Przygotowanie do egzaminu FE Mechanical: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 42 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Reakcje podpór belek

Równowaga
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Obciążenie równomierne
wypadkowa w·L w środku obciążenia
Moment
M = F·d

Metoda

  1. Narysuj schemat sił i zastąp każdą podporę jej reakcjami.
  2. Zastąp każde obciążenie ciągłe jedną siłą przyłożoną w jego środku ciężkości.
  3. Napisz równanie momentów względem jednej podpory, aby wyznaczyć reakcję w drugiej.
  4. Z ΣFy = 0 wyznacz pozostałą reakcję i sprawdź drugim równaniem momentów.

Naprężenie i odkształcenie osiowe

Naprężenie normalne
σ = F/A
Odkształcenie
ε = ΔL/L
Prawo Hooke’a
σ = E·ε
Wydłużenie
ΔL = FL/(EA)
Odkształcenie termiczne
εT = α·ΔT

Skręcanie wałów

Naprężenie styczne
τ = T·r/J
Wał pełny
J = πd⁴/32
Wał drążony
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Kąt skręcenia
φ = TL/(GJ)
Moc
P = T·ω = 2πnT/60

Metoda

  1. Wyznacz biegunowy moment bezwładności: J = πd⁴/32 dla wału pełnego.
  2. Naprężenie styczne na powierzchni: τ = T·r/J, gdzie r to promień zewnętrzny.
  3. Kąt skręcenia: φ = TL/(GJ) w radianach.
  4. Jeśli podana jest moc, najpierw wyznacz moment z P = T·ω, ω = 2πn/60.

Siła tnąca i moment zginający

Siła tnąca i moment
V = ΣF po jednej stronie, M = ΣF·d po jednej stronie
Naprężenie od zginania
σ = M·y/I
Prostokąt
I = bh³/12
Wskaźnik wytrzymałości przekroju
W = I/ymax
Swobodnie podparta, obciążenie równomierne
Mmax = wL²/8

Metoda

  1. Wyznacz reakcje podpór z równowagi całej belki.
  2. Przetnij belkę w potrzebnym przekroju i zostaw jedną stronę.
  3. Siła tnąca: suma sił pionowych po tej stronie. Moment zginający: suma ich momentów względem przekroju.
  4. Aby znaleźć moment maksymalny, wyznacz miejsce, w którym siła tnąca jest równa zeru.

Koło Mohra i transformacja naprężeń

Środek
C = (σx + σy)/2
Promień
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Naprężenia główne
σ1,2 = C ± R
Kierunek główny
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Płaszczyzna ukośna
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Metoda

  1. Oblicz środek koła Mohra: C = (σx + σy)/2.
  2. Oblicz promień: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Naprężenia główne to C ± R, a największe naprężenie styczne w płaszczyźnie to R.
  4. Kąty na kole są dwa razy większe niż kąty na elemencie: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Ugięcie belki

Siła skupiona w środku rozpiętości
δ = PL³/(48EI)
Obciążenie równomierne, belka swobodnie podparta
δ = 5wL⁴/(384EI)
Wspornik, siła na końcu
δ = PL³/(3EI)
Wspornik, obciążenie równomierne
δ = wL⁴/(8EI)
Superpozycja
δ = δ1 + δ2

Wyboczenie słupów

Siła krytyczna Eulera
Pcr = π²EI/(KL)²
Współczynnik długości wyboczeniowej
K = 1 przegub–przegub, 0,5 utwierdzenie–utwierdzenie, 0,7 utwierdzenie–przegub, 2 utwierdzenie–wolny koniec
Naprężenie krytyczne
σcr = Pcr/A
Smukłość
λ = KL/r, r = √(I/A)

Rzut ukośny

Składowe
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Położenie
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Maksymalna wysokość
H = h + vy²/(2g)
Zasięg (teren płaski)
R = v0²·sin 2θ/g

Metoda

  1. Rozłóż prędkość początkową na składowe: vx = v₀·cos θ i vy = v₀·sin θ.
  2. Ruch poziomy ma stałą prędkość; ruch pionowy ma przyspieszenie −g.
  3. Wyznacz czas lotu z ruchu pionowego.
  4. Użyj tego czasu w ruchu poziomym, aby wyznaczyć zasięg.

Praca i energia

Energia kinetyczna
Ek = ½mv²
Energia potencjalna
Ep = mgh
Bilans energii
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Praca tarcia
W = μ·N·d
Moc
P = W/t

Drgania mechaniczne

Częstotliwość drgań własnych
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Z ugięcia statycznego
ωn = √(g/δst)
Tłumienie krytyczne
cc = 2√(km) = 2mωn
Współczynnik tłumienia
ζ = c/cc
Częstotliwość drgań tłumionych
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Logarytmiczny dekrement tłumienia
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Sprężyny połączone równolegle
k = k1 + k2
Sprężyny połączone szeregowo
1/k = 1/k1 + 1/k2

Silniki cieplne i chłodziarki

Sprawność
η = W/QH = 1 − QC/QH
Sprawność Carnota
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP chłodziarki
COPR = QC/W
COP pompy ciepła
COPHP = QH/W = COPR + 1
Bilans energii
QH = W + QC

Obiegi silników cieplnych gazowych

Izentropa, stosunek objętości
T2/T1 = rk−1
Izentropa, stosunek ciśnień
T2/T1 = rp(k−1)/k
Sprawność obiegu Otto
η = 1 − 1/rk−1
Sprawność obiegu Diesla
η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
Sprawność obiegu Braytona
η = 1 − 1/rp(k−1)/k
Doprowadzone ciepło
Otto: cv(T3 − T2) Diesel, Brayton: cp(T3 − T2)
Praca netto obiegu Braytona
w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
Sprawności izentropowe
wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
Model zimnego powietrza
k = 1,4, cp = 1,005, cv = 0,718 kJ/(kg·K)

Ciągłość i Bernoulli

Ciągłość
A1v1 = A2v2
Bernoulli
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Natężenie przepływu
Q = A·v
Pole koła
A = πd²/4

Tarcie w rurach i straty wysokości

Liczba Reynoldsa
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Charakter przepływu
laminarny poniżej Re ≈ 2000, turbulentny powyżej Re ≈ 4000
Prędkość średnia
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Straty miejscowe
hm = ΣK·V²/(2g)
Typowe wartości K
wlot 0,5, wylot 1,0, kolano 90° ≈ 0,3
Spadek ciśnienia
Δp = ρ·g·hf
Dwa otwarte zbiorniki
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Swobodny wypływ
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompy i moc pomp

Moc hydrauliczna
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Moc na wale
Pshaft = Ph/ηpump
Moc elektryczna
Pel = Pshaft/ηmotor
Wysokość podnoszenia pompy
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Straty w instalacji
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Przewodzenie ciepła

Prawo Fouriera
Q̇ = kAΔT/L
Opór cieplny przewodzenia
R = L/(kA)
Opór cieplny konwekcji
R = 1/(hA)
Opory szeregowo
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Współczynnik U
U = 1/(ΣR·A)

Koła i przekładnie zębate

Zazębione koła
n1·N1 = n2·N2
Moment skręcający
T2 = T1·(N2/N1)·η
Moc
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Przekładnia wielostopniowa
przełożenie całkowite = iloczyn przełożeń poszczególnych stopni

Uchyb ustalony i regulacja PID

Typ układu
liczba biegunów G(s) w s = 0
Stałe uchybowe
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Skok A
ess = A/(1 + Kp)
Narastanie liniowe A·t
ess = A/Kv
Parabola A·t²/2
ess = A/Ka
Regulator PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Cel drugiego rzędu
s² + 2ζωns + ωn²
Przeregulowanie i czasy
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Metoda

  1. Policz bieguny układu otwartego C(s)·G(s) w s = 0: to typ układu.
  2. Wyznacz stałą uchybową pasującą do wejścia: Kp dla skoku, Kv dla narastania liniowego, Ka dla paraboli.
  3. Zastosuj ess = A/(1 + Kp), A/Kv lub A/Ka albo rozwiąż to względem potrzebnego wzmocnienia.
  4. Przy wymaganiu dotyczącym tłumienia lub prędkości zapisz wielomian charakterystyczny układu zamkniętego i porównaj go z s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Zadania do ćwiczenia

1.Reakcje podpór belekŚredni
w0​ = 4 kN/mP = 65 kNABRA​ = ?4 m2 m

Belka swobodnie podparta (podpora nieprzesuwna w A, przesuwna w B) przenosi obciążenie liniowo zmienne, rosnące od zera w A do 4 kN/m w B. W odległości 4 m od A działa też siła skupiona P. Wyznacz pionową reakcję podpory RA.

