ฝึกข้อสอบ FE เครื่องกล: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 42 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคาน

สมดุล
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ
แรงลัพธ์ w·L ที่กึ่งกลางของน้ำหนัก
โมเมนต์
M = F·d

วิธีการ

  1. วาดแผนภาพวัตถุอิสระและแทนจุดรองรับแต่ละจุดด้วยแรงปฏิกิริยา
  2. แทนน้ำหนักแผ่ทุกชนิดด้วยแรงเดียวที่เซนทรอยด์ของมัน
  3. หาโมเมนต์รอบจุดรองรับหนึ่งเพื่อหาปฏิกิริยาที่อีกจุดหนึ่ง
  4. ใช้ ΣFy = 0 หาปฏิกิริยาที่เหลือ และตรวจสอบด้วยสมการโมเมนต์ที่สอง

ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

ความเค้นแนวฉาก
σ = F/A
ความเครียด
ε = ΔL/L
กฎของฮุก
σ = E·ε
ความยืด
ΔL = FL/(EA)
ความเครียดจากความร้อน
εT = α·ΔT

การบิดของเพลา

ความเค้นเฉือน
τ = T·r/J
เพลาตัน
J = πd⁴/32
เพลากลวง
J = π(D⁴ − d⁴)/32
มุมบิด
φ = TL/(GJ)
กำลัง
P = T·ω = 2πnT/60

วิธีการ

  1. หาโมเมนต์ความเฉื่อยเชิงขั้ว: J = πd⁴/32 สำหรับเพลาตัน
  2. ความเค้นเฉือนที่ผิว: τ = T·r/J โดย r คือรัศมีภายนอก
  3. มุมบิด: φ = TL/(GJ) เป็นเรเดียน
  4. ถ้าโจทย์ให้กำลัง ให้หาแรงบิดก่อนด้วย P = T·ω, ω = 2πn/60

แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

แรงเฉือนและโมเมนต์
V = ΣF ด้านหนึ่ง, M = ΣF·d ด้านหนึ่ง
ความเค้นดัด
σ = M·y/I
สี่เหลี่ยมผืนผ้า
I = bh³/12
มอดูลัสหน้าตัด
W = I/ymax
รับแรงสองจุด น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ
Mmax = wL²/8

วิธีการ

  1. หาปฏิกิริยาที่จุดรองรับจากสมดุลของคานทั้งตัว
  2. ตัดคานที่หน้าตัดที่ต้องการและเก็บไว้ด้านหนึ่ง
  3. แรงเฉือน: ผลรวมแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น โมเมนต์ดัด: ผลรวมโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด
  4. สำหรับโมเมนต์สูงสุด ให้หาตำแหน่งที่แรงเฉือนเป็นศูนย์

วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

ศูนย์กลาง
C = (σx + σy)/2
รัศมี
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
ความเค้นหลัก
σ1,2 = C ± R
ทิศทางหลัก
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
พื้นเอียง
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

วิธีการ

  1. คำนวณศูนย์กลางของวงกลมมอร์: C = (σx + σy)/2
  2. คำนวณรัศมี: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
  3. ความเค้นหลักคือ C ± R และความเค้นเฉือนในระนาบที่มากที่สุดคือ R
  4. มุมบนวงกลมเป็นสองเท่าของมุมบนชิ้นส่วน: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)

การแอ่นตัวของคาน

แรงจุดที่กึ่งกลางช่วง
δ = PL³/(48EI)
น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ รับแรงสองจุด
δ = 5wL⁴/(384EI)
คานยื่น แรงที่ปลาย
δ = PL³/(3EI)
คานยื่น น้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ
δ = wL⁴/(8EI)
การซ้อนทับ
δ = δ1 + δ2

การโก่งเดาะของเสา

น้ำหนักวิกฤตของออยเลอร์
Pcr = π²EI/(KL)²
ตัวประกอบความยาวประสิทธิผล
K = 1 หมุด–หมุด, 0.5 ยึดแน่น–ยึดแน่น, 0.7 ยึดแน่น–หมุด, 2 ยึดแน่น–อิสระ
ความเค้นวิกฤต
σcr = Pcr/A
ความเพรียว
λ = KL/r, r = √(I/A)

การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

องค์ประกอบ
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
ตำแหน่ง
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
ความสูงสูงสุด
H = h + vy²/(2g)
พิสัย (พื้นราบ)
R = v0²·sin 2θ/g

วิธีการ

  1. แยกความเร็วต้นเป็นองค์ประกอบ: vx = v₀·cos θ และ vy = v₀·sin θ
  2. การเคลื่อนที่ในแนวนอนมีอัตราเร็วคงที่ การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งมีความเร่ง −g
  3. หาเวลาเคลื่อนที่จากการเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง
  4. ใช้เวลานั้นในการเคลื่อนที่แนวนอนเพื่อหาพิสัย

งานและพลังงาน

พลังงานจลน์
Ek = ½mv²
พลังงานศักย์
Ep = mgh
สมดุลพลังงาน
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
งานของแรงเสียดทาน
W = μ·N·d
กำลัง
P = W/t

การสั่นสะเทือนเชิงกล

ความถี่ธรรมชาติ
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
จากระยะแอ่นสถิต
ωn = √(g/δst)
การหน่วงวิกฤต
cc = 2√(km) = 2mωn
อัตราส่วนการหน่วง
ζ = c/cc
ความถี่ที่ถูกหน่วง
ωd = ωn√(1 − ζ²)
ลอการิทึมดีเครเมนต์
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
สปริงต่อขนาน
k = k1 + k2
สปริงต่ออนุกรม
1/k = 1/k1 + 1/k2

เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

ประสิทธิภาพ
η = W/QH = 1 − QC/QH
ประสิทธิภาพคาร์โนต์
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP ของตู้เย็น
COPR = QC/W
COP ของปั๊มความร้อน
COPHP = QH/W = COPR + 1
สมดุลพลังงาน
QH = W + QC

วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส

ไอเซนโทรปิก อัตราส่วนปริมาตร
T2/T1 = rk−1
ไอเซนโทรปิก อัตราส่วนความดัน
T2/T1 = rp(k−1)/k
ประสิทธิภาพวัฏจักรออตโต
η = 1 − 1/rk−1
ประสิทธิภาพวัฏจักรดีเซล
η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
ประสิทธิภาพวัฏจักรเบรย์ตัน
η = 1 − 1/rp(k−1)/k
ความร้อนที่เพิ่มเข้า
ออตโต: cv(T3 − T2) ดีเซล เบรย์ตัน: cp(T3 − T2)
งานสุทธิของวัฏจักรเบรย์ตัน
w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
ประสิทธิภาพไอเซนโทรปิก
wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
อากาศเย็น
k = 1.4, cp = 1.005, cv = 0.718 kJ/(kg·K)

ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี

ความต่อเนื่อง
A1v1 = A2v2
เบอร์นูลลี
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
อัตราการไหล
Q = A·v
พื้นที่วงกลม
A = πd²/4

แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสีย

เลขเรย์โนลดส์
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
ระบอบการไหล
ราบเรียบต่ำกว่า Re ≈ 2000 ปั่นป่วนสูงกว่า Re ≈ 4000
ความเร็วเฉลี่ย
V = Q/A, A = π·D²/4
ดาร์ซี–ไวส์บาค
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
การสูญเสียย่อย
hm = ΣK·V²/(2g)
ค่า K ทั่วไป
ทางเข้า 0.5 ทางออก 1.0 ข้องอ 90° ≈ 0.3
ความดันตก
Δp = ρ·g·hf
อ่างเก็บน้ำเปิดสองแห่ง
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
ทางออกอิสระ
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

ปั๊มและกำลังของปั๊ม

กำลังไฮดรอลิก
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
กำลังที่เพลา
Pshaft = Ph/ηpump
กำลังไฟฟ้า
Pel = Pshaft/ηmotor
เฮดของปั๊ม
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
การสูญเสียในระบบ
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

การนำความร้อน

กฎของฟูริเยร์
Q̇ = kAΔT/L
ความต้านทานการนำความร้อน
R = L/(kA)
ความต้านทานการพาความร้อน
R = 1/(hA)
ความต้านทานอนุกรม
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
ค่า U
U = 1/(ΣR·A)

เฟืองและชุดเฟือง

เฟืองขบกัน
n1·N1 = n2·N2
แรงบิด
T2 = T1·(N2/N1)·η
กำลัง
P = T·ω, ω = 2π·n/60
ชุดเฟืองประกอบ
อัตราทดรวม = ผลคูณของอัตราทดแต่ละขั้น

ค่าความคลาดเคลื่อนสถานะคงตัวและการควบคุม PID

ชนิดของระบบ
จำนวนโพลของ G(s) ที่ s = 0
ค่าคงที่ความคลาดเคลื่อน
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
ขั้น A
ess = A/(1 + Kp)
แรมป์ A·t
ess = A/Kv
พาราโบลา A·t²/2
ess = A/Ka
ตัวควบคุม PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
เป้าหมายอันดับสอง
s² + 2ζωns + ωn²
การเกินเลยและเวลา
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

วิธีการ

  1. นับโพลของวงเปิด C(s)·G(s) ที่ s = 0: นั่นคือชนิดของระบบ
  2. คำนวณค่าคงที่ความคลาดเคลื่อนที่ตรงกับอินพุต: Kp สำหรับขั้น Kv สำหรับแรมป์ Ka สำหรับพาราโบลา
  3. ใช้ ess = A/(1 + Kp), A/Kv หรือ A/Ka หรือแก้สมการหาอัตราขยายที่ต้องการ
  4. สำหรับข้อกำหนดเรื่องการหน่วงหรือความเร็ว ให้เขียนพหุนามลักษณะเฉพาะของวงปิดแล้วเทียบกับ s² + 2ζω_n·s + ω_n²

2โจทย์ฝึก

1.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคานปานกลาง
w0​ = 6 kN/mABRB​ = ?10 m

คานช่วงเดียวรองรับอย่างง่าย (หมุดที่ A ลูกกลิ้งที่ B) รับแรงกระทำที่เปลี่ยนแปลงเชิงเส้น ลดลงจาก 6 kN/m ที่ A เป็นศูนย์ที่ B จงหาแรงปฏิกิริยาที่จุดรองรับในแนวดิ่ง RB

L = 10 mw0 = 6 kN/m
RB = kN
2.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคานยาก
w = 2 kN/mP = 30 kNABCRB​ = ?1 m2 m1 m

คานมีหมุดที่ A และลูกกลิ้งที่ B ห่างจาก A 3 m และมีส่วนยื่นเลย B ไปถึงปลายอิสระ C รับแรงกระทำเป็นจุด P ที่ระยะ 1 m จาก A และแรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอ w จาก 3 m ถึงปลายอิสระที่ 4 m จงหาแรงปฏิกิริยาในแนวดิ่ง RB โดยให้ทิศขึ้นเป็นบวก

AB = 3 mAC = 4 mP = 30 kN ที่ 1 mw = 2 kN/m จาก 3 ถึง 4 m
RB = kN
3.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนปานกลาง
300 kNØ40110 GPaØ100/50600 mmδ = ?

