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​ = 8 kN/mP = 65 kNABRA​ = ?4 m6 m

คานช่วงเดียวรองรับอย่างง่าย (หมุดที่ A ลูกกลิ้งที่ B) รับแรงกระทำที่เปลี่ยนแปลงเชิงเส้น ลดลงจาก 8 kN/m ที่ A เป็นศูนย์ที่ B แรงกระทำเป็นจุด P ยังกระทำที่ระยะ 4 m จาก A ด้วย จงหาแรงปฏิกิริยาที่จุดรองรับในแนวดิ่ง RA

L = 10 mw0 = 8 kN/mP = 65 kN ที่ 4 m
RA = kN
2.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคานยาก
w = 12 kN/mP = 60 kNABRA​RB​ = ?1 m2 m3 m4 m

คานรับแรงสองจุดมีหมุดที่ A และลูกกลิ้งที่ B หาปฏิกิริยาแนวดิ่งที่จุดรองรับ RB

L = 10 mP = 60 kN ที่ 1 mw = 12 kN/m จาก 3 ถึง 6 m
RB = kN
3.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนปานกลาง
Ø 12 mmอะลูมิเนียม2 mP = 30 kN

หาความเครียดตามแนวแกน ε ในแท่งอะลูมิเนียม ในหน่วยไมโครสเตรน (µε = 10⁻⁶)

P = 30 kNd = 12 mmL = 2 mE = 70 GPa
ε = µε
4.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนยาก
50 kN12600 mm200 mmØ30Ø50σ2​ = ?

ท่อนเหล็กกล้า (เส้นผ่านศูนย์กลาง 30 mm, ยาว 600 mm, E = 200 GPa) และท่อนที่ทำจากทองแดง (เส้นผ่านศูนย์กลาง 50 mm, ยาว 200 mm, E = 120 GPa) ต่อปลายชนปลายและยึดระหว่างผนังแข็งสองด้าน โหลดตามแนวแกน 50 kN กระทำที่รอยต่อไปทางท่อนที่ 2 จงหาขนาดของความเค้น σ2 ในท่อนที่ 2

ท่อนที่ 1: เหล็กกล้า, Ø30 mm, 600 mm, E = 200 GPaท่อนที่ 2: ทองแดง, Ø50 mm, 200 mm, E = 120 GPaP = 50 kN
σ2 = MPa
5.การบิดของเพลาปานกลาง
d = 10 mmT = 30 N·m300 mmφ = 13.47°

ในการทดสอบการบิด ชิ้นงานตันเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 mm ถูกบิดด้วยแรงบิด 30 N·m ปลายทั้งสองของความยาวเกจ 300 mm หมุนสัมพัทธ์กัน 13.47° (วัสดุยังอยู่ในช่วงยืดหยุ่น) จงหาโมดูลัสเฉือน G ของวัสดุ

T = 30 N·md = 10 mmL = 300 mmφ = 13.47°
G = GPa
6.การบิดของเพลายาก
do​ = ?10 kW, 500 rpm

เพลากลวงต้องส่งกำลัง 10 kW ที่ 500 rpm เส้นผ่านศูนย์กลางภายในต้องเป็น 0.7 เท่าของเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก และความเค้นเฉือนต้องไม่เกิน 75 MPa จงหาเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกที่น้อยที่สุด do

P = 10 kWN = 500 rpmdi/do = 0.7τallow = 75 MPa
do = mm
7.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัดปานกลาง
M0​ = 25 kN·mAB1.5 m2.5 m

คานช่วงเดียวรองรับอย่างง่ายรับโมเมนต์คู่ควบตามเข็มนาฬิกา M0 = 25 kN·m ที่ x = 1.5 m จาก A และไม่มีแรงอื่น จงหาโมเมนต์ดัด Mx ที่ตำแหน่งขวาของโมเมนต์คู่ควบเล็กน้อย ให้โมเมนต์ที่ทำให้คานแอ่นลงเป็นบวก และแรงเฉือนที่ชี้ขึ้นบนหน้าตัดด้านซ้ายเป็นบวก

L = 4 mM0 = 25 kN·m ตามเข็มนาฬิกา ที่ 1.5 m
Mx = kN·m
8.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัดยาก
w = 4 kN/mP = 50 kNABหน้าตัด1.5 m1.5 m7 m

หาโมเมนต์ดัด Mx ที่หน้าตัด x = 1.5 m จากจุดรองรับ A ให้โมเมนต์ที่ทำให้คานแอ่นลงเป็นบวก และแรงเฉือนที่ชี้ขึ้นบนหน้าซ้ายเป็นบวก

L = 10 mP = 50 kN ที่ 3 mw = 4 kN/m จาก 0 ถึง 10 mx = 1.5 m
Mx = kN·m
9.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นปานกลาง
σx​ = 90σy​ = −20τxy​ = −40MPa

จุดหนึ่งมี σₓ = 90 MPa, σᵧ = −20 MPa และ τₓᵧ = −40 MPa (แรงดึงเป็นบวก) ชิ้นส่วนย่อยถูกหมุน 35° ทวนเข็มนาฬิกา จงหาความเค้นตั้งฉาก σy′ บนหน้าของชิ้นส่วนย่อยที่หมุนแล้วซึ่งตั้งฉากกับแกน y′ ที่หมุนแล้ว

σx = 90 MPaσy = −20 MPaτxy = −40 MPaθ = 35°
σy′ = MPa
10.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้นยาก
σx​ = 100σy​ = 70τxy​ = 40MPa

จุดหนึ่งในชิ้นส่วนที่รับน้ำหนักมี σₓ = 100 MPa, σᵧ = 70 MPa และ τₓᵧ = 40 MPa (ความเค้นดึงเป็นบวก) หาความเค้นแนวฉาก σθ บนระนาบที่เส้นตั้งฉากหมุนไป 30° ตามเข็มนาฬิกาจากแกน x

σx = 100 MPaσy = 70 MPaτxy = 40 MPaθ = -30°
σθ = MPa
11.การแอ่นตัวของคานปานกลาง
w = 4 kN/mABθ5 m