L = 6 mw0 = 4 kN/mP = 65 kN w 4 m
RA = kN
2.Reakcje podpór belekTrudny
w = 3 kN/mP = 35 kNABCRB​ = ?1 m2 m2 m3 m

Belka ma podporę nieprzesuwną w A i przesuwną w B, w odległości 5 m od A, i wystaje poza B aż do swobodnego końca C. Przenosi siłę skupioną P w odległości 1 m od A oraz obciążenie równomiernie rozłożone w od 3 m do swobodnego końca w 8 m. Wyznacz reakcję pionową RB, przyjmując zwrot w górę jako dodatni.

AB = 5 mAC = 8 mP = 35 kN w 1 mw = 3 kN/m od 3 do 8 m
RB = kN
3.Naprężenie i odkształcenie osioweŚredni
Ø 10 mmAluminium0,5 mP = 40 kN

Wyznacz wydłużenie δ pręta (aluminium) pod obciążeniem osiowym.

P = 40 kNd = 10 mmL = 0,5 mE = 70 GPa
δ = mm
4.Naprężenie i odkształcenie osioweTrudny
Ø 25 mmAluminium2 mØ 12 mmAluminium1 mP = 20 kN

Pręt schodkowy jest utwierdzony w ścianie i obciążony na swobodnym końcu. Wyznacz największe naprężenie normalne σmax w pręcie.

P = 20 kNodcinek 1: Ø25 mm, 2 m, aluminium (E = 70 GPa)odcinek 2: Ø12 mm, 1 m, aluminium (E = 70 GPa)
σmax = MPa
5.Skręcanie wałówŚredni
d1​ = 40 mmd2​ = 20 mmT = 400 N·mABC0,5 m2 m

Pełny wał schodkowy (stal) jest utwierdzony w A. Odcinek AB ma średnicę 40 mm i długość 0,5 m; odcinek BC ma średnicę 20 mm i długość 2 m. Na swobodnym końcu C działa moment skręcający 400 N·m. Wyznacz maksymalne naprężenie styczne τmax w wale.

T = 400 N·md1 = 40 mm, L1 = 0,5 md2 = 20 mm, L2 = 2 m
τmax = MPa
6.Skręcanie wałówTrudny
Td = ?

Pełny wał ma przenosić 30 kW przy 1450 obr/min bez przekroczenia naprężenia stycznego 60 MPa. Wyznacz najmniejszą średnicę d, która wystarczy.

P = 30 kWN = 1450 rpmτallow = 60 MPa
d = mm
7.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
4 kN/m25 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

Punkty od A do G dzielą belkę na sześć równych części. W którym punkcie moment zginający ma największą wartość bezwzględną, dodatni lub ujemny? Kliknij go na rysunku.

25 kN @ 4 m4 kN/m, 0–4 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
8.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
w = 6 kN/mP = 10 kNABprzekrój2,5 m1,5 m

Wyznacz moment zginający Mx w przekroju x = 2,5 m od podpory A. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.

L = 4 mP = 10 kN w 2,5 mw = 6 kN/m od 0 do 4 mx = 2,5 m
Mx = kN·m
9.Koło Mohra i transformacja naprężeńŚredni
σx​ = 30σy​ = 90τxy​ = −20MPa

W pewnym punkcie obciążonej części występują σₓ = 30 MPa, σᵧ = 90 MPa i τₓᵧ = −20 MPa (rozciąganie dodatnie). Wyznacz kąt θp od osi x do kierunku największego naprężenia głównego, z przedziału od −90° do 90°.

σx = 30 MPaσy = 90 MPaτxy = −20 MPa
θp = °
10.Koło Mohra i transformacja naprężeńTrudny
σx​τxy​powierzchnia wału

Pełny wał o średnicy 20 mm przenosi osiową siłę ściskającą 160 kN wraz z momentem skręcającym 400 N·m. Na powierzchni wału, wyznacz największe naprężenie główne σ1.

d = 20 mmF = −160 kNT = 400 N·m
σ1 = MPa
11.Ugięcie belkiŚredni
w = 4 kN/mABθ3 m

Belka swobodnie podparta przenosi obciążenie równomiernie rozłożone w na całej rozpiętości. Wyznacz kąt obrotu θA belki na podporze A, w radianach.

w = 4 kN/mL = 3 mE = 11 GPa (drewno konstrukcyjne)I = 84 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
12.Ugięcie belkiTrudny
w = 20 kN/mδL = 8 m

Belka swobodnie podparta przenosi obciążenie równomiernie rozłożone w. Jej ugięcie nie może przekroczyć rozpiętość/360. Wyznacz najmniejszy moment bezwładności Ireq, który spełnia ten warunek.

w = 20 kN/mL = 8 mE = 70 GPa (aluminium)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
13.Wyboczenie słupówŚredni
PL = 5 md = 80 mmprzekrój poprzeczny

Słup o długości L z materiału (aluminium) jest utwierdzony na obu końcach. Korzystając ze wzoru Eulera, wyznacz jego siłę krytyczną Pcr.

L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 80 mm
Pcr = kN
14.Wyboczenie słupówTrudny
P = 15 kNL = 2,5 md = ?przekrój poprzeczny

Pełny słup okrągły o długości L z materiału (aluminium) jest przegubowo podparty na obu końcach. Ma przenieść 15 kN przy współczynniku bezpieczeństwa 2,5 względem wyboczenia. Wyznacz najmniejszą średnicę d.

P = 15 kNn = 2,5L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm
15.Rzut ukośnyŚredni
v0​ = ?30°R = 105 m

Piłkę wyrzucono z poziomego terenu pod kątem 30° do poziomu i upadła 105 m dalej. Pomiń opór powietrza i przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz prędkość początkową v0.

θ = 30°R = 105 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
16.Rzut ukośnyTrudny
h = 60 mv0​ = 28 m/s70°H = ?

Piłkę wyrzucono z prędkością 28 m/s pod kątem 70° do poziomu ze szczytu klifu o wysokości 60 m. Pomiń opór powietrza i przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz największą wysokość H nad ziemią u podnóża klifu.

v₀ = 28 m/sθ = 70°h = 60 mg = 9,81 m/s²
H = m
17.Praca i energiaŚredni
40°d = 11 mμ = 0,1

Klocek zsuwa się bez prędkości początkowej po zboczu nachylonym pod kątem 40° do poziomu. Współczynnik tarcia kinetycznego wynosi 0,1. Wyznacz jego prędkość v po przebyciu 11 m wzdłuż zbocza.