แท่งเหล็กกล้า (เส้นผ่านศูนย์กลาง 40 mm, E = 200 GPa) อยู่ภายในท่อที่ทำจากบรอนซ์ (เส้นผ่านศูนย์กลางนอก 100 mm, เส้นผ่านศูนย์กลางใน 50 mm, E = 110 GPa) ทั้งสองยาว 600 mm และถูกอัดร่วมกันระหว่างแผ่นแข็งด้วยแรง 300 kN จงหาระยะหด δ

P = 300 kNแท่ง: Ø40 mm, E = 200 GPaท่อ: Ø100/Ø50 mm, E = 110 GPaL = 600 mm
δ = mm
4.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนยาก
Ø 30 mmทองเหลือง0.5 mØ 20 mmทองแดง1 mP = 20 kN

แท่งขั้นบันไดถูกยึดติดกับผนังและรับแรงที่ปลายอิสระ หาความยืดรวม δ

P = 20 kNช่วงที่ 1: Ø30 mm, 0.5 m, ทองเหลือง (E = 100 GPa)ช่วงที่ 2: Ø20 mm, 1 m, ทองแดง (E = 117 GPa)
δ = mm
5.การบิดของเพลาปานกลาง
d1​ = 60 mmd2​ = 50 mmT = 250 N·mABC1.2 m2 m

เพลา ทองเหลือง ตันแบบขั้นบันไดยึดที่ A ท่อน AB มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 60 mm และยาว 1.2 m ท่อน BC มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 mm และยาว 2 m แรงบิด 250 N·m กระทำที่ปลายอิสระ C จงหามุมบิด φC ของปลาย C ในหน่วยองศา

T = 250 N·md1 = 60 mm, L1 = 1.2 md2 = 50 mm, L2 = 2 mG = 39 GPa
φC = °
6.การบิดของเพลายาก
d = 50 mmT0​ = 500 N·mACBa = 1 mb = 0.8 m

เพลา ทองเหลือง ตันเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 mm ยึดกับผนังแข็งเกร็งที่ปลายทั้งสอง A และ B แรงบิด 500 N·m กระทำที่ C ห่างจาก A 1 m และห่างจาก B 0.8 m จงหาความเค้นเฉือนสูงสุด τmax ในเพลา

d = 50 mmT0 = 500 N·ma = 1 mb = 0.8 m
τmax = MPa
7.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัดปานกลาง
45 kN10 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

เครื่องหมาย A ถึง G แบ่งคานเป็นหกส่วนเท่ากัน ที่เครื่องหมายใดโมเมนต์ดัดมีขนาดมากที่สุด ทั้งแบบท้องแอ่นหรือหลังโก่ง คลิกที่มันในแผนภาพ

45 kN @ 4 m10 kN @ 1 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.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัดยาก
w = 2 kN/mP = 50 kNABหน้าตัด5 m1 m4 m

หาโมเมนต์ดัด Mx ที่หน้าตัด x = 5 m จากจุดรองรับ A ให้โมเมนต์ที่ทำให้คานแอ่นลงเป็นบวก และแรงเฉือนที่ชี้ขึ้นบนหน้าซ้ายเป็นบวก

L = 10 mP = 50 kN ที่ 6 mw = 2 kN/m จาก 0 ถึง 10 mx = 5 m
Mx = kN·m
9.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นปานกลาง
σx​ = 120σy​ = 120τxy​ = 30MPa

จุดหนึ่งในแผ่นบางอยู่ในสภาวะความเค้นระนาบ: σₓ = 120 MPa, σᵧ = 120 MPa และ τₓᵧ = 30 MPa โดย σz = 0 จงหาความเค้นเฉือนสูงสุดสัมบูรณ์ τabs ที่จุดนั้น (พิจารณาทุกระนาบในสามมิติ)

σx = 120 MPaσy = 120 MPaτxy = 30 MPaσz = 0
τabs = MPa
10.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นยาก
40°D = 600 mm, t = 6 mm, p = 1.2 MPap

ถังทรงกระบอกผนังบางเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 600 mm ความหนาผนัง 6 mm บรรจุแก๊สที่ความดันเกจ 1.2 MPa ทำจากแผ่นเชื่อมตามรอยเชื่อมเกลียวที่ทำมุม 40° กับแกนของทรงกระบอก จงหาขนาดของความเค้นเฉือน |τn| ที่กระทำตามรอยเชื่อม

D = 600 mmt = 6 mmp = 1.2 MPaα = 40°
|τn| = MPa
11.การแอ่นตัวของคานปานกลาง
P = 20 kNABδ3 m2 m

คานช่วงเดียวรองรับอย่างง่ายรับแรงกระทำเป็นจุด P ที่ a = 3 m จากจุดรองรับ A จงหาการโก่งตัว δP ใต้แรงกระทำ

P = 20 kNa = 3 mL = 5 mE = 70 GPa (อะลูมิเนียม)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
12.การแอ่นตัวของคานยาก
w = 1.5 kN/mABδ3 m

คานไม้ช่วงเดียวรองรับอย่างง่ายหน้าตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้ากว้าง 100 mm รับแรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอ w ตลอดช่วงคาน การโก่งตัวที่กึ่งกลางช่วงคานต้องไม่เกิน ช่วงคาน/250 จงหาความลึกที่น้อยที่สุด hreq ของหน้าตัด

w = 1.5 kN/mL = 3 mE = 11 GPa (ไม้เนื้อแข็ง)b = 100 mm
hreq = mm
13.การโก่งเดาะของเสาปานกลาง
PL = 2 md = 20 mmหน้าตัด

เสายาว L ทำจากอะลูมิเนียม โดยยึดแน่นที่ฐานและยึดด้วยหมุดที่ปลายบน ใช้สูตรของออยเลอร์หาน้ำหนักวิกฤตที่ทำให้โก่งเดาะ Pcr

L = 2 mE = 70 GPa (อะลูมิเนียม)d = 20 mm
Pcr = kN
14.การโก่งเดาะของเสายาก
P = 145 kNL = 2 md = ?หน้าตัด

เสากลมตันยาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดแน่นที่ฐานและยึดด้วยหมุดที่ปลายบน ต้องรับ 145 kN ด้วยตัวประกอบความปลอดภัย 2 ต่อการโก่งเดาะ หาเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กที่สุด d

P = 145 kNn = 2L = 2 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)
d = mm
15.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ปานกลาง
v0​ = 18 m/s45°พิสัย

ลูกบอลถูกยิงออกไปทำมุม 45° เหนือแนวนอน จากพื้นราบ ไม่คิดแรงต้านอากาศ หาเวลาเคลื่อนที่ t จนกระทั่งลูกบอลกระทบพื้น

v0 = 18 m/sθ = 45°g = 9.81 m/s²
t = s
16.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ยาก
2 mv0​ = 38 m/s50°x = ?

โยนลูกบอลจากระดับพื้นด้วย 38 m/s ที่มุม 50° เหนือแนวนอน มันตกลงบนหลังคาเรียบของอาคารสูง 2 m ขณะกำลังตกลงมา ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² จงหาระยะทางในแนวนอน x จากจุดยิงถึงจุดที่ตก

v₀ = 38 m/sθ = 50°hroof = 2 mg = 9.81 m/s²
x = m
17.งานและพลังงานปานกลาง
90°L = 0.8 m0.5 kg

ลูกบอล 0.5 kg แขวนบนเชือกเบายาว 0.8 m ดึงไปด้านข้างจนเชือกทำมุม 90° กับแนวดิ่งแล้วปล่อยจากหยุดนิ่ง จงหาแรงตึง T ในเชือกเมื่อลูกบอลผ่านจุดต่ำสุด

m = 0.5 kgL = 0.8 mθ = 90°g = 9.81 m/s²
T = N
18.งานและพลังงานยาก
h = 1.5 mL = 1 mμ = 0.25k = 800 N/m

ก้อนวัตถุมวล 2 kg ถูกปล่อยจากหยุดนิ่งที่ความสูง 1.5 m บนทางลาดเรียบ ที่ด้านล่างมันผ่านแถบแนวนอนขรุขระยาว 1 m (μ = 0.25) แล้ววิ่งไปชนสปริง (k = 800 N/m) บนพื้นผิวเรียบ หาการหดตัวสูงสุด x ของสปริง

m = 2 kgh = 1.5 mL = 1 mμ = 0.25k = 800 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
19.การสั่นสะเทือนเชิงกลปานกลาง
tx15 mm3 รอบ0.9 mm

ในการทดสอบการสั่นอิสระของระบบมวล–สปริงที่มีการหน่วง ยอดการกระจัด 15 mm ตามด้วยยอด 0.9 mm หลังจากนั้น 3 รอบ หาอัตราส่วนการหน่วง ζ

x0 = 15 mmx3 = 0.9 mmn = 3
ζ =
20.การสั่นสะเทือนเชิงกลยาก
k1​ = 5k2​ = 5k3​ = 20m = 100 kg

มวล 100 kg แขวนจากสปริง k₃ = 20 kN/m ปลายบนของ k₃ ติดกับคานแข็งที่แขวนจากสปริงสองตัวเคียงกัน k₁ = 5 kN/m และ k₂ = 5 kN/m คานอยู่ในแนวระดับ ไม่คิดการหน่วงและมวลของสปริงและคาน หาความถี่ธรรมชาติ fn ของการสั่นแนวดิ่งใน Hz

m = 100 kgk1 = 5 kN/mk2 = 5 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz
21.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็นปานกลาง
TH​ = 300 °CTL​ = 30 °CEQH​QL​η = 26%

เครื่องยนต์ความร้อนรับความร้อนจากแหล่งที่ 300 °C และปล่อยความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมที่ 30 °C ประสิทธิภาพเชิงความร้อนจริงของมันคือ 26% จงหาประสิทธิภาพตามกฎข้อที่สอง ηII ซึ่งเป็นอัตราส่วนของประสิทธิภาพจริงต่อประสิทธิภาพคาร์โนต์

TH = 300 °CTL = 30 °Cη = 26%
ηII = %
22.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็นยาก
TH​ = 750 °CT0​ = 30 °CTL​ = -15 °CERWQ̇H​ = 140 kWQ̇L​ = ?