คานช่วงเดียวรองรับอย่างง่ายรับแรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอ w ตลอดช่วงคาน จงหามุมลาดเอียง θA ของคานที่จุดรองรับ A ในหน่วยเรเดียน

w = 4 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (ไม้เนื้อแข็ง)I = 120 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
12.การแอ่นตัวของคานยาก
w = 6 kN/mP = 14 kNδL = 2.5 m

คานรับแรงสองจุดรับน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ w และแรงจุด P ที่กึ่งกลางช่วง ใช้การซ้อนทับหาระยะแอ่น δmax ที่กึ่งกลางช่วง

P = 14 kNw = 6 kN/mL = 2.5 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
13.การโก่งเดาะของเสาปานกลาง
PL = 6 m50 × 80 mmหน้าตัด

เสายาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดด้วยหมุดทั้งสองปลาย ใช้สูตรของออยเลอร์หาน้ำหนักวิกฤตที่ทำให้โก่งเดาะ Pcr

L = 6 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)b × h = 50 × 80 mm
Pcr = kN
14.การโก่งเดาะของเสายาก
P = 15 kNL = 1.5 md = ?หน้าตัด

เสากลมตันยาว L ทำจากเหล็กกล้า โดยยึดด้วยหมุดทั้งสองปลาย ต้องรับ 15 kN ด้วยตัวประกอบความปลอดภัย 3 ต่อการโก่งเดาะ หาเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กที่สุด d

P = 15 kNn = 3L = 1.5 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)
d = mm
15.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ปานกลาง
45 my = ?v0​ = 38 m/s25°

เตะลูกบอลจากพื้นราบด้วย 38 m/s ที่มุม 25° เหนือแนวนอนไปทางกำแพงที่ห่าง 45 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² ลูกบอลผ่านกำแพงที่ความสูงเท่าใด y

v₀ = 38 m/sθ = 25°x = 45 mg = 9.81 m/s²
y = m
16.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ยาก
h = 10 mv0​ = 31 m/s15°พิสัย

ลูกบอลถูกยิงออกไปทำมุม 15° เหนือแนวนอน จากยอดหน้าผาสูง 10 m ไม่คิดแรงต้านอากาศ หาเวลาเคลื่อนที่ t จนกระทั่งลูกบอลกระทบพื้น

v0 = 31 m/sθ = 15°h = 10 mg = 9.81 m/s²
t = s
17.งานและพลังงานปานกลาง
25°d = 13 mμ = 0.25

ก้อนวัตถุมวล 4 kg เลื่อนลงไป 13 m ตามพื้นเอียงที่ทำมุม 25° กับแนวนอน โดยมีสัมประสิทธิ์ความเสียดทานจลน์ 0.25 หางาน Wf ที่ทำต้านแรงเสียดทาน

m = 4 kgθ = 25°μ = 0.25d = 13 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
18.งานและพลังงานยาก
k = 2000 N/m30°μ = 0.33 kg

สปริงที่มีค่าคงตัว 2000 N/m ที่ฐานของเนินลาด 30° ถูกกด 20 cm กับก้อนวัตถุ 3 kg แล้วปล่อย สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานจลน์ระหว่างก้อนวัตถุกับเนินคือ 0.3 ก้อนวัตถุเคลื่อนที่ขึ้นเนินจากจุดปล่อยไกลเท่าใด d ก่อนหยุด (ไม่ต้องคิดระยะสั้น ๆ ที่สปริงดัน คือให้คิดแรงเสียดทานและแรงโน้มถ่วงตลอดระยะ d)

m = 3 kgk = 2000 N/mx = 20 cmθ = 30°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
19.การสั่นสะเทือนเชิงกลปานกลาง
k = 150 kN/mζ = 0.3m = 200 kg

มวล 200 kg บนสปริงที่มีค่าความแข็ง 150 kN/m มีตัวหน่วงหนืดให้อัตราส่วนการหน่วง 0.3 หาความถี่ธรรมชาติที่ถูกหน่วง fd ของการสั่นอิสระใน Hz

m = 200 kgk = 150 kN/mζ = 0.3
fd = Hz
20.การสั่นสะเทือนเชิงกลยาก
k1​ = 40k2​ = 50m = 40 kg

มวล 40 kg แขวนจากสปริงสองตัวที่ต่อปลายต่อปลาย (อนุกรม): สปริงบนมี k₁ = 40 kN/m และสปริงล่างมี k₂ = 50 kN/m ไม่ต้องคำนึงถึงการหน่วงและมวลของสปริง จงหาความถี่ธรรมชาติ fn ของการสั่นในแนวดิ่งในหน่วย Hz

m = 40 kgk1 = 40 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz
21.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็นปานกลาง
TH​ = 625 °CTL​ = 40 °CEQH​QL​W

เครื่องยนต์ความร้อนทำงานระหว่างแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูงที่ 625 °C และแหล่งความร้อนอุณหภูมิต่ำที่ 40 °C หาประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงสุดที่เป็นไปได้ ηmax

TH = 625 °CTL = 40 °C
ηmax = %
22.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็นยาก
TH​ = 22 °CTL​ = 7 °CHPQ̇H​ = 13 kWQ̇L​Ẇ

ปั๊มความร้อนรักษาอุณหภูมิบ้านไว้ที่ 22 °C ขณะที่ภายนอกเป็น 7 °C โดยส่งความร้อน 13 kW ให้บ้าน หาสัมประสิทธิ์สมรรถนะสูงสุดที่เป็นไปได้ COPmax

TH = 22 °CTL = 7 °CQ̇H = 13 kW
COPmax =
23.วัฏจักรกำลังแบบแก๊สปานกลาง
vP1234qin​qout​

วัฏจักรดีเซลอุดมคติมีอัตราส่วนการอัด r = 15 และอัตราส่วนตัดตอน rc = v₃/v₂ = 1.8 เมื่อเริ่มอัด อากาศอยู่ที่ 290 K ใช้สมมติฐานอากาศมาตรฐานเย็น: อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีความจุความร้อนจำเพาะคงที่ k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) และ cv = 0.718 kJ/(kg·K) หาความร้อนที่เพิ่ม qin ต่อกิโลกรัมของอากาศ ใน kJ/kg

r = 15rc = 1.8T1 = 290 Kk = 1.4cp = 1.005 kJ/(kg·K)
qin = kJ/kg
24.วัฏจักรกำลังแบบแก๊สยาก
vP1234qin​qout​