θ = 40°μ = 0,1d = 11 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
18.Praca i energiaTrudny
2 kg5 kgμ = 0,3d = 2 m

Klocek o masie 2 kg leży na chropowatym poziomym stole (μ = 0,3). Lekka nić biegnie od niego przez gładki bloczek na krawędzi stołu do wiszącego klocka o masie 5 kg. Układ zostaje puszczony ze spoczynku. Wyznacz prędkość v klocków po opadnięciu wiszącego klocka o 2 m.

m1 = 2 kgm2 = 5 kgμ = 0,3d = 2 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
19.Drgania mechaniczneŚredni
tx40 mmLiczba cykli: 214,6 mm

W próbie drgań swobodnych tłumionego układu masa–sprężyna po maksimum przemieszczenia 40 mm po 2 cyklach następuje maksimum 14,6 mm. Wyznacz współczynnik tłumienia ζ.

x0 = 40 mmx2 = 14,6 mmn = 2
ζ =
20.Drgania mechaniczneTrudny
k1​ = 10k2​ = 25m = 25 kg

Masa 25 kg wisi na dwóch sprężynach połączonych jedna pod drugą (szeregowo): górna sprężyna ma k₁ = 10 kN/m, a dolna k₂ = 25 kN/m. Pomiń tłumienie i masy sprężyn. Wyznacz częstotliwość drgań własnych fn w kierunku pionowym w Hz.

m = 25 kgk1 = 10 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz
21.Silniki cieplne i chłodziarkiŚredni
TH​ = 30 °CTL​ = 2 °CRQ̇H​ = ?Q̇L​ = 8,5 kWẆ

Odwracalna chłodziarka utrzymuje w chłodni temperaturę 2 °C, odbierając 8,5 kW ciepła, i oddaje ciepło do otoczenia o temperaturze 30 °C. Wyznacz strumień ciepła oddawanego Q̇H.

TL = 2 °CTH = 30 °CQ̇L = 8,5 kW
Q̇H = kW
22.Silniki cieplne i chłodziarkiTrudny
TH​ = 25 °CTL​ = 4 °CRQ̇H​Q̇L​ = 2,5 kWẆ = ?

Lodówka utrzymuje w komorze chłodniczej 4 °C w kuchni o temperaturze 25 °C, odbierając ciepło z komory w ilości 2,5 kW. Wyznacz minimalną moc napędową Ẇmin.

TH = 25 °CTL = 4 °CQ̇L = 2,5 kW
Ẇmin = kW
23.Obiegi silników cieplnych gazowychŚredni
vP1234qin​qout​

Idealny obieg Diesla ma stopień sprężania r = 17 i stopień obciążenia rc = v₃/v₂ = 2,2. Na początku sprężania powietrze ma temperaturę 300 K. Przyjmij założenia modelu zimnego powietrza: powietrze jest gazem doskonałym o stałych ciepłach właściwych, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) i cv = 0,718 kJ/(kg·K). Wyznacz doprowadzone ciepło qin na kilogram powietrza, w kJ/kg.

r = 17rc = 2,2T1 = 300 Kk = 1,4cp = 1,005 kJ/(kg·K)
qin = kJ/kg
24.Obiegi silników cieplnych gazowychTrudny
vP1234qin​qout​

Idealny obieg Braytona pracuje przy stosunku ciśnień w sprężarce 16. Przyjmij założenia modelu zimnego powietrza: powietrze jest gazem doskonałym o stałych ciepłach właściwych, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) i cv = 0,718 kJ/(kg·K). Wyznacz jego sprawność cieplną η w procentach.

rp = 16k = 1,4
η = %
25.Ciągłość i BernoulliŚredni
d1​ = 100 mmd2​ = 50 mm12p1​ − p2​ = 45 kPaQ = ?

Woda płynie przez poziomą zwężkę Venturiego o średnicy wlotowej 100 mm i średnicy gardzieli 50 mm. Ciśnienie na wlocie jest o 45 kPa wyższe niż w gardzieli. Pomijając straty, wyznacz natężenie przepływu Q.

d1 = 100 mmd2 = 50 mmp1 − p2 = 45 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
26.Ciągłość i BernoulliTrudny
d1​ = 250 mmd2​ = 125 mm12Δh = 260 mmrtęćQ = ?

Pozioma zwężka Venturiego (wlot 250 mm, gardziel 125 mm) przepuszcza wodę. Rtęciowy manometr U-rurkowy podłączony między wlotem a gardzielą pokazuje różnicę poziomów 260 mm. Współczynnik przepływu wynosi 0,99. Wyznacz natężenie przepływu Q. Przyjmij ρ = 1000 kg/m³ dla wody, 13 600 kg/m³ dla rtęci i g = 9,81 m/s².

d1 = 250 mmd2 = 125 mmΔh = 260 mmCd = 0,99ρHg = 13 600 kg/m³g = 9,81 m/s²
Q = L/s
27.Tarcie w rurach i straty wysokościŚredni
V = 1,1 m/sD = 75 mmL = 500 mf = 0,018

Woda płynie z prędkością średnią 1,1 m/s przez rurę o długości 500 m i średnicy wewnętrznej 75 mm. Przyjmij współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,018 i g = 9,81 m/s². Wyznacz stratę wysokości na tarcie hf.

V = 1,1 m/sL = 500 mD = 75 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
28.Tarcie w rurach i straty wysokościTrudny
K = 2swobodny wypływH = ?L = 300 m, D = 300 mm, f = 0,0184× kolano (K = 0,3)

Rura o długości 300 m i średnicy wewnętrznej 300 mm (współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,018) wychodzi z otwartego zbiornika i wypływa swobodnym strumieniem do atmosfery. Straty miejscowe to: wlot o ostrej krawędzi (K = 0,5), kolana w liczbie 4 (K = 0,3 każde) i zawór (K = 2). Przyjmij g = 9,81 m/s². O ile H zwierciadło wody w zbiorniku musi leżeć wyżej niż wylot rury, aby natężenie przepływu wynosiło 200 L/s?

Q = 200 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 2
H = m
29.Pompy i moc pompŚredni
PQ = 15 L/sH = 32 m

Pompa tłoczy 15 L/s wody (ρ = 1000 kg/m³) przy wysokości podnoszenia 32 m. Sprawność pompy wynosi 85%, a napędzającego ją silnika elektrycznego 94%. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz moc elektryczną Pel pobieraną przez silnik, w kW.

Q = 15 L/sH = 32 mηpump = 85%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
30.Pompy i moc pompTrudny
400 kPa (nadciśnienie)PQ = 12 L/sΔz = 5 mL = 600 m, D = 100 mm, f = 0,018, ΣK = 8

Pompa przetłacza 12 L/s wody (ρ = 1000 kg/m³) z otwartego dolnego zbiornika do górnego zbiornika, którego zwierciadło wody leży 5 m wyżej. Rura ma długość 600 m, średnicę wewnętrzną 100 mm i współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,018; współczynniki strat miejscowych sumują się do ΣK = 8 (łącznie z wlotem i wylotem). Przyjmij g = 9,81 m/s². Górny zbiornik jest zamknięty, a powietrze nad wodą ma nadciśnienie 400 kPa. Wyznacz wysokość podnoszenia H, którą musi zapewnić pompa.

Q = 12 L/sΔz = 5 mL = 600 mD = 100 mmf = 0,018ΣK = 8ptank = 400 kPa
H = m
31.Przewodzenie ciepłaŚredni
Beton, k = 1,4250 mmStyropian, k = 0,03550 mm21 °C3 °CTi​ = ?Q̇

Ściana składa się z 250 mm (beton) i 50 mm (styropian), a jej pole wynosi 20 m². Powierzchnie zewnętrzne mają 21 °C i 3 °C. Wyznacz temperaturę Ti na styku dwóch warstw.

L1 = 250 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,035 W/(m·K)A = 20 m²T1 = 21 °CT3 = 3 °C
Ti = °C
32.Przewodzenie ciepłaTrudny
Drewno, k = 0,17250 mmWełna mineralna, k = 0,0425 mmpomieszczenie 20 °Cna zewnątrz -7 °CQ̇ = ?

Ściana z 250 mm (drewno) i 25 mm (wełna mineralna) oddziela pomieszczenie o temperaturze 20 °C od powietrza zewnętrznego o temperaturze -7 °C. Współczynniki przejmowania ciepła wynoszą 7,7 W/(m²·K) wewnątrz i 20 W/(m²·K) na zewnątrz, a pole ściany 20 m². Wyznacz straty ciepła Q̇ przez ścianę.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -7 °C
Q̇ = W
33.Koła i przekładnie zębateŚredni
N1​ = 25, m = 3 mm

Silnik o mocy 22 kW pracujący z prędkością 1450 rpm napędza zębnik o 25 zębach i module 3 mm. Wyznacz siłę obwodową Ft działającą na zęby zębnika.