เครื่องยนต์ความร้อนคาร์โนต์รับความร้อน 140 kW จากแหล่งที่ 750 °C และปล่อยความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมที่ 30 °C งานทั้งหมดของมันขับตู้เย็นคาร์โนต์ที่ดึงความร้อนจากช่องแช่แข็งที่ -15 °C และปล่อยความร้อนสู่สิ่งแวดล้อมที่ 30 °C เช่นกัน จงหาอัตรา Q̇L ที่ความร้อนถูกดึงออกจากช่องแช่แข็ง

TH = 750 °CT0 = 30 °CTL = -15 °CQ̇H = 140 kW
Q̇L = kW
23.วัฏจักรกำลังแบบแก๊สปานกลาง
vP1234qin​qout​

วัฏจักรดีเซลอุดมคติมีอัตราส่วนการอัด r = 19 และอัตราส่วนตัดตอน rc = v₃/v₂ = 1.5 ใช้สมมติฐานอากาศมาตรฐานเย็น: อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีความจุความร้อนจำเพาะคงที่ k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) และ cv = 0.718 kJ/(kg·K) หาประสิทธิภาพเชิงความร้อน η เป็นเปอร์เซ็นต์

r = 19rc = 1.5k = 1.4
η = %
24.วัฏจักรกำลังแบบแก๊สยาก
vP1234qin​qout​

โรงไฟฟ้ากังหันแก๊สทำงานด้วยวัฏจักรเบรย์ตันที่อัตราส่วนความดันของคอมเพรสเซอร์ 10 อากาศเข้าคอมเพรสเซอร์ที่ 300 K และเข้ากังหันที่ 1200 K คอมเพรสเซอร์มีประสิทธิภาพไอเซนโทรปิก 88% และกังหัน 92% ใช้สมมติฐานอากาศมาตรฐานเย็น: อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีความจุความร้อนจำเพาะคงที่ k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) และ cv = 0.718 kJ/(kg·K) หางานสุทธิขาออก wnet ต่อกิโลกรัมของอากาศ ใน kJ/kg

rp = 10T1 = 300 KT3 = 1200 Kηc = 88%ηt = 92%k = 1.4cp = 1.005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg
25.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลีปานกลาง
12d1​ = 200 mm, p1​ = ?d2​ = 100 mm, p2​ = 70 kPa

น้ำไหล 20 L/s ผ่านท่อแนวนอนที่แคบลงจาก 200 mm เป็น 100 mm ความดันในส่วนแคบคือ 70 kPa ไม่คิดการสูญเสีย จงหาความดัน p1 ในส่วนกว้าง

Q = 20 L/sd1 = 200 mmd2 = 100 mmp2 = 70 kPaρ = 1000 kg/m³
p1 = kPa
26.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลียาก
12d1​ = 200 mm, p1​ = 100 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?Δz = 2 m

น้ำไหลขึ้นผ่านท่อที่แคบลงจาก 200 mm เป็น 75 mm ขณะที่ยกสูงขึ้น 2 m ที่หน้าตัด 1 ความดันคือ 100 kPa และความเร็วคือ 0.75 m/s ไม่คิดการสูญเสีย หาความดัน p2 ที่หน้าตัด 2

d1 = 200 mmd2 = 75 mmp1 = 100 kPav1 = 0.75 m/sΔz = 2 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
27.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสียปานกลาง
V = 1.8 m/sD = 150 mmL = 400 mf = 0.018

น้ำไหลด้วยความเร็วเฉลี่ย 1.8 m/s ผ่านท่อยาว 400 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 150 mm ใช้ตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.018 และ g = 9.81 m/s² หาการสูญเสียเฮดจากความเสียดทาน hf

V = 1.8 m/sL = 400 mD = 150 mmf = 0.018g = 9.81 m/s²
hf = m
28.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสียยาก
K = 2Δz = ?L = 150 m, D = 200 mm, f = 0.0183× ข้องอ (K = 0.3)

อ่างเก็บน้ำเปิดสองแห่งเชื่อมด้วยท่อยาว 150 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 200 mm และตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.018 การสูญเสียย่อยคือทางเข้าขอบคม (K = 0.5) ข้องอ 3 ตัว (ตัวละ K = 0.3) วาล์ว (K = 2) และทางออกสู่อ่างล่าง (K = 1.0) ใช้ g = 9.81 m/s² ผลต่างระดับน้ำ Δz ระหว่างอ่างทั้งสองเท่าใดจึงให้อัตราการไหล 75 L/s

Q = 75 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0.018Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1.0
Δz = m
29.ปั๊มและกำลังของปั๊มปานกลาง
PQ = 15 L/sH = 36 m

ปั๊มที่มีประสิทธิภาพ 78% ส่งน้ำ (ρ = 1000 kg/m³) 15 L/s ต้านเฮด 36 m ใช้ g = 9.81 m/s² หากำลังที่เพลา Pshaft ที่ต้องใช้ ใน kW

Q = 15 L/sH = 36 mη = 78%g = 9.81 m/s²
Pshaft = kW
30.ปั๊มและกำลังของปั๊มยาก
PQ = 80 L/sΔz = 36 mL = 300 m, D = 200 mm, f = 0.015, ΣK = 8

ปั๊มสูบน้ำ (ρ = 1000 kg/m³) 80 L/s จากอ่างล่างแบบเปิดไปยังถังบนที่ผิวน้ำสูงกว่า 36 m ท่อยาว 300 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 200 mm และตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.015 ส่วนสัมประสิทธิ์การสูญเสียย่อยรวมกันเป็น ΣK = 8 (รวมทางเข้าและทางออกแล้ว) ใช้ g = 9.81 m/s² หาเฮด H ที่ปั๊มต้องเพิ่มให้

Q = 80 L/sΔz = 36 mL = 300 mD = 200 mmf = 0.015ΣK = 8
H = m
31.การนำความร้อนปานกลาง
โฟมพอลิสไตรีนขยายตัว, k = 0.03550 mmไม้, k = 0.1775 mm22 °C-12 °CQ̇ = ?

ผนังประกอบด้วยโฟมพอลิสไตรีนขยายตัวหนา 50 mm และไม้หนา 75 mm มีพื้นที่ 12 m² ผิวด้านนอกทั้งสองมีอุณหภูมิ 22 °C และ -12 °C หาอัตราการไหลของความร้อน Q̇ ผ่านผนัง

L1 = 50 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 22 °CT3 = -12 °C
Q̇ = W
32.การนำความร้อนยาก
โฟมพอลิสไตรีนขยายตัว, k = 0.035100 mmไม้, k = 0.17100 mmห้อง 20 °Cภายนอก -7 °CQ̇

ผนังโฟมพอลิสไตรีนขยายตัวหนา 100 mm และไม้หนา 100 mm กั้นระหว่างห้องที่ 20 °C กับอากาศภายนอกที่ -7 °C สัมประสิทธิ์การพาความร้อนคือ 7.7 W/(m²·K) ภายใน และ 30 W/(m²·K) ภายนอก และพื้นที่ผนังคือ 8 m² หาสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม U ของผนัง

L1 = 100 mm, k1 = 0.035 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 8 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -7 °C
U = W/(m²·K)
33.เฟืองและชุดเฟืองปานกลาง
N1​ = 15N2​ = 60

มอเตอร์ 4 kW หมุนที่ 1450 rpm ขับเฟืองเล็กที่มี 15 ฟัน ซึ่งขบกับเฟืองที่มี 60 ฟัน ไม่คิดการสูญเสีย หาแรงบิด T1 บนเพลาของมอเตอร์

P = 4 kWn1 = 1450 rpmN1 = 15N2 = 60η = 100%
T1 = N·m
34.เฟืองและชุดเฟืองยาก
A = 15B = 16C = 40D = 60

ในชุดเฟืองประกอบ เฟือง A (15 ฟัน) บนเพลาขาเข้าหมุนที่ 2900 rpm ขับเฟือง B (16 ฟัน) เฟือง C (40 ฟัน) ติดอยู่กับเพลาเดียวกับ B และขับเฟือง D (60 ฟัน) บนเพลาขาออก หาความเร็วรอบขาออก nout

nin = 2900 rpmA = 15B = 16C = 40D = 60
nout = rpm
35.การแปลงลาปลาซปานกลาง
t (s)f(t)t = 0.1f(0.1) = ?

จงหา f(t) สำหรับ F(s) = (2s + 30)/(s² + 8s + 16) และหาค่า f(0.1)

F(s) = (2s + 30)/(s² + 8s + 16)t = 0.1 s
f(0.1) =
36.การแปลงลาปลาซยาก
t (s)y(t)t = 0.3y(0.3) = ?

