059
Blokschema-algebra: blokken in serie vermenigvuldig je (G₁·G₂), blokken parallel tel je op (G₁ + G₂), en een lus met voorwaarts pad G en terugkoppelpad H reduceert tot T = G/(1 + G·H) bij negatieve terugkoppeling en G/(1 − G·H) bij positieve terugkoppeling. Reduceer eerst de binnenste lussen en werk dan naar buiten. De gesloten-lus-polen zijn de wortels van de karakteristieke vergelijking 1 + G(s)H(s) = 0. Voor een stabiele lus geeft een stapingang van grootte A de stationaire uitgang A·T(0); bij eenheidsterugkoppeling is de stationaire fout op een stap A/(1 + Kp) met Kp = G(0).
Positiefoutconstante
Kₚ = G(0) = 1·5/(3·4) = 0,4167
Stationaire fout
ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 0,4167) = 7,059
Antwoord
ess = 7,059
38.Blokschema’s
Antwoord: Kmax = 1980
Blokschema-algebra: blokken in serie vermenigvuldig je (G₁·G₂), blokken parallel tel je op (G₁ + G₂), en een lus met voorwaarts pad G en terugkoppelpad H reduceert tot T = G/(1 + G·H) bij negatieve terugkoppeling en G/(1 − G·H) bij positieve terugkoppeling. Reduceer eerst de binnenste lussen en werk dan naar buiten. De gesloten-lus-polen zijn de wortels van de karakteristieke vergelijking 1 + G(s)H(s) = 0. Voor een stabiele lus geeft een stapingang van grootte A de stationaire uitgang A·T(0); bij eenheidsterugkoppeling is de stationaire fout op een stap A/(1 + Kp) met Kp = G(0).
Karakteristieke vergelijking
s³ + 19s² + 116s + 224 + K = 0
Routh-schema
s³ | 1 116
s² | 19 224 + K
s¹ | (19·116 − 224 − K)/19
s⁰ | 224 + K
Stabiliteitsgrens
Alle elementen van de eerste kolom moeten positief zijn.
Kmax = 19·116 − 224 = 1980
Antwoord
Kmax = 1980
39.Stapresponsie
Antwoord: ζ = 0,7638
Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).
Vergelijk met de standaardvorm
De noemer moet overeenkomen met s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 21 → ωₙ = 4,583 rad/s
2ζωₙ = 7 → ζ = 7/(2·4,583) = 0,7638
Resultaat
ζ = 0,7638
Antwoord
ζ = 0,7638
40.Stapresponsie
Antwoord: tp = 0,1434 s
Stapresponsie: een eerste-ordesysteem G(s) = K/(τs + 1) beantwoordt een stap van grootte U met y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): het bereikt 63,2 % van de eindwaarde K·U na één tijdconstante τ en 98 % na 4τ. Een tweede-ordesysteem G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) heeft de polen s = −ζωₙ ± jωd met ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Voor 0 < ζ < 1 schiet de stapresponsie door: procentuele overshoot %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), piektijd tp = π/ωd, en de 2%-insteltijd ts ≈ 4/(ζωₙ). Vergelijk de noemer met s² + 2ζωₙs + ωₙ² om ωₙ en ζ af te lezen. Voor een massa-veer-demper is ωₙ = √(k/m) en ζ = c/(2√(km)); voor een serie-RLC-schakeling is ωₙ = 1/√(LC) en ζ = (R/2)·√(C/L).
Eigenfrequentie en dempingsfactor
ωₙ = √(k/m) = √(1000/2) = 22,36 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 18/(2·√(1000·2)) = 0,2012
Resultaat
ωd = 21,9 rad/s
tp = π/ωd = 0,1434 s
Antwoord
tp = 0,1434 s
41.Stationaire fout en PID-regeling
Antwoord: K = 96
Stationaire fout: in een lus met eenheidsterugkoppeling en open-lusoverdrachtsfunctie G(s) is de fout E(s) = R(s)/(1 + G(s)), en volgens de eindwaardestelling is ess = lims→0 s·E(s). Het systeemtype is het aantal polen van G(s) bij s = 0. De foutconstanten zijn Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) en Ka = lim s²·G(s), allemaal voor s → 0. Een stap van grootte A geeft ess = A/(1 + Kp), een helling A·t geeft A/Kv en een parabool A·t²/2 geeft A/Ka. Een type-0-lus volgt een stap met een eindige fout, een type-1-lus volgt een stap exact en een helling met een eindige fout.
Vereiste foutconstante
1/(1 + Kp) = 0,04 → Kp = 24
Versterking
K/4 = 24 → K = 96
Antwoord
K = 96
Controleer ook de stabiliteit van de gesloten lus: voor deze tweedegraads lus is elke K > 0 stabiel.
42.Stationaire fout en PID-regeling
Antwoord: ts = 4 s
P-, PI- en PID-regeling: de regelaar C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s werkt op de fout. Een proportionele versterking maakt de lus sneller en verkleint de fout van een type-0-proces, maar neemt die nooit weg. De integrerende term voegt een pool toe bij s = 0: het systeemtype gaat met één omhoog en een stap wordt zonder fout gevolgd. De differentiërende term voegt demping toe. Om de versterkingen te kiezen, schrijf je het karakteristieke polynoom van de gesloten lus op en vergelijk je het met s² + 2ζωns + ωn². Dan geldt %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd met ωd = ωn√(1 − ζ²), en ts ≈ 4/(ζωn).
Karakteristiek polynoom
s(s + 2) + 4·10 = s² + 2s + 40
ωₙ en ζ
ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 2/(2·6,325) = 0,1581
Insteltijd
ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/1 = 4 s
Antwoord
ts = 4 s
De insteltijd hangt hier niet af van K: een grotere K laat de respons alleen sneller oscilleren.