P = 22 kWn = 1450 rpmN1 = 25m = 3 mm
Ft = N
34.Koła i przekładnie zębateTrudny
A = 40B = 45C = 15D = 24

W przekładni dwustopniowej koło A (40 zębów) na wale wejściowym, obracające się z prędkością 3000 rpm, napędza koło B (45 zębów). Koło C (15 zębów) jest osadzone na tym samym wale co B i napędza koło D (24 zębów) na wale wyjściowym. Wyznacz prędkość obrotową na wyjściu nout.

nin = 3000 rpmA = 40B = 45C = 15D = 24
nout = rpm
35.Transformaty Laplace’aŚredni
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Znajdź f(t) dla F(s) = 40/(s(s + 1)(s + 2)) metodą rozkładu na ułamki proste i oblicz f(0,4).

F(s) = 40/(s(s + 1)(s + 2))t = 0,4 s
f(0.4) =
36.Transformaty Laplace’aTrudny
t (s)y(t)t = 0,6y(0,6) = ?

Układ spełnia równanie y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t), przy y(0) = 5 i y′(0) = 0. W chwili t = 0 podano na wejście skok u(t) = 2. Za pomocą transformaty Laplace’a znajdź y(0,6).

y″ + 4y′ + 3y = 12·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 2t = 0,6 s
y(0.6) =
37.Schematy blokoweŚredni
R(s)+3K+3s + 7G(s)C(s)4H₁−−

Obiekt G(s) = 3/(s + 7) ma wewnętrzną (podrzędną) pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego ze wzmocnieniem H₁ = 4. Wzmocnienie regulatora K = 3 i zewnętrzna pętla jednostkowego ujemnego sprzężenia zwrotnego zamykają układ. Znajdź biegun układu zamkniętego p.

G(s) = 3/(s + 7)H₁ = 4K = 3
p =
38.Schematy blokoweTrudny
R(s)+Kregulator+D(s)+6s + 3obiektC(s)−

Regulator proporcjonalny K steruje obiektem G(s) = 6/(s + 3) w pętli jednostkowego ujemnego sprzężenia zwrotnego. Skok zakłócenia o wielkości 2 wchodzi na wejście obiektu, gdy R = 0. Znajdź najmniejsze wzmocnienie K, przy którym wyjście w stanie ustalonym nie przekracza 0,04.

G(s) = 6/(s + 3)D = 2css ≤ 0,04
K =
39.Odpowiedź skokowaŚredni
t (s)y(t)1

Układ ma transmitancję G(s) = 18/(s² + 6s + 18) i otrzymuje jednostkowe wymuszenie skokowe. Bieguny to s = σ ± jωd. Znajdź część rzeczywistą σ.

G(s) = 18/(s² + 6s + 18)
σ =
40.Odpowiedź skokowaTrudny
t (s)y(t)15 %

Układ drugiego rzędu bez zer ma mieć odpowiedź skokową z przeregulowaniem 5 %. Znajdź współczynnik tłumienia ζ.

%OS = 5 %
ζ =
41.Uchyb ustalony i regulacja PIDŚredni
r(t) = 4·t²/2+4(s + 3)s²(s + 1)C(s)−

Na pętlę ze sprzężeniem jednostkowym o G(s) = 4(s + 3)/(s²(s + 1)) podano wejście paraboliczne r(t) = 4·t²/2. Wyznacz uchyb ustalony ess.

G(s) = 4(s + 3)/(s²(s + 1))r(t) = 4·t²/2
ess =
42.Uchyb ustalony i regulacja PIDTrudny
R(s)+4 + Kd​s4s(s + 4)C(s)−

Regulator PD C(s) = 4 + Kd·s steruje obiektem G(s) = 4/(s(s + 4)) w pętli ze sprzężeniem jednostkowym. Wyznacz wzmocnienie członu różniczkującego Kd, przy którym układ zamknięty ma współczynnik tłumienia ζ = 0,9.

G(s) = 4/(s(s + 4))Kp = 4ζ = 0,9
Kd = s

3Roztwory

1.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RA = 25,67 kN

Równowaga statyczna: ciało w spoczynku spełnia ΣFx = 0, ΣFy = 0 i ΣM = 0 względem dowolnego punktu. Zastąp każde obciążenie ciągłe jego wypadkową (polem wykresu obciążenia) przyłożoną w środku ciężkości wykresu obciążenia i licz momenty względem podpory, aby usunąć z równania reakcję tej podpory.

Wypadkowa obciążenia trójkątnego

W = ½·4·6 = 12 kN
x̄ = 2L/3 = 4 m

Równowaga

Momenty względem A, dodatnie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Potem równowaga sił pionowych.

ΣMA = 0: RB·6 = 12·4 + 65·4
RB = 51,33 kN
RA = 77 − 51,33 = 25,67 kN

Odpowiedź

RA = 25,67 kN
2.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RB = 23,5 kN

Równowaga statyczna: ciało w spoczynku spełnia ΣFx = 0, ΣFy = 0 i ΣM = 0 względem dowolnego punktu. Zastąp każde obciążenie ciągłe jego wypadkową (polem wykresu obciążenia) przyłożoną w środku ciężkości wykresu obciążenia i licz momenty względem podpory, aby usunąć z równania reakcję tej podpory.

Wypadkowa obciążenia ciągłego

W = 3·5 = 15 kN, x̄ = (3 + 8)/2 = 5,5 m

Równowaga

Momenty względem A, dodatnie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Potem równowaga sił pionowych.

ΣMA = 0: RB·5 = 35·1 + 15·5,5
RB = 117,5/5 = 23,5 kN
RA = 50 − 23,5 = 26,5 kN

Odpowiedź

RB = 23,5 kN
3.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: δ = 3,638 mm

Prawo Hooke’a: w zakresie sprężystym σ = E·ε. Łącząc to z σ = P/A i ε = δ/L, dostajemy δ = PL/(AE).

Naprężenie

A = π·10²/4 = 78,54 mm²
σ = P/A = 40·1000/78,54 = 509,3 MPa

Odkształcenie (prawo Hooke’a)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 509,3/70000 = 0,007276 = 7276 µε

Wydłużenie

δ = ε·L = 0,007276·500 mm = 3,638 mm

Odpowiedź

δ = 3,638 mm
4.Naprężenie i odkształcenie osiowe

Odpowiedź: σmax = 176,8 MPa

Pręty obciążone osiowo: każdy pryzmatyczny odcinek spełnia δ = PL/(AE). Dla odcinków połączonych szeregowo wydłużenia się sumują.

Ta sama siła w obu odcinkach

Swobodny koniec przenosi P, więc każdy przekrój pręta przenosi tę samą siłę osiową P. Zmieniają się tylko pola przekroju i materiały.

A1 = π·25²/4 = 490,9 mm², A2 = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ1 = 40,74 MPa
σ2 = 176,8 MPa

Największe naprężenie

Cieńszy odcinek ma mniejsze pole, więc przenosi większe naprężenie.

σmax = 176,8 MPa

Odpowiedź

σmax = 176,8 MPa
5.Skręcanie wałów

Odpowiedź: τmax = 254,6 MPa

Skręcanie wałów okrągłych: naprężenie styczne rośnie liniowo od zera w środku do τmax = T·r/J na powierzchni, gdzie J = πd⁴/32 dla wału pełnego i J = π(do⁴ − di⁴)/32 dla drążonego. Kąt skręcenia to φ = TL/(GJ) w radianach. Moc i moment skręcający wiąże P = T·ω.

Naprężenie w każdym odcinku

T = 400 N·m = 400000 N·mm
τAB = 16·400000/(π·40³) = 31,83 MPa
τBC = 16·400000/(π·20³) = 254,6 MPa

Odpowiedź

τmax = 254,6 MPa
6.Skręcanie wałów

Odpowiedź: d = 25,6 mm

Skręcanie wałów okrągłych: naprężenie styczne rośnie liniowo od zera w środku do τmax = T·r/J na powierzchni, gdzie J = πd⁴/32 dla wału pełnego i J = π(do⁴ − di⁴)/32 dla drążonego. Kąt skręcenia to φ = TL/(GJ) w radianach. Moc i moment skręcający wiąże P = T·ω.