โรงไฟฟ้ากังหันแก๊สทำงานด้วยวัฏจักรเบรย์ตันที่อัตราส่วนความดันของคอมเพรสเซอร์ 12 อากาศเข้าคอมเพรสเซอร์ที่ 295 K และเข้ากังหันที่ 1500 K คอมเพรสเซอร์มีประสิทธิภาพไอเซนโทรปิก 82% 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 = 12T1 = 295 KT3 = 1500 Kηc = 82%ηt = 92%k = 1.4cp = 1.005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg
25.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลีปานกลาง
12d1​ = 75 mm, p1​ = 170 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?

น้ำไหลผ่านท่อแนวนอนที่แคบลงจาก 75 mm เป็น 50 mm ในช่วงกว้างความดันคือ 170 kPa และความเร็วคือ 1.25 m/s ไม่คิดการสูญเสีย หาความดัน p2 ในช่วงแคบ

d1 = 75 mmd2 = 50 mmp1 = 170 kPav1 = 1.25 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
26.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลียาก
H = ?d1​ = 50 mmp1​ = 100 kPad2​ = 30 mm

หัวฉีดน้ำพุชี้ขึ้นตรง ๆ ใต้หัวฉีดเล็กน้อย ท่อจ่ายมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 mm และความดันเกจ 100 kPa เส้นผ่านศูนย์กลางทางออกของหัวฉีดคือ 30 mm และผลต่างความสูงคร่อมหัวฉีดน้อยมากจนละเลยได้ ไม่คิดการสูญเสียและแรงต้านอากาศ จงหาความสูง H ที่ลำน้ำพุ่งขึ้นเหนือหัวฉีด ใช้ g = 9.81 m/s²

d1 = 50 mmp1 = 100 kPa (เกจ)d2 = 30 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
H = m
27.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสียปานกลาง
Q = 75 L/sD = 300 mmL = 500 mf = 0.025

น้ำไหลด้วย 75 L/s ผ่านท่อยาว 500 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 300 mm ใช้ตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.025 และ g = 9.81 m/s² หาการสูญเสียเฮดจากความเสียดทาน hf

Q = 75 L/sL = 500 mD = 300 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²
hf = m
28.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสียยาก
K = 5Δz = ?L = 150 m, D = 100 mm, f = 0.0153× ข้องอ (K = 0.3)

อ่างเก็บน้ำเปิดสองแห่งเชื่อมด้วยท่อยาว 150 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 100 mm และตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.015 การสูญเสียย่อยคือทางเข้าขอบคม (K = 0.5) ข้องอ 3 ตัว (ตัวละ K = 0.3) วาล์ว (K = 5) และทางออกสู่อ่างล่าง (K = 1.0) ใช้ g = 9.81 m/s² ผลต่างระดับน้ำ Δz ระหว่างอ่างทั้งสองเท่าใดจึงให้อัตราการไหล 25 L/s

Q = 25 L/sL = 150 mD = 100 mmf = 0.015Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 5Kexit = 1.0
Δz = m
29.ปั๊มและกำลังของปั๊มปานกลาง
PQ = 60 L/sH = 76 m

ปั๊มส่งน้ำ (ρ = 1000 kg/m³) 60 L/s ต้านเฮด 76 m ประสิทธิภาพปั๊มคือ 82% และมอเตอร์ไฟฟ้าที่ขับมีประสิทธิภาพ 88% ใช้ g = 9.81 m/s² หากำลังไฟฟ้า Pel ที่มอเตอร์ดึง ใน kW

Q = 60 L/sH = 76 mηpump = 82%ηmotor = 88%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
30.ปั๊มและกำลังของปั๊มยาก
100 kPa (เกจ)PQ = 50 L/sΔz = 29 mL = 400 m, D = 150 mm, f = 0.025, ΣK = 8

ปั๊มสูบน้ำ (ρ = 1000 kg/m³) 50 L/s จากอ่างล่างแบบเปิดไปยังถังบนที่ผิวน้ำสูงกว่า 29 m ท่อยาว 400 m เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 150 mm และตัวประกอบความเสียดทานดาร์ซี f = 0.025 ส่วนสัมประสิทธิ์การสูญเสียย่อยรวมกันเป็น ΣK = 8 (รวมทางเข้าและทางออกแล้ว) ใช้ g = 9.81 m/s² ถังบนปิดและอากาศเหนือน้ำมีความดันเกจ 100 kPa หาเฮด H ที่ปั๊มต้องเพิ่มให้

Q = 50 L/sΔz = 29 mL = 400 mD = 150 mmf = 0.025ΣK = 8ptank = 100 kPa
H = m
31.การนำความร้อนปานกลาง
คอนกรีต, k = 1.4100 mmโฟมพอลิสไตรีนขยายตัว, k = 0.035100 mm21 °C-7 °CTi​ = ?Q̇

ผนังประกอบด้วยคอนกรีตหนา 100 mm และโฟมพอลิสไตรีนขยายตัวหนา 100 mm มีพื้นที่ 10 m² ผิวด้านนอกทั้งสองมีอุณหภูมิ 21 °C และ -7 °C หาอุณหภูมิ Ti ที่รอยต่อระหว่างสองชั้น

L1 = 100 mm, k1 = 1.4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.035 W/(m·K)A = 10 m²T1 = 21 °CT3 = -7 °C
Ti = °C
32.การนำความร้อนยาก
ใยแร่, k = 0.04200 mmคอนกรีต, k = 1.4100 mmห้อง 20 °Cภายนอก -6 °CQ̇ = ?