จงแก้ y″ + 7y′ + 12y = 0 โดย y(0) = 7 และ y′(0) = −4 ด้วยการแปลงลาปลาซ และหา y(0.3)

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 7y′(0) = −4t = 0.3 s
y(0.3) =
37.แผนภาพบล็อกปานกลาง
R(s)+5(s + 7)(s + 1)(s + 8)G(s)C(s)−

วงป้อนกลับลบหนึ่งหน่วยมี G(s) = 5(s + 7)/((s + 1)(s + 8)) ป้อนฟังก์ชันขั้นขนาด 10 ที่สัญญาณอ้างอิง จงหาค่าผิดพลาดสถานะคงตัว ess

G(s) = 5(s + 7)/((s + 1)(s + 8))R = 10
ess =
38.แผนภาพบล็อกยาก
R(s)+9ตัวควบคุม+D(s)+8s + 4พืชC(s)−

ตัวควบคุมสัดส่วน K = 9 ขับพืช G(s) = 8/(s + 4) ในวงป้อนกลับลบหนึ่งหน่วย สิ่งรบกวน D เข้าที่อินพุตของพืช (บวกเข้ากับเอาต์พุตของตัวควบคุม) ป้อนฟังก์ชันขั้นอ้างอิงขนาด 10 และฟังก์ชันขั้นสิ่งรบกวนขนาด 2 พร้อมกัน จงหาเอาต์พุตสถานะคงตัว css

K = 9G(s) = 8/(s + 4)D = 2R = 10
css =
39.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดปานกลาง
t (s)y(t)0.5?

ระบบหนึ่งมีฟังก์ชันถ่ายโอน G(s) = 40.5/(s² + 11s + 81) และรับอินพุตขั้นบันไดหนึ่งหน่วย จงหาค่าพุ่งเกินร้อยละ %OS ของการตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

G(s) = 40.5/(s² + 11s + 81)
%OS = %
40.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดยาก
+−10 VR = 37 ΩL = 100 mHC = 47 µFvC​

วงจร RLC อนุกรมที่มี R = 37 Ω, L = 100 mH และ C = 47 µF ต่อกับแหล่งกำเนิดขั้นบันได 10 V ที่ t = 0 ตัวเก็บประจุยังไม่มีประจุ และไม่มีกระแสไหลก่อนการเปลี่ยนขั้น จงหาค่าพุ่งเกินร้อยละ %OS ของแรงดันตกคร่อมตัวเก็บประจุ

R = 37 ΩL = 100 mHC = 47 µFV = 10 V
%OS = %
41.ค่าความคลาดเคลื่อนสถานะคงตัวและการควบคุม PIDปานกลาง
r(t) = 5t+Ks(s + 1)C(s)−

วงฟีดแบ็กหนึ่งหน่วยที่มี G(s) = K/(s(s + 1)) ต้องตามแรมป์ r(t) = 5t ด้วยค่าความคลาดเคลื่อนสถานะคงตัว 0.2 จงหาอัตราขยาย K

G(s) = K/(s(s + 1))r(t) = 5tess = 0.2
K =
42.ค่าความคลาดเคลื่อนสถานะคงตัวและการควบคุม PIDยาก
R(s)+K = 504s(s + 5)C(s)−

ตัวควบคุมสัดส่วน K = 50 ขับโรงงาน G(s) = 4/(s(s + 5)) ในวงฟีดแบ็กหนึ่งหน่วย จงหาเวลาถึงจุดสูงสุด tp ของการตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

G(s) = 4/(s(s + 5))K = 50
tp = s

3สารละลาย

1.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคาน

คำตอบ: RB = 10 kN

สมดุลสถิต: วัตถุที่หยุดนิ่งมี ΣFx = 0, ΣFy = 0 และ ΣM = 0 รอบจุดใดก็ได้ ให้แทนแรงกระทำแบบแผ่แต่ละแรงด้วยแรงลัพธ์ (พื้นที่ของมัน) ที่กระทำที่เซนทรอยด์ของแผนภาพแรง และหาโมเมนต์รอบจุดรองรับหนึ่งเพื่อกำจัดแรงปฏิกิริยาของจุดรองรับนั้นออกจากสมการ

แรงลัพธ์ของแรงกระทำรูปสามเหลี่ยม

W = ½·6·10 = 30 kN
x̄ = L/3 = 3.333 m

สมดุล

โมเมนต์รอบจุด A โดยให้ทวนเข็มนาฬิกาเป็นบวก จากนั้นสมดุลของแรงแนวดิ่ง

ΣMA = 0: RB·10 = 30·3.333
RB = 10 kN
RA = 30 − 10 = 20 kN

คำตอบ

RB = 10 kN
2.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคาน

คำตอบ: RB = 12.33 kN

สมดุลสถิต: วัตถุที่หยุดนิ่งมี ΣFx = 0, ΣFy = 0 และ ΣM = 0 รอบจุดใดก็ได้ ให้แทนแรงกระทำแบบแผ่แต่ละแรงด้วยแรงลัพธ์ (พื้นที่ของมัน) ที่กระทำที่เซนทรอยด์ของแผนภาพแรง และหาโมเมนต์รอบจุดรองรับหนึ่งเพื่อกำจัดแรงปฏิกิริยาของจุดรองรับนั้นออกจากสมการ

แรงลัพธ์ของแรงกระทำแบบแผ่

W = 2·1 = 2 kN, x̄ = (3 + 4)/2 = 3.5 m

สมดุล

โมเมนต์รอบจุด A โดยให้ทวนเข็มนาฬิกาเป็นบวก จากนั้นสมดุลของแรงแนวดิ่ง

ΣMA = 0: RB·3 = 30·1 + 2·3.5
RB = 37/3 = 12.33 kN
RA = 32 − 12.33 = 19.67 kN

คำตอบ

RB = 12.33 kN
3.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: δ = 0.2002 mm

วัสดุสองชนิด: แบบอนุกรม (ต่อกันทีละส่วน) ทุกส่วนรับแรงเท่ากันและการยืดตัวบวกกัน: δ = P·Σ L/(E·A) แบบขนาน (วางเคียงกันระหว่างแผ่นแข็ง) ทั้งสองส่วนหดเท่ากัน ดังนั้นความเครียดเท่ากัน: ส่วนที่แข็งกว่ารับสัดส่วนมากกว่า Pi = P·EiAi/ΣEA และ σi = Ei·ε แท่งที่ยึดระหว่างผนังแข็งสองด้านโดยมีโหลดที่รอยต่อเป็นโครงสร้างอินดีเทอร์มิเนต: สองส่วนแบ่งโหลดตามสัดส่วนความแข็ง k = EA/L

พื้นที่

Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(100² − 50²)/4 = 5890 mm²

ความแข็งตามแนวแกนรวม

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·5890 = 8.993 × 10⁸ N

ระยะหด

δ = 300000·600/8.993 × 10⁸ = 0.2002 mm

คำตอบ

δ = 0.2002 mm
4.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: δ = 0.6856 mm

ชิ้นส่วนรับแรงตามแนวแกน: แต่ละช่วงที่มีหน้าตัดคงที่เป็นไปตาม δ = PL/(AE) สำหรับชิ้นส่วนที่ต่ออนุกรมกัน ความยืดจะบวกกัน

แรงเท่ากันทั้งสองช่วง

ปลายอิสระรับแรง P ดังนั้นทุกส่วนของแท่งมีแรงตามแนวแกน P เท่ากัน มีเพียงพื้นที่และวัสดุที่เปลี่ยนไป

A1 = π·30²/4 = 706.9 mm², A2 = π·20²/4 = 314.2 mm²
σ1 = 28.29 MPa
σ2 = 63.66 MPa

รวมความยืดของแต่ละช่วง

δ1 = σ1L1/E1 = 28.29·500/100000 = 0.1415 mm
δ2 = σ2L2/E2 = 63.66·1000/117000 = 0.5441 mm
δ = δ1 + δ2 = 0.6856 mm

คำตอบ

δ = 0.6856 mm
5.การบิดของเพลา

คำตอบ: φC = 1.544 °

การบิดของเพลากลม: ความเค้นเฉือนเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงจากศูนย์ที่ศูนย์กลางถึง τmax = T·r/J ที่ผิว โดย J = πd⁴/32 สำหรับเพลาตัน และ J = π(do⁴ − di⁴)/32 สำหรับเพลากลวง มุมบิดคือ φ = TL/(GJ) เป็นเรเดียน กำลังและแรงบิดสัมพันธ์กันด้วย P = T·ω

โมเมนต์ความเฉื่อยเชิงขั้ว

J1 = π·60⁴/32 = 1.272 × 10⁶ mm⁴
J2 = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

มุมบิดของแต่ละท่อน

T = 250 N·m = 250000 N·mm
G = 39 GPa = 39000 MPa
φAB = 250000·1200/(39000·1.272 × 10⁶) = 0.006046 rad
φBC = 250000·2000/(39000·613592) = 0.02089 rad

มุมบิดรวม

φC = 0.006046 + 0.02089 = 0.02694 rad = 1.544°

คำตอบ

φC = 1.544°
6.การบิดของเพลา

คำตอบ: τmax = 11.32 MPa

การบิดของเพลากลม: ความเค้นเฉือนเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงจากศูนย์ที่ศูนย์กลางถึง τmax = T·r/J ที่ผิว โดย J = πd⁴/32 สำหรับเพลาตัน และ J = π(do⁴ − di⁴)/32 สำหรับเพลากลวง มุมบิดคือ φ = TL/(GJ) เป็นเรเดียน กำลังและแรงบิดสัมพันธ์กันด้วย P = T·ω เมื่อยึดทั้งสองปลาย สถิตยศาสตร์ให้เพียง TA + TB = T₀ สมการที่สองคือความสอดคล้อง (มุมบิดของสองส่วนเท่ากันที่หน้าตัดที่รับแรง)

สมดุลและความสอดคล้อง

TA + TB = 500
TA·a = TB·b
TA = 500·0.8/1.8 = 222.2 N·m
TB = 500·1/1.8 = 277.8 N·m