Moment skręcający

ω = 2πN/60 = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 30000/151,8 = 197,6 N·m

Średnica z naprężenia dopuszczalnego

d = ∛(16T/(π·τallow)) = ∛(16·197572/(π·60)) = 25,6 mm

Odpowiedź

d = 25,6 mm

W praktyce zaokrągla się w górę do najbliższego wymiaru znormalizowanego.

7.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: E (x = 4 m)

Największy moment zginający: nachylenie wykresu M zmienia się tam, gdzie zmienia się siła tnąca, więc jego maksima leżą tam, gdzie siła tnąca przechodzi przez zero: pod siłą skupioną, wewnątrz obciążenia ciągłego albo nad podporą przy wsporniku. W utwierdzeniu belki wspornikowej moment jest największy przy ścianie. Porównaj wartości M w tych miejscach, zarówno dodatnie (zginanie „w dół”), jak i ujemne.

Reakcje podpór

Zapisz momenty względem jednej podpory, a potem użyj bilansu sił pionowych.

R1 = 19 kN, R2 = 22 kN

Moment zginający w każdym punkcie

Zsumuj momenty wszystkich sił po jednej stronie przekroju. Zginanie „w dół” jest dodatnie, „w górę” ujemne.

MA = 0, MB = 17, MC = 30, MD = 39, ME = 44 kN·m, MF = 22, MG = 0

Odpowiedź

Punkt E: ME = 44 kN·m
8.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mx = 20,63 kN·m

Metoda przekrojów: przetnij belkę tam, gdzie chcesz znać siły wewnętrzne, i zostaw jedną stronę. Siła tnąca V równoważy siły pionowe po tej stronie, a moment zginający M ich momenty względem przekroju.

Reakcje podpór

Równowaga całej belki.

Wypadkowa obciążenia ciągłego: W = w·ℓ = 6·4 = 24 kN, przyłożona w x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 10·2,5 + 6·4·2
RB = 73/4 = 18,25 kN
ΣFy = 0: RA = 34 − 18,25 = 15,75 kN
w = 6 kN/mP = 10 kNABRA​ = 15,75RB​ = 18,25przekrój2,5 m1,5 m

Przetnij w x = 2,5 m i zostaw lewą część

Uwzględniasz tylko siły na lewo od przekroju. Fragment obciążenia ciągłego działa jak jedna siła w środku tego fragmentu.

M = RA·x − (każde obciążenie na lewo od przekroju × jego odległość od przekroju)
Mx = 15,75·2,5 − 6·2,5·1,25 = 20,63 kN·m

Odpowiedź

Mx = 20,63 kN·m
9.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: θp = −73,15 °

Transformacja płaskiego stanu naprężenia: na płaszczyźnie obróconej o kąt θ: σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Koło Mohra pokazuje wszystkie płaszczyzny naraz: jego środek leży w C = (σₓ + σᵧ)/2, a promień wynosi R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Naprężenia główne to C ± R, a największe naprężenie styczne w płaszczyźnie to R.

στxyCσ1​σ2​

Kąt na kole

Na kole Mohra punkt x leży pod kątem 2θp od osi σ; ćwiartka wynika ze znaków σₓ − σᵧ i τₓᵧ.

2θp = atan2(2·−20, 30 − 90) = −146,3°

Kąt na elemencie

θp = −73,15°

Odpowiedź

θp = −73,15°

Kąty dodatnie mierzy się przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

10.Koło Mohra i transformacja naprężeń

Odpowiedź: σ1 = 105,5 MPa

Transformacja płaskiego stanu naprężenia: na płaszczyźnie obróconej o kąt θ: σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Koło Mohra pokazuje wszystkie płaszczyzny naraz: jego środek leży w C = (σₓ + σᵧ)/2, a promień wynosi R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Naprężenia główne to C ± R, a największe naprężenie styczne w płaszczyźnie to R.

Naprężenia na powierzchni

σ = F/A = −160000/(π·20²/4) = −160000/314,2 = −509,3 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·400000/(π·20³) = 254,6 MPa
στxyCσ1​σ2​

Koło Mohra

C = σ/2 = −254,6 MPa
R = √((−254,6)² + 254,6²) = 360,1 MPa
σ1 = C + R = 105,5 MPa
σ2 = C − R = −614,8 MPa

Odpowiedź

σ1 = 105,5 MPa
11.Ugięcie belki

Odpowiedź: θA = 0,00487 rad

Ugięcie belek: ugięcia otrzymuje się, całkując dwukrotnie krzywiznę M/(EI). Typowe przypadki są stablicowane, na przykład PL³/(3EI) dla wspornika z siłą na końcu i 5wL⁴/(384EI) dla belki swobodnie podpartej z obciążeniem równomiernym na całej rozpiętości. Ugięcia od różnych obciążeń się sumują (superpozycja). Kąt obrotu θ = dv/dx to pierwsza całka z M/(EI); w spójnych jednostkach wychodzi w radianach.

Spójne jednostki

Licz w N i mm: P w N, w w N/mm (kN/m = N/mm), L w mm, E w N/mm² (GPa × 1000), I w mm⁴.

w = 4 N/mm, L = 3000 mm
EI = 9,24 × 10¹¹ N·mm²

Kąt obrotu końca

θA = wL³/(24EI) = 4·3000³/(24·9,24 × 10¹¹) = 0,00487 rad

Odpowiedź

θA = 0,00487 rad

To 0,279°.

12.Ugięcie belki

Odpowiedź: Ireq = 685,7 × 10⁶ mm⁴

Ugięcie belek: ugięcia otrzymuje się, całkując dwukrotnie krzywiznę M/(EI). Typowe przypadki są stablicowane, na przykład PL³/(3EI) dla wspornika z siłą na końcu i 5wL⁴/(384EI) dla belki swobodnie podpartej z obciążeniem równomiernym na całej rozpiętości. Ugięcia od różnych obciążeń się sumują (superpozycja).

Warunek ugięcia

δallow = L/360 = 8000/360 = 22,22 mm

Wymagany moment bezwładności

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·20·8000⁴/(384·70000·22,22) = 6,857 × 10⁸ mm⁴
Ireq = 685,7 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ireq = 685,7 × 10⁶ mm⁴
13.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: Pcr = 222,3 kN

Wyboczenie Eulera: smukły słup traci stateczność przy Pcr = π²EI/(KL)², gdzie KL to długość wyboczeniowa: K = 1 dla przegub–przegub, 2 dla utwierdzenie–wolny koniec, 0,7 dla utwierdzenie–przegub i 0,5 dla utwierdzenie–utwierdzenie. Wybocza się względem osi o najmniejszym I. Wzór dotyczy słupów smukłych, których naprężenie krytyczne jest mniejsze od granicy plastyczności.

Najmniejszy moment bezwładności

Przekrój kołowy ma to samo I względem każdej osi.

I = πd⁴/64 = π·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Długość wyboczeniowa

KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Siła krytyczna

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·2,011 × 10⁶/2500² = 222253 N = 222,3 kN

Odpowiedź

Pcr = 222,3 kN
14.Wyboczenie słupów

Odpowiedź: d = 51,27 mm

Wyboczenie Eulera: smukły słup traci stateczność przy Pcr = π²EI/(KL)², gdzie KL to długość wyboczeniowa: K = 1 dla przegub–przegub, 2 dla utwierdzenie–wolny koniec, 0,7 dla utwierdzenie–przegub i 0,5 dla utwierdzenie–utwierdzenie. Wybocza się względem osi o najmniejszym I. Wzór dotyczy słupów smukłych, których naprężenie krytyczne jest mniejsze od granicy plastyczności.

Wymagana siła krytyczna

Pcr = n·P = 2,5·15000 = 37500 N
KL = 1·2500 = 2500 mm

Wyznacz średnicę

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·37500·2500²/(π³·70000))^(1/4) = 51,27 mm

Odpowiedź

d = 51,27 mm

Sprawdzenie: smukłość KL/r wynosi 195, więc słup jest smukły i wzór Eulera obowiązuje.