ผนังใยแร่หนา 200 mm และคอนกรีตหนา 100 mm กั้นระหว่างห้องที่ 20 °C กับอากาศภายนอกที่ -6 °C สัมประสิทธิ์การพาความร้อนคือ 7.7 W/(m²·K) ภายใน และ 20 W/(m²·K) ภายนอก และพื้นที่ผนังคือ 10 m² หาการสูญเสียความร้อน Q̇ ผ่านผนัง

L1 = 200 mm, k1 = 0.04 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 1.4 W/(m·K)A = 10 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -6 °C
Q̇ = W
33.เฟืองและชุดเฟืองปานกลาง
d1​ = 200 mmd2​ = 300 mm960 rpmn2​ = ?

พูลเลย์ 200 mm ที่ 960 rpm ขับพูลเลย์ 300 mm ด้วยสายพานที่ลื่น 1 % จงหาความเร็ว n2 ของพูลเลย์ตาม

n1 = 960 rpmd1 = 200 mmd2 = 300 mms = 1 %
n2 = rpm
34.เฟืองและชุดเฟืองยาก
d1​ = 150 mmd2​ = 250 mm1450 rpmC = 800 mmθ = ?

สายพานเปิดเชื่อมพูลเลย์ 150 mm กับพูลเลย์ 250 mm ซึ่งศูนย์กลางห่างกัน 800 mm จงหามุมโอบ θ บนพูลเลย์ที่เล็กกว่า ในหน่วยองศา

d1 = 150 mmd2 = 250 mmC = 800 mm
θ = °
35.การแปลงลาปลาซปานกลาง
t (s)f(t)t = 0.2f(0.2) = ?

จงหา f(t) สำหรับ F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 3)) ด้วยเศษส่วนย่อย และหาค่า f(0.2)

F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 3))t = 0.2 s
f(0.2) =
36.การแปลงลาปลาซยาก
t (s)y(t)t = 0.1y(0.1) = ?

ระบบเป็นไปตาม y″ + 5y′ + 6y = 12·u(t) เริ่มจากหยุดนิ่ง (y(0) = 0, y′(0) = 0) และอินพุตเป็นฟังก์ชันขั้น u(t) = 10 สำหรับ t ≥ 0 จงใช้การแปลงลาปลาซหาเอาต์พุต y(0.1)

y″ + 5y′ + 6y = 12·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.1 s
y(0.1) =
37.แผนภาพบล็อกปานกลาง
R(s)+K(s + 2)(s + 9)G(s)C(s)−

พืช G(s) = K/((s + 2)(s + 9)) อยู่ในวงป้อนกลับลบหนึ่งหน่วย จงหาอัตราขยาย K ที่ทำให้วงปิดมีการหน่วงวิกฤต (โพลจริงเท่ากันสองตัว)

G(s) = K/((s + 2)(s + 9))ป้อนกลับลบหนึ่งหน่วย
K =
38.แผนภาพบล็อกยาก
R(s)+Kตัวควบคุม+D(s)+2s + 7พืชC(s)−

ตัวควบคุมสัดส่วน K ขับพืช G(s) = 2/(s + 7) ในวงป้อนกลับลบหนึ่งหน่วย ฟังก์ชันขั้นสิ่งรบกวนขนาด 10 เข้าที่อินพุตของพืชขณะที่ R = 0 จงหาอัตราขยายที่น้อยที่สุด K ที่ทำให้เอาต์พุตสถานะคงตัวไม่เกิน 0.2857

G(s) = 2/(s + 7)D = 10css ≤ 0.2857
K =
39.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดปานกลาง
t (s)y(t)2tp​ = ?

ระบบหนึ่งมีฟังก์ชันถ่ายโอน G(s) = 108/(s² + 2s + 54) และรับอินพุตขั้นบันไดหนึ่งหน่วย จงหาเวลาถึงจุดสูงสุด tp ของการตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

G(s) = 108/(s² + 2s + 54)
tp = s
40.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันไดยาก
k = 800 N/mc = 16 N·s/mm = 0.5 kgF = 20 Nx(t)

มวล m = 0.5 kg แขวนอยู่กับสปริง k = 800 N/m และตัวหน่วงแบบหนืด c = 16 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F) เริ่มจากหยุดนิ่งในสมดุล แล้วออกแรงคงที่ F = 20 N กะทันหัน จงหาเวลา tp ที่การกระจัดมีค่ามากที่สุด

m = 0.5 kgk = 800 N/mc = 16 N·s/mF = 20 N
tp = s
41.ค่าความคลาดเคลื่อนสถานะคงตัวและการควบคุม PIDปานกลาง
r(t) = 0.5t+50s(s + 2)(s + 10)C(s)−

แรมป์ r(t) = 0.5t ถูกป้อนเข้าวงฟีดแบ็กหนึ่งหน่วยที่มี G(s) = 50/(s(s + 2)(s + 10)) จงหาค่าความคลาดเคลื่อนสถานะคงตัว ess

G(s) = 50/(s(s + 2)(s + 10))r(t) = 0.5t
ess =
42.ค่าความคลาดเคลื่อนสถานะคงตัวและการควบคุม PIDยาก
R(s)+K = 82s(s + 6)C(s)−

ตัวควบคุมสัดส่วน K = 8 ขับโรงงาน G(s) = 2/(s(s + 6)) ในวงฟีดแบ็กหนึ่งหน่วย จงหาเวลาถึงจุดสูงสุด tp ของการตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

G(s) = 2/(s(s + 6))K = 8
tp = s

3สารละลาย

1.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคาน

คำตอบ: RA = 65.67 kN

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

แรงลัพธ์ของแรงกระทำรูปสามเหลี่ยม

W = ½·8·10 = 40 kN
x̄ = L/3 = 3.333 m

สมดุล

โมเมนต์รอบจุด A โดยให้ทวนเข็มนาฬิกาเป็นบวก จากนั้นสมดุลของแรงแนวดิ่ง

ΣMA = 0: RB·10 = 40·3.333 + 65·4
RB = 39.33 kN
RA = 105 − 39.33 = 65.67 kN

คำตอบ

RA = 65.67 kN
2.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคาน

คำตอบ: RB = 22.2 kN

สมดุลสถิต: วัตถุที่อยู่นิ่งมี ΣFx = 0, ΣFy = 0 และ ΣM = 0 รอบจุดใดก็ได้ การหาโมเมนต์รอบจุดรองรับหนึ่งจะตัดปฏิกิริยาของจุดรองรับนั้นออกจากสมการ

w = 12 kN/mP = 60 kNABRA​RB​1 m2 m3 m4 m

แผนภาพวัตถุอิสระ

แทนจุดรองรับด้วยแรงปฏิกิริยา ลูกกลิ้งให้ปฏิกิริยาแนวดิ่งหนึ่งแรง เมื่อมีแต่น้ำหนักบรรทุกแนวดิ่ง หมุดก็ให้ปฏิกิริยาแนวดิ่งหนึ่งแรงเช่นกัน