ความเค้นเฉือนสูงสุด

แรงบิดที่มากกว่าในสองค่าเป็นตัวกำหนด (เส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน)

τmax = 16·277778/(π·50³) = 11.32 MPa

คำตอบ

τmax = 11.32 MPa
7.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

คำตอบ: E (x = 4 m)

โมเมนต์ดัดสูงสุด: ความชันของ M เปลี่ยนทุกที่ที่แรงเฉือนเปลี่ยน ดังนั้นยอดของมันอยู่ที่แรงเฉือนตัดผ่านศูนย์: ใต้โหลดจุด ภายในโหลดแผ่กระจาย หรือเหนือจุดรองรับของคานยื่น ที่จุดรองรับแบบยึดแน่นของคานยื่นออก โมเมนต์มากที่สุดที่ผนัง เปรียบเทียบขนาดของ M ที่ตำแหน่งเหล่านั้น ทั้งแบบท้องแอ่นหรือแบบหลังโก่ง

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

หาโมเมนต์รอบจุดรองรับหนึ่งจุด แล้วใช้สมดุลแรงแนวตั้ง

R1 = 23.33 kN, R2 = 31.67 kN

โมเมนต์ดัดที่ทุกเครื่องหมาย

รวมโมเมนต์ของแรงทั้งหมดที่ด้านหนึ่งของหน้าตัดที่ตัด ท้องแอ่นเป็นบวก หลังโก่งเป็นลบ

MA = 0, MB = 23.33, MC = 36.67, MD = 50, ME = 63.33 kN·m, MF = 31.67, MG = 0

คำตอบ

เครื่องหมาย E: ME = 63.33 kN·m
8.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

คำตอบ: Mx = 125 kN·m

วิธีหน้าตัด: ตัดคานตรงจุดที่ต้องการหาแรงภายในแล้วเก็บไว้ด้านหนึ่ง แรงเฉือน V สมดุลกับแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น และโมเมนต์ดัด M สมดุลกับโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

สมดุลของคานทั้งตัว

แรงลัพธ์ของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ: W = w·ℓ = 2·10 = 20 kN กระทำที่ x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 50·6 + 2·10·5
RB = 400/10 = 40 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 40 = 30 kN
w = 2 kN/mP = 50 kNABRA​ = 30RB​ = 40หน้าตัด5 m1 m4 m

ตัดที่ x = 5 m และเก็บส่วนทางซ้ายไว้

มีเฉพาะแรงทางซ้ายของรอยตัดเท่านั้น ส่วนของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอกระทำเป็นแรงเดียวที่กึ่งกลางของส่วนนั้น

M = RA·x − (น้ำหนักบรรทุกแต่ละตัวทางซ้ายของรอยตัด × ระยะถึงรอยตัด)
Mx = 30·5 − 2·5·2.5 = 125 kN·m

คำตอบ

Mx = 125 kN·m
9.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: τabs = 75 MPa

การแปลงความเค้นระนาบ: บนระนาบที่หมุนไป θ σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ วงกลมของมอร์แสดงทุกระนาบพร้อมกัน ศูนย์กลางอยู่ที่ C = (σₓ + σᵧ)/2 และรัศมีคือ R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) ความเค้นหลักคือ C ± R และความเค้นเฉือนในระนาบที่มากที่สุดคือ R ในสามมิติ ความเค้นเฉือนสูงสุดสัมบูรณ์คือ (σmax − σmin)/2 จากความเค้นหลักทั้งสาม ในความเค้นระนาบ ตัวที่สามเป็นศูนย์

σxyCσ1​σ2​

ความเค้นหลักในระนาบ

C = 120 MPa, R = √(0² + 30²) = 30 MPa
σ1 = 150 MPa, σ2 = 90 MPa, σz = 0

วงกลมที่ใหญ่ที่สุดในสามวง

τ = max(|σ1 − σ2|, |σ1|, |σ2|)/2 = max(60, 150, 90)/2 = 75 MPa

คำตอบ

τabs = 75 MPa

ในที่นี้วงกลมนอกระนาบเป็นตัวกำหนด: ค่าสูงสุดสัมบูรณ์มากกว่าค่าสูงสุดในระนาบ R

10.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: |τn| = 14.77 MPa

การแปลงความเค้นระนาบ: บนระนาบที่หมุนไป θ σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ วงกลมของมอร์แสดงทุกระนาบพร้อมกัน ศูนย์กลางอยู่ที่ C = (σₓ + σᵧ)/2 และรัศมีคือ R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) ความเค้นหลักคือ C ± R และความเค้นเฉือนในระนาบที่มากที่สุดคือ R ทรงกระบอกผนังบาง: ความเค้นตามเส้นรอบวง σh = pr/t และความเค้นตามแนวแกน σa = pr/(2t) ทั้งสองคือความเค้นหลักในผนัง

ความเค้นในผนัง

r = 600/2 = 300 mm
σh = pr/t = 1.2·300/6 = 60 MPa
σa = pr/(2t) = 30 MPa

แปลงไปยังรอยเชื่อม

ให้ x ตามแนวแกน (σa) และ y รอบเส้นรอบวง (σh) เส้นแนวฉากของรอยเชื่อมทำมุม 90° − α กับแกน

|τn| = (60 − 30)·sin 40°·cos 40° = 14.77 MPa

คำตอบ

|τn| = 14.77 MPa
11.การแอ่นตัวของคาน

คำตอบ: δP = 19.05 mm

การแอ่นตัวของคาน: ระยะแอ่นได้จากการอินทิเกรตความโค้ง M/(EI) สองครั้ง กรณีมาตรฐานมีตารางให้ เช่น PL³/(3EI) สำหรับคานยื่นที่รับแรงที่ปลาย และ 5wL⁴/(384EI) สำหรับคานรับแรงสองจุดที่รับน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอเต็มช่วง ระยะแอ่นจากน้ำหนักแต่ละตัวบวกกันได้ (การซ้อนทับ)

หน่วยที่สอดคล้องกัน

คำนวณเป็น N และ mm: P เป็น N, w เป็น N/mm (kN/m = N/mm), L เป็น mm, E เป็น N/mm² (GPa × 1000), I เป็น mm⁴

P = 20000 N, a = 3000 mm, b = 2000 mm, L = 5000 mm
EI = 2.52 × 10¹² N·mm²

การโก่งตัวใต้แรงกระทำ

δP = Pa²b²/(3EIL) = 20000·3000²·2000²/(3·2.52 × 10¹²·5000) = 19.05 mm

คำตอบ

δP = 19.05 mm
12.การแอ่นตัวของคาน

คำตอบ: hreq = 112.9 mm

การแอ่นตัวของคาน: ระยะแอ่นได้จากการอินทิเกรตความโค้ง M/(EI) สองครั้ง กรณีมาตรฐานมีตารางให้ เช่น PL³/(3EI) สำหรับคานยื่นที่รับแรงที่ปลาย และ 5wL⁴/(384EI) สำหรับคานรับแรงสองจุดที่รับน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอเต็มช่วง ระยะแอ่นจากน้ำหนักแต่ละตัวบวกกันได้ (การซ้อนทับ)

หน่วยที่สอดคล้องกัน

คำนวณเป็น N และ mm: P เป็น N, w เป็น N/mm (kN/m = N/mm), L เป็น mm, E เป็น N/mm² (GPa × 1000), I เป็น mm⁴

w = 1.5 N/mm, L = 3000 mm, E = 11000 N/mm²

เกณฑ์ระยะแอ่น

δallow = L/250 = 3000/250 = 12 mm

โมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ที่ต้องการ

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·1.5·3000⁴/(384·11000·12) = 1.199 × 10⁷ mm⁴

ความลึกที่ต้องการ

bh³/12 = Ireq → h = (12·1.199 × 10⁷/100)1/3 = 112.9 mm

คำตอบ

hreq = 112.9 mm

ในทางปฏิบัติ ให้เลือกความลึกมาตรฐานถัดไปที่สูงกว่าค่านี้

13.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: Pcr = 2.768 kN

การโก่งเดาะของออยเลอร์: เสาเพรียวจะไม่เสถียรที่ Pcr = π²EI/(KL)² โดย KL คือความยาวประสิทธิผล: K = 1 สำหรับหมุด–หมุด, 2 สำหรับยึดแน่น–อิสระ, 0.7 สำหรับยึดแน่น–หมุด และ 0.5 สำหรับยึดแน่น–ยึดแน่น เสาจะโก่งเดาะรอบแกนที่มี I น้อยที่สุด สูตรนี้ใช้ได้กับเสาเพรียวซึ่งความเค้นวิกฤตยังต่ำกว่าความเค้นครากของวัสดุ

โมเมนต์ความเฉื่อยของพื้นที่ที่น้อยที่สุด

หน้าตัดกลมมี I เท่ากันรอบทุกแกน

I = πd⁴/64 = π·20⁴/64 = 7854 mm⁴

ความยาวประสิทธิผล

KL = 0.7·2000 = 1400 mm

น้ำหนักวิกฤต

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·7854/1400² = 2768 N = 2.768 kN

คำตอบ

Pcr = 2.768 kN
14.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: d = 49.21 mm

การโก่งเดาะของออยเลอร์: เสาเพรียวจะไม่เสถียรที่ Pcr = π²EI/(KL)² โดย KL คือความยาวประสิทธิผล: K = 1 สำหรับหมุด–หมุด, 2 สำหรับยึดแน่น–อิสระ, 0.7 สำหรับยึดแน่น–หมุด และ 0.5 สำหรับยึดแน่น–ยึดแน่น เสาจะโก่งเดาะรอบแกนที่มี I น้อยที่สุด สูตรนี้ใช้ได้กับเสาเพรียวซึ่งความเค้นวิกฤตยังต่ำกว่าความเค้นครากของวัสดุ

น้ำหนักวิกฤตที่ต้องการ

Pcr = n·P = 2·145000 = 290000 N
KL = 0.7·2000 = 1400 mm

แก้หาเส้นผ่านศูนย์กลาง

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·290000·1400²/(π³·200000))^(1/4) = 49.21 mm

คำตอบ

d = 49.21 mm

ตรวจสอบ: ค่าความเพรียว KL/r คือ 113.8 ดังนั้นเสาเป็นเสาเพรียวและใช้สูตรออยเลอร์ได้

15.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

คำตอบ: t = 2.595 s

การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์: เมื่อไม่มีแรงต้านอากาศ x = vxt และ y = h + vyt − ½gt² ทั้งสองทิศทางเป็นอิสระต่อกัน ยกเว้นว่าใช้เวลาเดียวกัน

แยกความเร็วต้น

ความเร็วในแนวนอนคงที่ การเคลื่อนที่ในแนวดิ่งมีความเร่งคงที่ g = 9.81 m/s² ลงด้านล่าง

vx = v0·cos θ = 18·cos 45° = 12.73 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 45° = 12.73 m/s

เวลาที่อยู่ในอากาศ

เริ่มต้นและตกลงที่ความสูงเท่ากัน: t = 2vy/g

t = 2·12.73/9.81 = 2.595 s

คำตอบ

t = 2.595 s
16.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

คำตอบ: x = 143.3 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.