15.Rzut ukośny

Odpowiedź: v0 = 34,49 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.

Wyznacz v₀ ze wzoru na zasięg

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·105/sin 60°) = 34,49 m/s

Odpowiedź

v0 = 34,49 m/s
16.Rzut ukośny

Odpowiedź: H = 95,28 m

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.

Pionowa prędkość początkowa

vy = 28·sin 70° = 26,31 m/s

Wzniesienie ponad klif

Δh = vy²/(2g) = 26,31²/(2·9,81) = 35,28 m

Wysokość nad ziemią

H = 60 + 35,28 = 95,28 m

Odpowiedź

H = 95,28 m
17.Praca i energia

Odpowiedź: v = 11,05 m/s

Zasada pracy i energii: zmiana energii kinetycznej równa się pracy wszystkich sił. Zapisanie grawitacji i sprężyn jako energii potencjalnej (mgh i ½kx²) daje bilans: energia początkowa = energia końcowa + energia stracona na tarcie (μN·d).

Bilans energii wzdłuż zbocza

Klocek obniża się o d·sin θ, a tarcie zabiera μmg·cos θ·d. Masa się skraca.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·11·(0,6428 − 0,1·0,766)) = 11,05 m/s

Odpowiedź

v = 11,05 m/s
18.Praca i energia

Odpowiedź: v = 4,966 m/s

Zasada pracy i energii: zmiana energii kinetycznej równa się pracy wszystkich sił. Zapisanie grawitacji i sprężyn jako energii potencjalnej (mgh i ½kx²) daje bilans: energia początkowa = energia końcowa + energia stracona na tarcie (μN·d).

Energia uwolniona i stracona

m₂g·d = 49,05·2 = 98,1 J
μ·m₁g·d = 0,3·19,62·2 = 11,77 J

Energia kinetyczna obu klocków

½(m₁ + m₂)v² = 86,33 → v = √(2·86,33/7) = 4,966 m/s

Odpowiedź

v = 4,966 m/s
19.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: ζ = 0,07995

Drgania swobodne układu masa–sprężyna: pulsacja drgań własnych nietłumionych to ωn = √(k/m) w rad/s, a fn = ωn/(2π) w Hz. Tłumik wiskotyczny c daje współczynnik tłumienia ζ = c/cc, przy tłumieniu krytycznym cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Układ z tłumieniem podkrytycznym (ζ < 1) drga z pulsacją ωd = ωn·√(1 − ζ²). Sztywności sprężyn połączonych równolegle się dodaje, k = k₁ + k₂; dla sprężyn szeregowych dodaje się odwrotności, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Logarytmiczny dekrement tłumienia

δ = (1/2)·ln(40/14,6) = 0,5039

Współczynnik tłumienia

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0,5039/√(39,48 + 0,2539) = 0,07995

Odpowiedź

ζ = 0,07995
20.Drgania mechaniczne

Odpowiedź: fn = 2,69 Hz

Drgania swobodne układu masa–sprężyna: pulsacja drgań własnych nietłumionych to ωn = √(k/m) w rad/s, a fn = ωn/(2π) w Hz. Tłumik wiskotyczny c daje współczynnik tłumienia ζ = c/cc, przy tłumieniu krytycznym cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Układ z tłumieniem podkrytycznym (ζ < 1) drga z pulsacją ωd = ωn·√(1 − ζ²). Sztywności sprężyn połączonych równolegle się dodaje, k = k₁ + k₂; dla sprężyn szeregowych dodaje się odwrotności, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Sztywność zastępcza

Sprężyny szeregowe przenoszą tę samą siłę, a ich ugięcia się sumują, więc łączy się je przez odwrotności: 1/k = 1/k1 + 1/k2.

1/keq = 1/10 + 1/25 → keq = 10·25/(10 + 25) = 7,143 kN/m

Częstotliwość drgań własnych

ωn = √(7143/25) = 16,9 rad/s
fn = 16,9/(2π) = 2,69 Hz

Odpowiedź

fn = 2,69 Hz
21.Silniki cieplne i chłodziarki

Odpowiedź: Q̇H = 9,365 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.

Temperatury bezwzględne

TH = 30 + 273,15 = 303,1 K
TL = 2 + 273,15 = 275,1 K

Stosunek ciepeł w obiegu odwracalnym

Q̇H = Q̇L·TH/TL = 8,5·303,1/275,1 = 9,365 kW

Odpowiedź

Q̇H = 9,365 kW

Moc pobierana: Ẇ = 0,865 kW.

22.Silniki cieplne i chłodziarki

Odpowiedź: Ẇmin = 0,1894 kW

Ograniczenia z drugiej zasady: żaden obieg pracujący między zbiornikami o temperaturach bezwzględnych TH i TL nie przewyższy obiegu odwracalnego (Carnota): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) i COPHP,max = TH/(TH − TL). Energia jest zawsze zachowana: QH = W + QL.

Temperatury bezwzględne

TH = 25 + 273,15 = 298,1 K
TL = 4 + 273,15 = 277,1 K

Najlepszy możliwy COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 277,1/(298,1 − 277,1) = 13,2

Minimalna moc

Najmniej pracy potrzebuje maszyna odwracalna, która ma największy COP.

Ẇmin = Q̇L/COP = 2,5/13,2 = 0,1894 kW

Odpowiedź

Ẇmin = 0,1894 kW
23.Obiegi silników cieplnych gazowych

Odpowiedź: qin = 1124 kJ/kg

Obieg Diesla (silnik o zapłonie samoczynnym): 1→2 sprężanie izentropowe, 2→3 doprowadzenie ciepła przy stałym ciśnieniu, 3→4 rozprężanie izentropowe, 4→1 odprowadzenie ciepła przy stałej objętości. Przy stopniu sprężania r = v₁/v₂ i stopniu obciążenia rc = v₃/v₂: T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) oraz η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1)).

Temperatury

T2 = 300·170,4 = 931,8 K
T3 = 2,2·931,8 = 2050 K

Ciepło doprowadzone przy stałym ciśnieniu

qin = 1,005·(2050 − 931,8) = 1124 kJ/kg

Odpowiedź

qin = 1124 kJ/kg
24.Obiegi silników cieplnych gazowych

Odpowiedź: η = 54,71 %

Obieg Braytona (turbina gazowa): 1→2 sprężanie izentropowe, 2→3 doprowadzenie ciepła przy stałym ciśnieniu, 3→4 rozprężanie izentropowe w turbinie, 4→1 odprowadzenie ciepła przy stałym ciśnieniu. Przy stosunku ciśnień rp = P₂/P₁: T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k oraz η = 1 − 1/rp(k−1)/k. Praca netto w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Przy sprawnościach izentropowych sprężarka wymaga ws/ηc, a turbina daje ηt·ws.

Sprawność cieplna

η = 1 − 1/160,2857 = 1 − 1/2,208 = 54,71%

Odpowiedź

η = 54,71%
25.Ciągłość i Bernoulli

Odpowiedź: Q = 19,24 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.

Ciągłość

v1 = v2·(50/100)² = 0,25·v2

Równanie Bernoulliego między wlotem a gardzielą

Rura jest pozioma, więc zmieniają się tylko ciśnienie i prędkość.

p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·45000/(1000·(1 − 0,0625))) = 9,798 m/s
v1 = 2,449 m/s

Natężenie przepływu

Q = A2·v2 = 0,001963·9,798 = 0,01924 m³/s = 19,24 L/s

Odpowiedź

Q = 19,24 L/s
26.Ciągłość i Bernoulli

Odpowiedź: Q = 100,6 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.

Różnica ciśnień z manometru

Δp = (13600 − 1000)·9,81·0,26 = 32138 Pa

Prędkość w gardzieli

Równanie ciągłości i równanie Bernoulliego razem dają idealną prędkość w gardzieli.