สมดุล

โมเมนต์รอบจุด A โดยให้ทวนเข็มนาฬิกาเป็นบวก จากนั้นสมดุลของแรงแนวดิ่ง

แรงลัพธ์ของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ: W = w·ℓ = 12·3 = 36 kN กระทำที่ x̄ = 4.5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 60·1 + 12·3·4.5
RB = 222/10 = 22.2 kN
ΣFy = 0: RA = 96 − 22.2 = 73.8 kN

คำตอบ

RB = 22.2 kN
3.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: ε = 3789 µε

กฎของฮุก: ในช่วงยืดหยุ่น σ = E·ε เมื่อรวมกับ σ = P/A และ ε = δ/L จะได้ δ = PL/(AE)

ความเค้น

A = π·12²/4 = 113.1 mm²
σ = P/A = 30·1000/113.1 = 265.3 MPa

ความเครียด (กฎของฮุก)

E for อะลูมิเนียม = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 265.3/70000 = 0.003789 = 3789 µε

คำตอบ

ε = 3789 µε
4.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกน

คำตอบ: σ2 = 21.22 MPa

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

ความแข็ง

k₁ = 200000·706.9/600 = 235619 N/mm
k₂ = 120000·1963/200 = 1.178 × 10⁶ N/mm

ส่วนแบ่งของท่อนที่ 2

F2 = 50000·1.178 × 10⁶/1.414 × 10⁶ = 41667 N

ความเค้น

σ2 = 41667/1963 = 21.22 MPa (แรงอัด)

คำตอบ

σ2 = 21.22 MPa
5.การบิดของเพลา

คำตอบ: G = 38.99 GPa

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

โมเมนต์ความเฉื่อยเชิงขั้วและมุม

J = π·10⁴/32 = 981.7 mm⁴
φ = 13.47·π/180 = 0.2351 rad

มอดูลัสเฉือน

T = 30 N·m = 30000 N·mm
G = TL/(Jφ) = 30000·300/(981.7·0.2351) = 38994 MPa
G = 38.99 GPa

คำตอบ

G = 38.99 GPa

เปรียบเทียบ: เหล็กกล้า ≈ 80 GPa, ทองเหลือง ≈ 39 GPa, อะลูมิเนียม ≈ 26 GPa

6.การบิดของเพลา

คำตอบ: do = 25.75 mm

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

แรงบิด

ω = 2πN/60 = 2π·500/60 = 52.36 rad/s
T = P/ω = 10000/52.36 = 191 N·m

เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกจากความเค้นที่ยอมให้

T = 191 N·m = 190986 N·mm
1 − k⁴ = 1 − 0.7⁴ = 0.7599
do = ∛(16T/(π·τallow·(1 − k⁴))) = ∛(16·190986/(π·75·0.7599)) = 25.75 mm
di = 0.7·25.75 = 18.02 mm

คำตอบ

do = 25.75 mm

เพลาตันต้องมี d = 23.49 mm เพลากลวงใหญ่กว่าเล็กน้อยแต่เบากว่ามาก

7.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

คำตอบ: Mx = 15.63 kN·m

วิธีหน้าตัด: ตัดคานตรงจุดที่ต้องการหาแรงภายในแล้วเก็บไว้ด้านหนึ่ง แรงเฉือน V สมดุลกับแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น และโมเมนต์ดัด M สมดุลกับโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด โมเมนต์คู่ควบที่กระทำทำให้แผนภาพโมเมนต์ดัดกระโดดเท่ากับขนาดของโมเมนต์คู่ควบ

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

โมเมนต์รอบ A โดยให้ทวนเข็มนาฬิกาเป็นบวก: RB·L − M0 = 0 สมดุลในแนวดิ่ง: RA + RB = 0

RB = M0/L = 25/4 = 6.25 kN (ขึ้น)
RA = −RB = −6.25 kN (ลง)

ตัดที่ตำแหน่งขวาของโมเมนต์คู่ควบเล็กน้อย

ตอนนี้ส่วนซ้ายมี RA และโมเมนต์คู่ควบ

Mx = RA·a + M0 = −6.25·1.5 + 25 = 15.63 kN·m

คำตอบ

Mx = 15.63 kN·m
8.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด

คำตอบ: Mx = 78 kN·m

วิธีหน้าตัด: ตัดคานตรงจุดที่ต้องการหาแรงภายในแล้วเก็บไว้ด้านหนึ่ง แรงเฉือน V สมดุลกับแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น และโมเมนต์ดัด M สมดุลกับโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด

ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ

สมดุลของคานทั้งตัว

แรงลัพธ์ของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ: W = w·ℓ = 4·10 = 40 kN กระทำที่ x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 50·3 + 4·10·5
RB = 350/10 = 35 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 35 = 55 kN
w = 4 kN/mP = 50 kNABRA​ = 55RB​ = 35หน้าตัด1.5 m1.5 m7 m

ตัดที่ x = 1.5 m และเก็บส่วนทางซ้ายไว้

มีเฉพาะแรงทางซ้ายของรอยตัดเท่านั้น ส่วนของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอกระทำเป็นแรงเดียวที่กึ่งกลางของส่วนนั้น

M = RA·x − (น้ำหนักบรรทุกแต่ละตัวทางซ้ายของรอยตัด × ระยะถึงรอยตัด)
Mx = 55·1.5 − 4·1.5·0.75 = 78 kN·m