แยกความเร็วต้น

vx = 24.43 m/s, vy = 29.11 m/s

เวลาที่ตกลงบนหลังคา

รากที่มากกว่า: ลูกบอลกำลังตกลง

2 = 29.11·t − 4.905·t²
t = (29.11 + √(29.11² − 2·9.81·2))/9.81 = 5.865 s

ระยะทางในแนวนอน

x = vx·t = 24.43·5.865 = 143.3 m

คำตอบ

x = 143.3 m
17.งานและพลังงาน

คำตอบ: T = 14.71 N

หลักการงาน–พลังงาน: การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์เท่ากับงานที่แรงทั้งหมดกระทำ เมื่อเขียนแรงโน้มถ่วงและสปริงเป็นพลังงานศักย์ (mgh และ ½kx²) จะได้สมดุลว่า พลังงานเริ่มต้น = พลังงานสุดท้าย + พลังงานที่สูญเสียไปกับแรงเสียดทาน (μN·d) บนทางโค้งวงกลม แรงลัพธ์ในทิศทางสู่ศูนย์กลางต้องเท่ากับ mv²/r

อัตราเร็วที่ด้านล่าง

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·0.8·(1 − cos 90°) = 15.7 m²/s²

แรงที่ด้านล่าง

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
T = mg + mv²/L = 4.905 + 0.5·15.7/0.8 = 14.71 N

คำตอบ

T = 14.71 N

ตรวจสอบ: T = mg(3 − 2cos θ) = 14.71 N

18.งานและพลังงาน

คำตอบ: x = 24.76 cm

หลักการงาน–พลังงาน: การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์เท่ากับงานที่แรงทั้งหมดกระทำ เมื่อเขียนแรงโน้มถ่วงและสปริงเป็นพลังงานศักย์ (mgh และ ½kx²) จะได้สมดุลว่า พลังงานเริ่มต้น = พลังงานสุดท้าย + พลังงานที่สูญเสียไปกับแรงเสียดทาน (μN·d)

พลังงานที่เหลือหลังแถบขรุขระ

ทางลาดเรียบ มีเพียงแถบขรุขระเท่านั้นที่ดึงพลังงานออก

mgh − μmgL = 19.62·(1.5 − 0.25·1) = 24.53 J

การหดตัวสูงสุด

½kx² = 24.53 → x = √(2·24.53/800) = 0.2476 m = 24.76 cm

คำตอบ

x = 24.76 cm
19.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: ζ = 0.1476

การสั่นอิสระของระบบมวล–สปริง: ความถี่ธรรมชาติแบบไม่มีการหน่วงคือ ωn = √(k/m) ใน rad/s และ fn = ωn/(2π) ใน Hz ตัวหน่วงหนืด c ให้อัตราส่วนการหน่วง ζ = c/cc โดยการหน่วงวิกฤต cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn ระบบที่หน่วงน้อยกว่าวิกฤต (ζ < 1) สั่นที่ ωd = ωn·√(1 − ζ²) สปริงต่อขนานบวกกัน k = k₁ + k₂ สปริงต่ออนุกรมบวกกันแบบส่วนกลับ 1/k = 1/k₁ + 1/k₂

ลอการิทึมดีเครเมนต์

δ = (1/3)·ln(15/0.9) = 0.9378

อัตราส่วนการหน่วง

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.9378/√(39.48 + 0.8795) = 0.1476

คำตอบ

ζ = 0.1476
20.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: fn = 1.299 Hz

การสั่นอิสระของระบบมวล–สปริง: ความถี่ธรรมชาติแบบไม่มีการหน่วงคือ ωn = √(k/m) ใน rad/s และ fn = ωn/(2π) ใน Hz ตัวหน่วงหนืด c ให้อัตราส่วนการหน่วง ζ = c/cc โดยการหน่วงวิกฤต cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn ระบบที่หน่วงน้อยกว่าวิกฤต (ζ < 1) สั่นที่ ωd = ωn·√(1 − ζ²) สปริงต่อขนานบวกกัน k = k₁ + k₂ สปริงต่ออนุกรมบวกกันแบบส่วนกลับ 1/k = 1/k₁ + 1/k₂

ค่าความแข็งสมมูล

มีเพียง k1 และ k2 ที่ขนานกัน คู่นั้นต่ออนุกรมกับ k3 จึงรวมแบบส่วนกลับ

k12 = 5 + 5 = 10 kN/m
keq = 10·20/(10 + 20) = 6.667 kN/m

ความถี่ธรรมชาติ

ωn = √(6667/100) = 8.165 rad/s
fn = 8.165/(2π) = 1.299 Hz

คำตอบ

fn = 1.299 Hz
21.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

คำตอบ: ηII = 55.19 %

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.

อุณหภูมิสัมบูรณ์

TH = 300 + 273.15 = 573.1 K
TL = 30 + 273.15 = 303.1 K

ประสิทธิภาพคาร์โนต์

ηCarnot = 1 − 303.1/573.1 = 47.11 %

ประสิทธิภาพตามกฎข้อที่สอง

ηII = η/ηCarnot = 26/47.11 = 55.19 %

คำตอบ

ηII = 55.19 %
22.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

คำตอบ: Q̇L = 565.2 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.

อุณหภูมิสัมบูรณ์

TH = 750 + 273.15 = 1023 K
T0 = 30 + 273.15 = 303.1 K
TL = -15 + 273.15 = 258.1 K

งานของเครื่องยนต์

η = 1 − 303.1/1023 = 0.7037
Ẇ = 0.7037·140 = 98.52 kW

ความร้อนที่ตู้เย็นดึงออก

COPR = 258.1/(303.1 − 258.1) = 5.737
Q̇L = 5.737·98.52 = 565.2 kW

คำตอบ

Q̇L = 565.2 kW
23.วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส

คำตอบ: η = 66.38 %

วัฏจักรดีเซล (เครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยการอัด): 1→2 อัดแบบไอเซนโทรปิก 2→3 เพิ่มความร้อนที่ความดันคงที่ 3→4 ขยายตัวแบบไอเซนโทรปิก 4→1 คายความร้อนที่ปริมาตรคงที่ เมื่ออัตราส่วนการอัด r = v₁/v₂ และอัตราส่วนตัดตอน rc = v₃/v₂: T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) และ η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1))

พจน์ตัดตอน

(1.51.4 − 1)/(1.4·(1.5 − 1)) = 1.092

ประสิทธิภาพเชิงความร้อน

η = 1 − 0.308·1.092 = 66.38%

คำตอบ

η = 66.38%
24.วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส

คำตอบ: wnet = 216 kJ/kg

วัฏจักรเบรย์ตัน (กังหันแก๊ส): 1→2 อัดแบบไอเซนโทรปิก 2→3 เพิ่มความร้อนที่ความดันคงที่ 3→4 ขยายตัวแบบไอเซนโทรปิกในกังหัน 4→1 คายความร้อนที่ความดันคงที่ เมื่ออัตราส่วนความดัน rp = P₂/P₁: T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k และ η = 1 − 1/rp(k−1)/k งานสุทธิ w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)] เมื่อมีประสิทธิภาพไอเซนโทรปิก คอมเพรสเซอร์ต้องใช้ ws/ηc และกังหันให้ ηt·ws

อุณหภูมิไอเซนโทรปิก

T2s = 300·100.2857 = 579.2 K
T4s = 1200/100.2857 = 621.5 K

งานของคอมเพรสเซอร์และกังหัน

wc = 1.005·(579.2 − 300)/0.88 = 318.9 kJ/kg
wt = 0.92·1.005·(1200 − 621.5) = 534.8 kJ/kg

งานสุทธิ

wnet = 534.8 − 318.9 = 216 kJ/kg

คำตอบ

wnet = 216 kJ/kg

อัตราส่วนงานย้อนกลับ: wc/wt = 59.62%

25.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี

คำตอบ: p1 = 73.04 kPa

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

ความเร็ว

v1 = Q/A1 = 0.02/0.03142 = 0.6366 m/s
v2 = Q/A2 = 0.02/0.007854 = 2.546 m/s

เบอร์นูลลี

p1 = p2 + ½ρ(v2² − v1²) = 70 + ½·1000·(2.546² − 0.6366²)/1000 = 70 + 3.04 = 73.04 kPa

คำตอบ

p1 = 73.04 kPa
26.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี

คำตอบ: p2 = 66.44 kPa

ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี: สำหรับของไหลที่อัดตัวไม่ได้ อัตราการไหลเท่ากันทุกหน้าตัด Q = A₁v₁ = A₂v₂ ตามเส้นกระแสที่ไม่มีการสูญเสีย p + ½ρv² + ρgz เป็นค่าคงตัว ดังนั้นตรงที่ของไหลเร็วขึ้นหรืออยู่สูงขึ้น ความดันจะต่ำลง

ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี

คำนวณเป็น Pa แล้วหารด้วย 1000 เพื่อให้ได้ kPa

v2 = v1·(d1/d2)² = 0.75·(200/75)² = 5.333 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0.75² − 5.333²)/1000 = −13.94 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·2/1000 = 19.62 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 100 + (−13.94) − 19.62 = 66.44 kPa

คำตอบ

p2 = 66.44 kPa
27.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสีย

คำตอบ: hf = 7.927 m

การไหลในท่อ: เลขเรย์โนลดส์ Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ บอกการไหลแบบราบเรียบ (Re ต่ำกว่าประมาณ 2000) จากแบบปั่นป่วน (สูงกว่าประมาณ 4000) ความเสียดทานตามท่อทำให้เกิดการสูญเสียเฮดแบบดาร์ซี–ไวส์บาค hf = f·(L/D)·V²/(2g) ข้อต่อ วาล์ว ทางเข้า และทางออกเพิ่มการสูญเสียย่อย hm = ΣK·V²/(2g) ระหว่างผิวน้ำของอ่างเปิดสองแห่ง สมการพลังงานให้ Δz = hf + hm โดยรวมการสูญเสียที่ทางออก K = 1 ด้วย

เฮดความเร็ว

V²/(2g) = 1.8²/(2·9.81) = 0.1651 m

ดาร์ซี–ไวส์บาค

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.018·(400/0.15)·1.8²/(2·9.81) = 7.927 m

คำตอบ

hf = 7.927 m
28.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสีย

คำตอบ: Δz = 5.2 m

การไหลในท่อ: เลขเรย์โนลดส์ Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ บอกการไหลแบบราบเรียบ (Re ต่ำกว่าประมาณ 2000) จากแบบปั่นป่วน (สูงกว่าประมาณ 4000) ความเสียดทานตามท่อทำให้เกิดการสูญเสียเฮดแบบดาร์ซี–ไวส์บาค hf = f·(L/D)·V²/(2g) ข้อต่อ วาล์ว ทางเข้า และทางออกเพิ่มการสูญเสียย่อย hm = ΣK·V²/(2g) ระหว่างผิวน้ำของอ่างเปิดสองแห่ง สมการพลังงานให้ Δz = hf + hm โดยรวมการสูญเสียที่ทางออก K = 1 ด้วย

ความเร็ว

V = Q/A = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s
V²/(2g) = 0.2905 m

สัมประสิทธิ์การสูญเสีย

f·L/D = 0.018·150/0.2 = 13.5
ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 2 + 1.0 = 4.4

การสูญเสียเฮดรวม

hf = 13.5·0.2905 = 3.922 m
hm = 4.4·0.2905 = 1.278 m
Δz = hf + hm = 5.2 m

คำตอบ

Δz = 5.2 m
29.ปั๊มและกำลังของปั๊ม

คำตอบ: Pshaft = 6.792 kW

กำลังปั๊ม: กำลังที่ให้แก่น้ำคือกำลังไฮดรอลิก Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp เพลาต้องส่งกำลังมากกว่านั้นเพราะปั๊มสูญเสียบางส่วน: Pshaft = Ph/ηpump และมอเตอร์ดึง Pel = Pshaft/ηmotor เฮดของปั๊ม H ได้จากสมการพลังงาน: ความสูงยกสถิต + เฮดความดัน + การสูญเสียจากความเสียดทานและการสูญเสียย่อยทั้งหมด

กำลังไฮดรอลิก

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.015·36 = 5.297 kW

กำลังที่เพลา

Pshaft = Ph/η = 5.297/0.78 = 6.792 kW

คำตอบ

Pshaft = 6.792 kW
30.ปั๊มและกำลังของปั๊ม

คำตอบ: H = 46.08 m

กำลังปั๊ม: กำลังที่ให้แก่น้ำคือกำลังไฮดรอลิก Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp เพลาต้องส่งกำลังมากกว่านั้นเพราะปั๊มสูญเสียบางส่วน: Pshaft = Ph/ηpump และมอเตอร์ดึง Pel = Pshaft/ηmotor เฮดของปั๊ม H ได้จากสมการพลังงาน: ความสูงยกสถิต + เฮดความดัน + การสูญเสียจากความเสียดทานและการสูญเสียย่อยทั้งหมด

ความเร็ว

V = Q/A = 0.08/0.03142 = 2.546 m/s
V²/(2g) = 0.3305 m

การสูญเสียเฮด

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22.5 + 8)·0.3305 = 10.08 m

เฮดของปั๊ม

ผิวทั้งสองเปิดและแทบจะนิ่ง พจน์ความดันและความเร็วจึงหายไป

H = Δz + hL = 36 + 10.08 = 46.08 m

คำตอบ

H = 46.08 m
31.การนำความร้อน

คำตอบ: Q̇ = 218.2 W

ความต้านทานความร้อน: การไหลของความร้อนที่สภาวะคงตัวผ่านชั้นต่าง ๆ ที่เรียงต่อกันทำงานเหมือนกระแสผ่านตัวต้านทานอนุกรม: Q̇ = ΔT/ΣR โดย R = L/(kA) สำหรับชั้นที่นำความร้อน และ R = 1/(hA) สำหรับผิวที่มีการพาความร้อน อุณหภูมิที่ตกคร่อมแต่ละชั้นเป็นสัดส่วนกับความต้านทานของชั้นนั้น

ความต้านทานของแต่ละชั้น

R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0.035·12) = 0.119 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.17·12) = 0.03676 K/W

การไหลของความร้อน

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 34/0.1558 = 218.2 W

คำตอบ

Q̇ = 218.2 W
32.การนำความร้อน

คำตอบ: U = 0.2771 W/(m²·K)

ความต้านทานความร้อน: การไหลของความร้อนที่สภาวะคงตัวผ่านชั้นต่าง ๆ ที่เรียงต่อกันทำงานเหมือนกระแสผ่านตัวต้านทานอนุกรม: Q̇ = ΔT/ΣR โดย R = L/(kA) สำหรับชั้นที่นำความร้อน และ R = 1/(hA) สำหรับผิวที่มีการพาความร้อน อุณหภูมิที่ตกคร่อมแต่ละชั้นเป็นสัดส่วนกับความต้านทานของชั้นนั้น

ความต้านทานอนุกรม

Ri = 1/(hiA) = 1/(7.7·8) = 0.01623 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0.035·8) = 0.3571 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0.17·8) = 0.07353 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·8) = 0.004167 K/W
ΣR = 0.4511 K/W

สัมประสิทธิ์รวม

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0.4511) = 0.2771 W/(m²·K)

คำตอบ

U = 0.2771 W/(m²·K)
33.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: T1 = 26.34 N·m

ชุดเฟือง: เฟืองที่ขบกันมีความเร็วที่ฟันเท่ากัน ดังนั้น n₁·N₁ = n₂·N₂ เฟืองที่มีฟันน้อยกว่าหมุนเร็วกว่า เฟืองบนเพลาเดียวกันหมุนด้วยความเร็วเท่ากัน กำลังถูกส่งต่อ (หักการสูญเสีย) แรงบิดจึงเพิ่มเมื่อความเร็วลดลง: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η และ P = T·ω โดย ω = 2π·n/60

แรงบิดของมอเตอร์

ω₁ = 2π·1450/60 = 151.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/151.8 = 26.34 N·m

คำตอบ

T1 = 26.34 N·m
34.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: nout = 1813 rpm

ชุดเฟือง: เฟืองที่ขบกันมีความเร็วที่ฟันเท่ากัน ดังนั้น n₁·N₁ = n₂·N₂ เฟืองที่มีฟันน้อยกว่าหมุนเร็วกว่า เฟืองบนเพลาเดียวกันหมุนด้วยความเร็วเท่ากัน กำลังถูกส่งต่อ (หักการสูญเสีย) แรงบิดจึงเพิ่มเมื่อความเร็วลดลง: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η และ P = T·ω โดย ω = 2π·n/60

ขั้นแรก

nB = 2900·15/16 = 2719 rpm = nC

ขั้นที่สอง

nout = 2719·40/60 = 1813 rpm

คำตอบ

nout = 1813 rpm

อัตราทดรวม = 1.6 : 1

35.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: f(0.1) = 2.815

การแปลงลาปลาซ: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt เปลี่ยนอนุพันธ์เป็นการคูณด้วย s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0) คู่มาตรฐาน: 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) และการเลื่อน s → s + σ คูณฟังก์ชันเวลาด้วย e−σt การแปลงผกผัน F(s) ที่เป็นเศษส่วนตรรกยะ ให้แยกเป็นเศษส่วนย่อย: ส่วนตกค้างของโพลเดี่ยว p คือ A = [(s − p)·F(s)] ที่ s = p ทฤษฎีบทค่าสุดท้าย: f(∞) = lims→0 s·F(s) ใช้ได้เฉพาะเมื่อโพลทั้งหมดของ s·F(s) อยู่ในระนาบครึ่งซ้าย ทฤษฎีบทค่าเริ่มต้น: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)

แยกตัวประกอบส่วน

s² + 8s + 16 = (s + 4)²

เศษส่วนย่อย

2s + 30 = 2(s + 4) + 22
F(s) = 2/(s + 4) + 22/(s + 4)²

การแปลงผกผัน

f(t) = 2·e−4t + 22·t·e−4t
f(0.1) = (2 + 22·0.1)·e−4·0.1 = 2.815

คำตอบ

f(0.1) = 2.815
36.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: y(0.3) = 4.637

การแปลงลาปลาซ: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt เปลี่ยนอนุพันธ์เป็นการคูณด้วย s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0) คู่มาตรฐาน: 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) และการเลื่อน s → s + σ คูณฟังก์ชันเวลาด้วย e−σt การแปลงผกผัน F(s) ที่เป็นเศษส่วนตรรกยะ ให้แยกเป็นเศษส่วนย่อย: ส่วนตกค้างของโพลเดี่ยว p คือ A = [(s − p)·F(s)] ที่ s = p ทฤษฎีบทค่าสุดท้าย: f(∞) = lims→0 s·F(s) ใช้ได้เฉพาะเมื่อโพลทั้งหมดของ s·F(s) อยู่ในระนาบครึ่งซ้าย ทฤษฎีบทค่าเริ่มต้น: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)