β = 125/250 = 0,5
v2 = √(2·32138/(1000·(1 − 0,0625))) = 8,28 m/s

Rzeczywiste natężenie przepływu

Q = Cd·A2·v2 = 0,99·0,01227·8,28 = 0,1006 m³/s = 100,6 L/s

Odpowiedź

Q = 100,6 L/s
27.Tarcie w rurach i straty wysokości

Odpowiedź: hf = 7,401 m

Przepływ w rurach: liczba Reynoldsa Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ odróżnia przepływ laminarny (Re poniżej ok. 2000) od turbulentnego (powyżej ok. 4000). Tarcie wzdłuż rury powoduje stratę wysokości Darcy’ego–Weisbacha hf = f·(L/D)·V²/(2g). Kształtki, zawory, wlot i wylot dodają straty miejscowe hm = ΣK·V²/(2g). Między dwiema otwartymi powierzchniami zbiorników równanie energii daje Δz = hf + hm, z uwzględnioną stratą na wylocie K = 1.

Wysokość prędkości

V²/(2g) = 1,1²/(2·9,81) = 0,06167 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(500/0,075)·1,1²/(2·9,81) = 7,401 m

Odpowiedź

hf = 7,401 m
28.Tarcie w rurach i straty wysokości

Odpowiedź: H = 9,262 m

Przepływ w rurach: liczba Reynoldsa Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ odróżnia przepływ laminarny (Re poniżej ok. 2000) od turbulentnego (powyżej ok. 4000). Tarcie wzdłuż rury powoduje stratę wysokości Darcy’ego–Weisbacha hf = f·(L/D)·V²/(2g). Kształtki, zawory, wlot i wylot dodają straty miejscowe hm = ΣK·V²/(2g). Między dwiema otwartymi powierzchniami zbiorników równanie energii daje Δz = hf + hm, z uwzględnioną stratą na wylocie K = 1.

Prędkość

V = Q/A = 0,2/0,07069 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Współczynniki strat

f·L/D = 0,018·300/0,3 = 18
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 = 3,7

Równanie energii

Strumień na wylocie nadal niesie swoją wysokość prędkości; to nie strata, ale trzeba ją dostarczyć.

H = (1 + 18 + 3,7)·0,408 = 9,262 m

Odpowiedź

H = 9,262 m
29.Pompy i moc pomp

Odpowiedź: Pel = 5,893 kW

Moc pompy: moc przekazana wodzie to moc hydrauliczna Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Wał musi dostarczyć więcej, bo pompa ma straty: Pshaft = Ph/ηpump, a silnik pobiera Pel = Pshaft/ηmotor. Wysokość podnoszenia pompy H wynika z równania energii: geometryczna wysokość podnoszenia + wysokość ciśnienia + wszystkie straty tarcia i miejscowe.

Moc hydrauliczna

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,015·32 = 4,709 kW

Moc na wale

Pshaft = 4,709/0,85 = 5,54 kW

Moc elektryczna

Pel = 5,54/0,94 = 5,893 kW

Odpowiedź

Pel = 5,893 kW
30.Pompy i moc pomp

Odpowiedź: H = 59,58 m

Moc pompy: moc przekazana wodzie to moc hydrauliczna Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Wał musi dostarczyć więcej, bo pompa ma straty: Pshaft = Ph/ηpump, a silnik pobiera Pel = Pshaft/ηmotor. Wysokość podnoszenia pompy H wynika z równania energii: geometryczna wysokość podnoszenia + wysokość ciśnienia + wszystkie straty tarcia i miejscowe.

Prędkość

V = Q/A = 0,012/0,007854 = 1,528 m/s
V²/(2g) = 0,119 m

Straty wysokości

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (108 + 8)·0,119 = 13,8 m

Wysokość ciśnienia

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 m

Wysokość podnoszenia pompy

Oba zwierciadła są praktycznie w spoczynku, więc nie ma członu wysokości prędkości.

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 5 + 40,77 + 13,8 = 59,58 m

Odpowiedź

H = 59,58 m
31.Przewodzenie ciepła

Odpowiedź: Ti = 19 °C

Opór cieplny: ustalony przepływ ciepła przez warstwy połączone szeregowo zachowuje się jak prąd w rezystorach szeregowych: Q̇ = ΔT/ΣR, gdzie R = L/(kA) dla warstwy przewodzącej i R = 1/(hA) dla powierzchni z konwekcją. Spadek temperatury na każdej warstwie jest proporcjonalny do jej oporu.

Opory warstw

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(1,4·20) = 0,008929 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,035·20) = 0,07143 K/W

Strumień ciepła

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 18/0,08036 = 224 W

Temperatura na styku

Na pierwszej warstwie temperatura spada o Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 224·0,008929 = 19 °C

Odpowiedź

Ti = 19 °C
32.Przewodzenie ciepła

Odpowiedź: Q̇ = 237,3 W

Opór cieplny: ustalony przepływ ciepła przez warstwy połączone szeregowo zachowuje się jak prąd w rezystorach szeregowych: Q̇ = ΔT/ΣR, gdzie R = L/(kA) dla warstwy przewodzącej i R = 1/(hA) dla powierzchni z konwekcją. Spadek temperatury na każdej warstwie jest proporcjonalny do jej oporu.

Opory szeregowo

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·20) = 0,006494 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·20) = 0,07353 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,04·20) = 0,03125 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·20) = 0,0025 K/W
ΣR = 0,1138 K/W

Straty ciepła

Q̇ = (20 − (-7))/0,1138 = 237,3 W

Odpowiedź

Q̇ = 237,3 W
33.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: Ft = 3864 N

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.

Moment na zębniku

ω = 2π·1450/60 = 151,8 rad/s
T = P/ω = 22000/151,8 = 144,9 N·m

Średnica podziałowa

d = m·N = 3·25 = 75 mm

Siła obwodowa

Ft = 2T/d = 2·144,9/0,075 = 3864 N

Odpowiedź

Ft = 3864 N
34.Koła i przekładnie zębate

Odpowiedź: nout = 1667 rpm

Przekładnie zębate: zazębione koła mają tę samą prędkość na zębach, więc n₁·N₁ = n₂·N₂: koło o mniejszej liczbie zębów obraca się szybciej. Koła na jednym wale obracają się z tą samą prędkością obrotową. Moc jest przekazywana dalej (minus straty), więc moment obrotowy rośnie, gdy prędkość obrotowa maleje: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, a P = T·ω, gdzie ω = 2π·n/60.

Pierwszy stopień

nB = 3000·40/45 = 2667 rpm = nC

Drugi stopień

nout = 2667·15/24 = 1667 rpm

Odpowiedź

nout = 1667 rpm

przełożenie całkowite = 1,8 : 1

35.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: f(0.4) = 2,174

Transformata Laplace’a: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt zamienia pochodne na mnożenie przez s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Podstawowe pary: 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), a przesunięcie s → s + σ mnoży funkcję czasu przez e−σt. Aby odwrócić wymierną F(s), rozłóż ją na ułamki proste: residuum prostego bieguna p wynosi A = [(s − p)·F(s)] przy s = p. Twierdzenie o wartości końcowej: f(∞) = lims→0 s·F(s), słuszne tylko wtedy, gdy wszystkie bieguny s·F(s) leżą w lewej półpłaszczyźnie. Twierdzenie o wartości początkowej: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Ułamki proste

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 2)
A = 40/(1·2) = 20
B = 40/((−1)·1) = −40
C = 40/((−2)·(−1)) = 20

Transformata odwrotna

f(t) = 20 − 40·e−t + 20·e−2t

Oblicz

f(0,4) = 20 − 40·e−0,4 + 20·e−2·0,4 = 2,174

Odpowiedź

f(0,4) = 2,174
36.Transformaty Laplace’a

Odpowiedź: y(0.6) = 5,778

Transformata Laplace’a: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt zamienia pochodne na mnożenie przez s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Podstawowe pary: 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), a przesunięcie s → s + σ mnoży funkcję czasu przez e−σt. Aby odwrócić wymierną F(s), rozłóż ją na ułamki proste: residuum prostego bieguna p wynosi A = [(s − p)·F(s)] przy s = p. Twierdzenie o wartości końcowej: f(∞) = lims→0 s·F(s), słuszne tylko wtedy, gdy wszystkie bieguny s·F(s) leżą w lewej półpłaszczyźnie. Twierdzenie o wartości początkowej: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Przekształcenie równania

(s² + 4s + 3)·Y(s) = 5s + 20 + 24/s
Y(s) = (5s² + 20s + 24)/(s(s + 1)(s + 3))

Ułamki proste

A = 24/(1·3) = 8
B = 9/((−1)·2) = −4,5
C = 9/((−3)·(−2)) = 1,5

Wynik

y(t) = 8 − 4,5·e−t + 1,5·e−3t
y(0,6) = 5,778

Odpowiedź

y(0,6) = 5,778

Sprawdzenie: y(0) = A + B + C = 5.