คำตอบ

Mx = 78 kN·m
9.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: σy′ = 53.78 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

สมการการแปลงสำหรับหน้า y′

σy′ = 35 − 55·0.342 − (−40)·0.9397 = 53.78 MPa

ตรวจสอบ

ผลรวมของความเค้นตั้งฉากไม่เปลี่ยนเมื่อหมุน

σx′ = 16.22 MPa, σx′ + σy′ = 70 = σx + σy

คำตอบ

σy′ = 53.78 MPa
10.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น

คำตอบ: σθ = 57.86 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

สมการการแปลง

σθ = 85 + 15·0.5 + 40·−0.866 = 57.86 MPa

คำตอบ

σθ = 57.86 MPa
11.การแอ่นตัวของคาน

คำตอบ: θA = 0.01578 rad

การแอ่นตัวของคาน: ระยะแอ่นได้จากการอินทิเกรตความโค้ง M/(EI) สองครั้ง กรณีมาตรฐานมีตารางให้ เช่น PL³/(3EI) สำหรับคานยื่นที่รับแรงที่ปลาย และ 5wL⁴/(384EI) สำหรับคานรับแรงสองจุดที่รับน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอเต็มช่วง ระยะแอ่นจากน้ำหนักแต่ละตัวบวกกันได้ (การซ้อนทับ) มุมลาดเอียง θ = dv/dx คืออินทิกรัลครั้งแรกของ M/(EI) เมื่อใช้หน่วยสอดคล้องกันจะได้หน่วยเป็นเรเดียน

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 = 4 N/mm, L = 5000 mm
EI = 1.32 × 10¹² N·mm²

มุมลาดเอียงที่ปลาย

θA = wL³/(24EI) = 4·5000³/(24·1.32 × 10¹²) = 0.01578 rad

คำตอบ

θA = 0.01578 rad

นั่นคือ 0.9043°

12.การแอ่นตัวของคาน

คำตอบ: δmax = 1.654 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 = 14000 N, w = 6 N/mm, L = 2500 mm, EI = 4.6 × 10¹² N·mm²

น้ำหนักแต่ละตัวแยกกัน

δP = PL³/(48EI) = 14000·2500³/(48·4.6 × 10¹²) = 0.9907 mm
δw = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·2500⁴/(384·4.6 × 10¹²) = 0.6634 mm

บวกเข้าด้วยกัน

δmax = 0.9907 + 0.6634 = 1.654 mm

คำตอบ

δmax = 1.654 mm
13.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: Pcr = 45.69 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

สี่เหลี่ยมผืนผ้าจะโก่งเดาะรอบแกนอ่อน โดยใช้ด้านที่สั้นกว่ายกกำลังสาม

Imin = h·b³/12 = 80·50³/12 = 833333 mm⁴

ความยาวประสิทธิผล

KL = 1·6000 = 6000 mm

น้ำหนักวิกฤต

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·833333/6000² = 45693 N = 45.69 kN

คำตอบ

Pcr = 45.69 kN
14.การโก่งเดาะของเสา

คำตอบ: d = 31.97 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 = 3·15000 = 45000 N
KL = 1·1500 = 1500 mm

แก้หาเส้นผ่านศูนย์กลาง

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·45000·1500²/(π³·200000))^(1/4) = 31.97 mm

คำตอบ

d = 31.97 mm

ตรวจสอบ: ค่าความเพรียว KL/r คือ 187.7 ดังนั้นเสาเป็นเสาเพรียวและใช้สูตรออยเลอร์ได้

15.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

คำตอบ: y = 12.61 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.

เวลาที่ถึงกำแพง

vx = 38·cos 25° = 34.44 m/s
t = x/vx = 45/34.44 = 1.307 s

ความสูงขณะนั้น

y = 16.06·1.307 − ½·9.81·1.307² = 12.61 m

คำตอบ

y = 12.61 m

ลูกบอลยังกำลังขึ้นอยู่ที่กำแพง

16.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์

คำตอบ: t = 2.463 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 = 31·cos 15° = 29.94 m/s
vy = v0·sin θ = 31·sin 15° = 8.023 m/s

เวลาที่อยู่ในอากาศ

แก้ y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 หาค่ารากที่เป็นบวก

0 = 10 + 8.023·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8.023 + √(64.37 + 196.2))/9.81 = 2.463 s

คำตอบ

t = 2.463 s
17.งานและพลังงาน

คำตอบ: Wf = 115.6 J

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

แรงเสียดทาน

N = mg·cos θ = 39.24·0.9063 = 35.56 N
F = μN = 0.25·35.56 = 8.891 N

งานต้านแรงเสียดทาน

Wf = F·d = 8.891·13 = 115.6 J

คำตอบ

Wf = 115.6 J
18.งานและพลังงาน

คำตอบ: d = 1.789 m

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

พลังงานสปริง

x = 20 cm = 0.2 m
½kx² = ½·2000·0.2² = 40 J

สมดุลพลังงานตามพื้นเอียง

m·g = 3·9.81 = 29.43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 40/(29.43·(0.5 + 0.3·0.866)) = 1.789 m

คำตอบ

d = 1.789 m
19.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: fd = 4.158 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

ความถี่ธรรมชาติแบบไม่หน่วง

ωn = √(150000/200) = 27.39 rad/s
fn = 27.39/(2π) = 4.359 Hz

ความถี่ธรรมชาติที่ถูกหน่วง

fd = fn·√(1 − ζ²) = 4.359·√(1 − 0.3²) = 4.158 Hz

คำตอบ

fd = 4.158 Hz
20.การสั่นสะเทือนเชิงกล

คำตอบ: fn = 3.751 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

สปริงที่ต่ออนุกรมรับแรงเท่ากันและระยะแอ่นบวกกัน จึงรวมกันแบบส่วนกลับ: 1/k = 1/k1 + 1/k2