แปลงสมการ

s²Y − 7s − (−4) + 7(sY − 7) + 12Y = 0
Y(s) = (7s + 45)/((s + 3)(s + 4))

เศษส่วนย่อย

A = 24/1 = 24
B = 17/(−1) = −17

ผลลัพธ์

y(t) = 24·e−3t − 17·e−4t
y(0.3) = 4.637

คำตอบ

y(0.3) = 4.637

ตรวจสอบ: y(0) = A + B = 7

37.แผนภาพบล็อก

คำตอบ: ess = 1.86

พีชคณิตแผนภาพบล็อก: บล็อกอนุกรมคูณกัน (G₁·G₂) บล็อกขนานบวกกัน (G₁ + G₂) และวงที่มีเส้นทางไปหน้า G และเส้นทางป้อนกลับ H ลดรูปเป็น T = G/(1 + G·H) สำหรับป้อนกลับลบ และ G/(1 − G·H) สำหรับป้อนกลับบวก ลดรูปวงในก่อน แล้วทำออกไปด้านนอก โพลวงปิดคือรากของสมการลักษณะเฉพาะ 1 + G(s)H(s) = 0 สำหรับวงที่เสถียร อินพุตขั้นขนาด A ให้เอาต์พุตสถานะคงตัว A·T(0) เมื่อป้อนกลับหนึ่งหน่วย ค่าผิดพลาดสถานะคงตัวต่อฟังก์ชันขั้นคือ A/(1 + Kp) โดย Kp = G(0)

ค่าคงที่ความผิดพลาดตำแหน่ง

Kₚ = G(0) = 5·7/(1·8) = 4.375

ค่าผิดพลาดสถานะคงตัว

ess = A/(1 + Kₚ) = 10/(1 + 4.375) = 1.86

คำตอบ

ess = 1.86
38.แผนภาพบล็อก

คำตอบ: css = 9.684

พีชคณิตแผนภาพบล็อก: บล็อกอนุกรมคูณกัน (G₁·G₂) บล็อกขนานบวกกัน (G₁ + G₂) และวงที่มีเส้นทางไปหน้า G และเส้นทางป้อนกลับ H ลดรูปเป็น T = G/(1 + G·H) สำหรับป้อนกลับลบ และ G/(1 − G·H) สำหรับป้อนกลับบวก ลดรูปวงในก่อน แล้วทำออกไปด้านนอก โพลวงปิดคือรากของสมการลักษณะเฉพาะ 1 + G(s)H(s) = 0 สำหรับวงที่เสถียร อินพุตขั้นขนาด A ให้เอาต์พุตสถานะคงตัว A·T(0) เมื่อป้อนกลับหนึ่งหน่วย ค่าผิดพลาดสถานะคงตัวต่อฟังก์ชันขั้นคือ A/(1 + Kp) โดย Kp = G(0)

ฟังก์ชันถ่ายโอน

C/D = G/(1 + K·G) = 8/(s + 4 + 72)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 72/(s + 4 + 72)

สภาวะคงตัว

css = 10·72/76 + 2·8/76 = 9.684

คำตอบ

css = 9.684

K ที่มากขึ้นลดผลของสิ่งรบกวน แต่ไม่ถึงศูนย์ด้วยตัวควบคุมสัดส่วน

39.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

คำตอบ: %OS = 8.844 %

การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได: ระบบอันดับหนึ่ง G(s) = K/(τs + 1) ตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดขนาด U ด้วย y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) โดยจะถึง 63.2 % ของค่าสุดท้าย K·U เมื่อเวลาผ่านไปหนึ่งค่าคงตัวเวลา τ และถึง 98 % ที่ 4τ ระบบอันดับสอง G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) มีโพล s = −ζωₙ ± jωd โดย ωd = ωₙ√(1 − ζ²) เมื่อ 0 < ζ < 1 การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดจะพุ่งเกิน: ค่าพุ่งเกินร้อยละ %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) เวลาถึงจุดสูงสุด tp = π/ωd และเวลาเข้าสู่ค่าคงตัวที่เกณฑ์ 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ) ให้เทียบตัวส่วนกับ s² + 2ζωₙs + ωₙ² เพื่ออ่านค่า ωₙ และ ζ สำหรับระบบมวล–สปริง–ตัวหน่วง ωₙ = √(k/m) และ ζ = c/(2√(km)) สำหรับวงจร RLC อนุกรม ωₙ = 1/√(LC) และ ζ = (R/2)·√(C/L)

เทียบกับรูปมาตรฐาน

ตัวส่วนต้องตรงกับ s² + 2ζωₙs + ωₙ²

ωₙ² = 81 → ωₙ = 9 rad/s
2ζωₙ = 11 → ζ = 11/(2·9) = 0.6111

ผลลัพธ์

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−2.425 = 8.844 %

คำตอบ

%OS = 8.844 %
40.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

คำตอบ: %OS = 25.27 %

การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได: ระบบอันดับหนึ่ง G(s) = K/(τs + 1) ตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดขนาด U ด้วย y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) โดยจะถึง 63.2 % ของค่าสุดท้าย K·U เมื่อเวลาผ่านไปหนึ่งค่าคงตัวเวลา τ และถึง 98 % ที่ 4τ ระบบอันดับสอง G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) มีโพล s = −ζωₙ ± jωd โดย ωd = ωₙ√(1 − ζ²) เมื่อ 0 < ζ < 1 การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดจะพุ่งเกิน: ค่าพุ่งเกินร้อยละ %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) เวลาถึงจุดสูงสุด tp = π/ωd และเวลาเข้าสู่ค่าคงตัวที่เกณฑ์ 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ) ให้เทียบตัวส่วนกับ s² + 2ζωₙs + ωₙ² เพื่ออ่านค่า ωₙ และ ζ สำหรับระบบมวล–สปริง–ตัวหน่วง ωₙ = √(k/m) และ ζ = c/(2√(km)) สำหรับวงจร RLC อนุกรม ωₙ = 1/√(LC) และ ζ = (R/2)·√(C/L)

ความถี่ธรรมชาติและอัตราส่วนความหน่วง

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·4.7 × 10⁻⁵) = 461.3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (37/2)·√(4.7 × 10⁻⁵/0.1) = 0.4011

ผลลัพธ์

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 25.27 %

คำตอบ

%OS = 25.27 %
41.ค่าความคลาดเคลื่อนสถานะคงตัวและการควบคุม PID

คำตอบ: K = 25

ค่าความคลาดเคลื่อนสถานะคงตัว: ในวงฟีดแบ็กหนึ่งหน่วยที่มีฟังก์ชันถ่ายโอนวงเปิด G(s) ค่าความคลาดเคลื่อนคือ E(s) = R(s)/(1 + G(s)) และโดยทฤษฎีบทค่าสุดท้าย ess = lims→0 s·E(s) ชนิดของระบบคือจำนวนโพลของ G(s) ที่ s = 0 ค่าคงที่ความคลาดเคลื่อนคือ Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) และ Ka = lim s²·G(s) ทั้งหมดสำหรับ s → 0 ขั้นขนาด A ให้ ess = A/(1 + Kp) แรมป์ A·t ให้ A/Kv และพาราโบลา A·t²/2 ให้ A/Ka วงชนิด 0 ตามขั้นด้วยค่าความคลาดเคลื่อนจำกัด วงชนิด 1 ตามขั้นได้อย่างแม่นยำ และตามแรมป์ด้วยค่าความคลาดเคลื่อนจำกัด

ค่าคงที่ความเร็วที่ต้องการ

Kv = A/ess = 5/0.2 = 25

อัตราขยาย

K = 1·Kv = 25

คำตอบ

K = 25

อัตราขยายที่มากทำให้วงนี้หน่วงน้อยมาก: ζ = 0.1 ความขัดแย้งนั้นคือเหตุผลที่ใช้ตัวชดเชย

42.ค่าความคลาดเคลื่อนสถานะคงตัวและการควบคุม PID

คำตอบ: tp = 0.2257 s

การควบคุม P, PI และ PID: ตัวควบคุม C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s กระทำต่อค่าความคลาดเคลื่อน อัตราขยายสัดส่วนทำให้วงเร็วขึ้นและลดค่าความคลาดเคลื่อนของโรงงานชนิด 0 แต่ไม่เคยกำจัดมัน พจน์อินทิกรัลเพิ่มโพลที่ s = 0: ชนิดของระบบเพิ่มขึ้นหนึ่ง และตามขั้นได้โดยไม่มีค่าความคลาดเคลื่อน พจน์อนุพันธ์เพิ่มการหน่วง ในการเลือกอัตราขยาย เขียนพหุนามลักษณะเฉพาะวงปิดและเปรียบเทียบกับ s² + 2ζωns + ωn² จากนั้น %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd โดย ωd = ωn√(1 − ζ²) และ ts ≈ 4/(ζωn)

พหุนามลักษณะเฉพาะ

s(s + 5) + 50·4 = s² + 5s + 200

ωₙ และ ζ

ωₙ = √200 = 14.14 rad/s
ζ = 5/(2·14.14) = 0.1768

เวลาถึงจุดสูงสุด

ωd = 14.14·√(1 − 0.1768²) = 13.92 rad/s
tp = π/13.92 = 0.2257 s

คำตอบ

tp = 0.2257 s

นี่คือสื่อฝึกหัดอิสระ ExamProblems ไม่ได้สังกัดหรือได้รับการรับรองจากองค์กรที่จัดสอบ และใช้ชื่อการสอบเพื่ออธิบายเนื้อหาเท่านั้น การสอบ FE exam จัดโดย NCEES ซึ่งไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับ ExamProblems และไม่ได้รับรอง ExamProblems

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