37.Schematy blokowe

Odpowiedź: p = −28

Algebra schematów blokowych: bloki połączone szeregowo mnożą się (G₁·G₂), bloki połączone równolegle dodają się (G₁ + G₂), a pętla ze ścieżką prostą G i ścieżką sprzężenia zwrotnego H redukuje się do T = G/(1 + G·H) dla ujemnego sprzężenia zwrotnego i G/(1 − G·H) dla dodatniego. Najpierw redukuj pętle wewnętrzne, potem idź na zewnątrz. Bieguny układu zamkniętego są pierwiastkami równania charakterystycznego 1 + G(s)H(s) = 0. Dla stabilnej pętli wymuszenie skokowe o wielkości A daje w stanie ustalonym wyjście A·T(0); przy jednostkowym sprzężeniu zwrotnym uchyb ustalony przy skoku wynosi A/(1 + Kp), gdzie Kp = G(0).

Pętla wewnętrzna

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 3/(s + 7 + 3·4) = 3/(s + 19)

Pętla zewnętrzna

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 9/(s + 19 + 9) = 9/(s + 28)

Wynik

p = −28

Odpowiedź

p = −28
38.Schematy blokowe

Odpowiedź: K = 49,5

Algebra schematów blokowych: bloki połączone szeregowo mnożą się (G₁·G₂), bloki połączone równolegle dodają się (G₁ + G₂), a pętla ze ścieżką prostą G i ścieżką sprzężenia zwrotnego H redukuje się do T = G/(1 + G·H) dla ujemnego sprzężenia zwrotnego i G/(1 − G·H) dla dodatniego. Najpierw redukuj pętle wewnętrzne, potem idź na zewnątrz. Bieguny układu zamkniętego są pierwiastkami równania charakterystycznego 1 + G(s)H(s) = 0. Dla stabilnej pętli wymuszenie skokowe o wielkości A daje w stanie ustalonym wyjście A·T(0); przy jednostkowym sprzężeniu zwrotnym uchyb ustalony przy skoku wynosi A/(1 + Kp), gdzie Kp = G(0).

Odpowiedź na zakłócenie

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 2·6/(3 + 6K)

Rozwiąż względem K

3 + 6K = 2·6/0,04 = 300
K = (300 − 3)/6 = 49,5

Odpowiedź

K = 49,5
39.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: σ = −3

Odpowiedź skokowa: układ pierwszego rzędu G(s) = K/(τs + 1) odpowiada na skok o wielkości U przebiegiem y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po jednej stałej czasowej τ osiąga 63,2 % wartości końcowej K·U, a po 4τ 98 %. Układ drugiego rzędu G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ma bieguny s = −ζωₙ ± jωd, gdzie ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Dla 0 < ζ < 1 odpowiedź skokowa ma przeregulowanie: przeregulowanie procentowe %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), czas szczytu tp = π/ωd, a 2-procentowy czas ustalania ts ≈ 4/(ζωₙ). Porównaj mianownik z s² + 2ζωₙs + ωₙ², aby odczytać ωₙ i ζ. Dla układu masa–sprężyna–tłumik ωₙ = √(k/m) i ζ = c/(2√(km)); dla szeregowego obwodu RLC ωₙ = 1/√(LC) i ζ = (R/2)·√(C/L).

Porównaj z postacią standardową

Mianownik musi odpowiadać s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 18 → ωₙ = 4,243 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4,243) = 0,7071

Wynik

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

Odpowiedź

σ = −3
40.Odpowiedź skokowa

Odpowiedź: ζ = 0,6901

Odpowiedź skokowa: układ pierwszego rzędu G(s) = K/(τs + 1) odpowiada na skok o wielkości U przebiegiem y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): po jednej stałej czasowej τ osiąga 63,2 % wartości końcowej K·U, a po 4τ 98 %. Układ drugiego rzędu G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) ma bieguny s = −ζωₙ ± jωd, gdzie ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Dla 0 < ζ < 1 odpowiedź skokowa ma przeregulowanie: przeregulowanie procentowe %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), czas szczytu tp = π/ωd, a 2-procentowy czas ustalania ts ≈ 4/(ζωₙ). Porównaj mianownik z s² + 2ζωₙs + ωₙ², aby odczytać ωₙ i ζ. Dla układu masa–sprężyna–tłumik ωₙ = √(k/m) i ζ = c/(2√(km)); dla szeregowego obwodu RLC ωₙ = 1/√(LC) i ζ = (R/2)·√(C/L).

Współczynnik tłumienia

ζ = −ln(0,05)/√(π² + ln²(0,05)) = 2,996/√(9,87 + 8,974) = 0,6901

Odpowiedź

ζ = 0,6901
41.Uchyb ustalony i regulacja PID

Odpowiedź: ess = 0,3333

Uchyb ustalony: w pętli ze sprzężeniem jednostkowym o transmitancji układu otwartego G(s) uchyb wynosi E(s) = R(s)/(1 + G(s)), a z twierdzenia o wartości końcowej ess = lims→0 s·E(s). Typ układu to liczba biegunów G(s) w s = 0. Stałe uchybowe to Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) oraz Ka = lim s²·G(s), wszystkie dla s → 0. Skok o wartości A daje ess = A/(1 + Kp), narastanie liniowe A·t daje A/Kv, a parabola A·t²/2 daje A/Ka. Pętla typu 0 nadąża za skokiem ze skończonym uchybem, pętla typu 1 nadąża za nim dokładnie, a za narastaniem liniowym ze skończonym uchybem.

Stała przyspieszeniowa

Ka = 4·3/1 = 12

Uchyb dla paraboli

ess = 4/12 = 0,3333

Odpowiedź

ess = 0,3333
42.Uchyb ustalony i regulacja PID

Odpowiedź: Kd = 0,8 s

Regulacja P, PI i PID: regulator C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s działa na uchyb. Wzmocnienie proporcjonalne przyspiesza układ i zmniejsza uchyb obiektu typu 0, ale nigdy go nie usuwa. Człon całkujący dodaje biegun w s = 0: typ układu rośnie o jeden, a skok jest śledzony bez uchybu. Człon różniczkujący zwiększa tłumienie. Aby dobrać nastawy, zapisz wielomian charakterystyczny układu zamkniętego i porównaj go z s² + 2ζωns + ωn². Wtedy %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, gdzie ωd = ωn√(1 − ζ²), oraz ts ≈ 4/(ζωn).

Wielomian charakterystyczny

s(s + 4) + 4(4 + Kds) = s² + (4 + 4Kd)s + 16

Częstotliwość drgań własnych

ωₙ = √16 = 4 rad/s

Wzmocnienie członu różniczkującego

4 + 4Kd = 2·0,9·4 = 7,2
Kd = 0,8 s

Odpowiedź

Kd = 0,8 s

Człon różniczkujący zwiększa tłumienie bez zmiany ωₙ.

To niezależne materiały do ćwiczeń. ExamProblems nie jest powiązane z organizacją przeprowadzającą ten egzamin ani przez nią rekomendowane, a nazwa egzaminu służy wyłącznie do opisu treści. Egzamin FE exam prowadzi NCEES, organizacja niezwiązana z ExamProblems, która go nie popiera.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-mechanical