1/keq = 1/40 + 1/50 → keq = 40·50/(40 + 50) = 22.22 kN/m

ความถี่ธรรมชาติ

ωn = √(22222/40) = 23.57 rad/s
fn = 23.57/(2π) = 3.751 Hz

คำตอบ

fn = 3.751 Hz
21.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

คำตอบ: ηmax = 65.13 %

ขีดจำกัดจากกฎข้อที่สอง: ไม่มีวัฏจักรใดที่ทำงานระหว่างแหล่งความร้อนอุณหภูมิสัมบูรณ์ TH และ TL ที่ดีกว่าวัฏจักรผันกลับได้ (วัฏจักรคาร์โนต์): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) และ COPHP,max = TH/(TH − TL) พลังงานอนุรักษ์เสมอ: QH = W + QL

อุณหภูมิสัมบูรณ์

TH = 625 + 273.15 = 898.1 K
TL = 40 + 273.15 = 313.1 K

ประสิทธิภาพคาร์โนต์

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 313.1/898.1 = 65.13 %

คำตอบ

ηmax = 65.13 %
22.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น

คำตอบ: COPmax = 19.68

ขีดจำกัดจากกฎข้อที่สอง: ไม่มีวัฏจักรใดที่ทำงานระหว่างแหล่งความร้อนอุณหภูมิสัมบูรณ์ TH และ TL ที่ดีกว่าวัฏจักรผันกลับได้ (วัฏจักรคาร์โนต์): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) และ COPHP,max = TH/(TH − TL) พลังงานอนุรักษ์เสมอ: QH = W + QL

อุณหภูมิสัมบูรณ์

TH = 22 + 273.15 = 295.1 K
TL = 7 + 273.15 = 280.1 K

COP ที่ดีที่สุดที่เป็นไปได้

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 295.1/(295.1 − 280.1) = 19.68

คำตอบ

COPmax = 19.68
23.วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส

คำตอบ: qin = 688.8 kJ/kg

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))

อุณหภูมิ

T2 = 290·150.4 = 856.7 K
T3 = 1.8·856.7 = 1542 K

ความร้อนที่เพิ่มที่ความดันคงที่

qin = 1.005·(1542 − 856.7) = 688.8 kJ/kg

คำตอบ

qin = 688.8 kJ/kg
24.วัฏจักรกำลังแบบแก๊ส

คำตอบ: wnet = 331.2 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 = 295·120.2857 = 600 K
T4s = 1500/120.2857 = 737.5 K

งานของคอมเพรสเซอร์และกังหัน

wc = 1.005·(600 − 295)/0.82 = 373.8 kJ/kg
wt = 0.92·1.005·(1500 − 737.5) = 705 kJ/kg

งานสุทธิ

wnet = 705 − 373.8 = 331.2 kJ/kg

คำตอบ

wnet = 331.2 kJ/kg

อัตราส่วนงานย้อนกลับ: wc/wt = 53.02%

25.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี

คำตอบ: p2 = 166.8 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 = 1.25·(75/50)² = 2.813 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1.25² − 2.813²)/1000 = −3.174 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 170 + (−3.174) = 166.8 kPa

คำตอบ

p2 = 166.8 kPa
26.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลี

คำตอบ: H = 11.71 m

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.

ความเร็วที่ทางออก

β = 30/50 = 0.6
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·100000/(1000·0.8704)) = 15.16 m/s

ความสูงของลำน้ำ

เบอร์นูลลีตามลำน้ำ: ที่จุดสูงสุดความเร็วเป็นศูนย์และความดันกลับเป็นความดันบรรยากาศ

H = v2²/(2g) = 15.16²/(2·9.81) = 11.71 m

คำตอบ

H = 11.71 m
27.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสีย

คำตอบ: hf = 2.391 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

ความเร็วเฉลี่ย

A = π·0.3²/4 = 0.07069 m²
V = Q/A = 0.075/0.07069 = 1.061 m/s

เฮดความเร็ว

V²/(2g) = 1.061²/(2·9.81) = 0.05738 m

ดาร์ซี–ไวส์บาค

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(500/0.3)·1.061²/(2·9.81) = 2.391 m

คำตอบ

hf = 2.391 m
28.แรงเสียดทานในท่อและเฮดสูญเสีย

คำตอบ: Δz = 15.44 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 = 0.025/0.007854 = 3.183 m/s
V²/(2g) = 0.5164 m

สัมประสิทธิ์การสูญเสีย

f·L/D = 0.015·150/0.1 = 22.5
ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 5 + 1.0 = 7.4

การสูญเสียเฮดรวม

hf = 22.5·0.5164 = 11.62 m
hm = 7.4·0.5164 = 3.821 m
Δz = hf + hm = 15.44 m

คำตอบ

Δz = 15.44 m
29.ปั๊มและกำลังของปั๊ม

คำตอบ: Pel = 61.99 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 = 1000·9.81·0.06·76 = 44.73 kW

กำลังที่เพลา

Pshaft = 44.73/0.82 = 54.55 kW

กำลังไฟฟ้า

Pel = 54.55/0.88 = 61.99 kW

คำตอบ

Pel = 61.99 kW
30.ปั๊มและกำลังของปั๊ม

คำตอบ: H = 69.66 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 = 0.05/0.01767 = 2.829 m/s
V²/(2g) = 0.408 m

การสูญเสียเฮด

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (66.67 + 8)·0.408 = 30.47 m

เฮดความดัน

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9.81) = 10.19 m

เฮดของปั๊ม

ผิวทั้งสองแทบจะนิ่ง จึงไม่มีพจน์เฮดความเร็ว

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 29 + 10.19 + 30.47 = 69.66 m

คำตอบ

H = 69.66 m
31.การนำความร้อน

คำตอบ: Ti = 20.32 °C

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

ความต้านทานของแต่ละชั้น

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(1.4·10) = 0.007143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0.035·10) = 0.2857 K/W

การไหลของความร้อน

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 28/0.2929 = 95.61 W

อุณหภูมิที่รอยต่อ

อุณหภูมิลดลงข้ามชั้นแรกเท่ากับ Q̇·R₁

Ti = T1 − Q̇·R1 = 21 − 95.61·0.007143 = 20.32 °C

คำตอบ

Ti = 20.32 °C
32.การนำความร้อน

คำตอบ: Q̇ = 49.51 W

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

ความต้านทานอนุกรม

Ri = 1/(hiA) = 1/(7.7·10) = 0.01299 K/W
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0.04·10) = 0.5 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(1.4·10) = 0.007143 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·10) = 0.005 K/W
ΣR = 0.5251 K/W

การสูญเสียความร้อน

Q̇ = (20 − (-6))/0.5251 = 49.51 W

คำตอบ

Q̇ = 49.51 W
33.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: n2 = 633.6 rpm

ระบบขับด้วยสายพาน: เมื่อไม่มีการลื่น พูลเลย์ทั้งสองมีความเร็วที่ขอบเท่ากัน v = π·d·n/60 ดังนั้น n₁·d₁ = n₂·d₂ และอัตราส่วนความเร็วคือ d₂/d₁ การลื่น s ทำให้พูลเลย์ตามช้าลงเล็กน้อย: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s) กำลังที่ส่งคือ P = (T₁ − T₂)·v โดย T₁ คือแรงตึงด้านตึง และ T₂ ด้านหย่อน แรงเสียดทานจำกัดอัตราส่วนของแรงตึง: T₁/T₂ = eμθ โดย θ คือมุมโอบเป็นเรเดียนบนพูลเลย์ที่เล็กกว่า สำหรับสายพานเปิด θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) โดย C คือระยะห่างระหว่างศูนย์กลาง

ความเร็วเมื่อไม่มีการลื่น

960·200/300 = 640 rpm

เมื่อมีการลื่น

n2 = 640·0.99 = 633.6 rpm

คำตอบ

n2 = 633.6 rpm
34.เฟืองและชุดเฟือง

คำตอบ: θ = 172.8 °

ระบบขับด้วยสายพาน: เมื่อไม่มีการลื่น พูลเลย์ทั้งสองมีความเร็วที่ขอบเท่ากัน v = π·d·n/60 ดังนั้น n₁·d₁ = n₂·d₂ และอัตราส่วนความเร็วคือ d₂/d₁ การลื่น s ทำให้พูลเลย์ตามช้าลงเล็กน้อย: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s) กำลังที่ส่งคือ P = (T₁ − T₂)·v โดย T₁ คือแรงตึงด้านตึง และ T₂ ด้านหย่อน แรงเสียดทานจำกัดอัตราส่วนของแรงตึง: T₁/T₂ = eμθ โดย θ คือมุมโอบเป็นเรเดียนบนพูลเลย์ที่เล็กกว่า สำหรับสายพานเปิด θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) โดย C คือระยะห่างระหว่างศูนย์กลาง

มุมของสายพาน

asin(0.0625) = 3.583°

มุมโอบ

θ = 180 − 2·3.583 = 172.8°

คำตอบ

θ = 172.8°
35.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: f(0.2) = 0.65

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)

เศษส่วนย่อย

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 3)
A = 45/(2·3) = 7.5
B = 45/((−2)·1) = −22.5
C = 45/((−3)·(−1)) = 15

การแปลงผกผัน

f(t) = 7.5 − 22.5·e−2t + 15·e−3t

คำนวณค่า

f(0.2) = 7.5 − 22.5·e−2·0.2 + 15·e−3·0.2 = 0.65

คำตอบ

f(0.2) = 0.65
36.การแปลงลาปลาซ

คำตอบ: y(0.1) = 0.5089

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

Y(s) = 120/(s(s + 2)(s + 3))

เศษส่วนย่อย

A = 120/(2·3) = 20
B = 120/((−2)·1) = −60
C = 120/((−3)·(−1)) = 40

สารน้ำออก

y(t) = 20 − 60·e−2t + 40·e−3t
y(0.1) = 0.5089

คำตอบ

y(0.1) = 0.5089
37.แผนภาพบล็อก

คำตอบ: K = 12.25

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)

สมการลักษณะเฉพาะ

1 + K/((s + 2)(s + 9)) = 0 → s² + 11s + 18 + K = 0

รากซ้ำ

กำลังสอง s² + βs + γ มีรากซ้ำเมื่อ β² = 4γ

11² = 4(18 + K) → K = 121/4 − 18 = 12.25

คำตอบ

K = 12.25
โพลวงปิดทั้งสองอยู่ที่ s = −5.5
38.แผนภาพบล็อก

คำตอบ: K = 31.5

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)

ผลตอบสนองต่อสิ่งรบกวน

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 10·2/(7 + 2K)

แก้หา K

7 + 2K = 10·2/0.2857 = 70
K = (70 − 7)/2 = 31.5

คำตอบ

K = 31.5
39.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

คำตอบ: tp = 0.4315 s

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 = 54 → ωₙ = 7.348 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7.348) = 0.1361

ผลลัพธ์

ωd = 7.348·√(1 − 0.1361²) = 7.28 rad/s → tp = π/ωd = 0.4315 s

คำตอบ

tp = 0.4315 s
40.การตอบสนองต่อสัญญาณขั้นบันได

คำตอบ: tp = 0.08569 s

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 = √(k/m) = √(800/0.5) = 40 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 16/(2·√(800·0.5)) = 0.4

ผลลัพธ์

ωd = 36.66 rad/s
tp = π/ωd = 0.08569 s

คำตอบ

tp = 0.08569 s
41.ค่าความคลาดเคลื่อนสถานะคงตัวและการควบคุม PID

คำตอบ: ess = 0.2

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

ค่าคงที่ความเร็ว

Kv = lim s·G(s) = 2.5

ค่าความคลาดเคลื่อนของแรมป์

ess = 0.5/2.5 = 0.2

คำตอบ

ess = 0.2
42.ค่าความคลาดเคลื่อนสถานะคงตัวและการควบคุม PID

คำตอบ: tp = 1.187 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 + 6) + 8·2 = s² + 6s + 16

ωₙ และ ζ

ωₙ = √16 = 4 rad/s
ζ = 6/(2·4) = 0.75

เวลาถึงจุดสูงสุด

ωd = 4·√(1 − 0.75²) = 2.646 rad/s
tp = π/2.646 = 1.187 s

คำตอบ

tp = 1.187 s

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

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