คานยื่นยึดแน่นกับผนังที่ A รับแรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอ w ตลอดความยาว และแรงกระทำเป็นจุด P ที่ระยะ 5 m จากผนัง จงหาขนาดของโมเมนต์ปฏิกิริยา MA ที่ผนัง
L = 8 mP = 75 kN ที่ 5 mw = 4 kN/m จาก 0 ถึง 8 m
MA = kN·m
2.ปฏิกิริยาที่จุดรองรับของคานยาก
คานรับแรงสองจุดมีหมุดที่ A และลูกกลิ้งที่ B หาปฏิกิริยาแนวดิ่งที่จุดรองรับ RA
L = 8 mP = 50 kN ที่ 5 mw = 12 kN/m จาก 4 ถึง 7 m
RA = kN
3.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนปานกลาง
แท่งเหล็กกล้า (เส้นผ่านศูนย์กลาง 30 mm, E = 200 GPa) อยู่ภายในท่อที่ทำจากอะลูมิเนียม (เส้นผ่านศูนย์กลางนอก 100 mm, เส้นผ่านศูนย์กลางใน 70 mm, E = 70 GPa) ทั้งสองยาว 300 mm และถูกอัดร่วมกันระหว่างแผ่นแข็งด้วยแรง 250 kN จงหาระยะหด δ
P = 250 kNแท่ง: Ø30 mm, E = 200 GPaท่อ: Ø100/Ø70 mm, E = 70 GPaL = 300 mm
δ = mm
4.ความเค้นและความเครียดตามแนวแกนยาก
ท่อนเหล็กกล้า (เส้นผ่านศูนย์กลาง 20 mm, ยาว 600 mm, E = 200 GPa) และท่อนที่ทำจากอะลูมิเนียม (เส้นผ่านศูนย์กลาง 30 mm, ยาว 500 mm, E = 70 GPa) ต่อปลายชนปลายและยึดระหว่างผนังแข็งสองด้าน โหลดตามแนวแกน 30 kN กระทำที่รอยต่อไปทางท่อนที่ 2 จงหาขนาดของความเค้น σ2 ในท่อนที่ 2
ท่อนที่ 1: เหล็กกล้า, Ø20 mm, 600 mm, E = 200 GPaท่อนที่ 2: อะลูมิเนียม, Ø30 mm, 500 mm, E = 70 GPaP = 30 kN
σ2 = MPa
5.การบิดของเพลาปานกลาง
เพลาตันเหล็กกล้าถูกยึดติดกับผนังและถูกบิดด้วยแรงบิด T ที่ปลายอิสระ หามุมบิด φ ของปลายอิสระ ในหน่วยองศา
หาโมเมนต์ดัด Mx ที่หน้าตัด x = 2.5 m จากจุดรองรับ A ให้โมเมนต์ที่ทำให้คานแอ่นลงเป็นบวก และแรงเฉือนที่ชี้ขึ้นบนหน้าซ้ายเป็นบวก
L = 6 mw = 5 kN/m จาก 0 ถึง 6 mx = 2.5 m
Mx = kN·m
8.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัดยาก
คานวางบนจุดรองรับแบบหมุดที่ A และแบบลูกกลิ้งที่ B และมีส่วนยื่นเลย B ไป 1 m ถึงปลายอิสระ C แรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอ w กระทำตลอดความยาว A–C จงหาโมเมนต์ดัด MB ที่จุดรองรับ B ให้โมเมนต์ที่ทำให้คานแอ่นลงเป็นบวก และแรงเฉือนที่ชี้ขึ้นบนหน้าตัดด้านซ้ายเป็นบวก
L = 7 mw = 5 kN/m จาก 0 ถึง 7 mจุดรองรับที่ x = 0 และ x = 6 m
คานยื่นรับแรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอ w ตลอดความยาว และแรงกระทำเป็นจุด P ที่ปลายอิสระ จงใช้หลักการซ้อนทับหาการโก่งตัว δ ที่ปลายอิสระ
P = 18 kNw = 6 kN/mL = 1.5 mE = 200 GPa (เหล็กกล้า)I = 8.5 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
12.การแอ่นตัวของคานยาก
คานไม้ช่วงเดียวรองรับอย่างง่ายหน้าตัดสี่เหลี่ยมผืนผ้ากว้าง 125 mm รับแรงกระทำแบบแผ่สม่ำเสมอ w ตลอดช่วงคาน การโก่งตัวที่กึ่งกลางช่วงคานต้องไม่เกิน ช่วงคาน/300 จงหาความลึกที่น้อยที่สุด hreq ของหน้าตัด
w = 2.5 kN/mL = 3 mE = 11 GPa (ไม้เนื้อแข็ง)b = 125 mm
hreq = mm
13.การโก่งเดาะของเสาปานกลาง
เสายาว L ทำจากอะลูมิเนียม โดยยึดแน่นทั้งสองปลาย ใช้สูตรของออยเลอร์หาน้ำหนักวิกฤตที่ทำให้โก่งเดาะ Pcr
L = 5 mE = 70 GPa (อะลูมิเนียม)b × h = 30 × 60 mm
Pcr = kN
14.การโก่งเดาะของเสายาก
เสายาว L ทำจากอะลูมิเนียม โดยยึดแน่นที่ฐานและยึดด้วยหมุดที่ปลายบน หาค่าความเพรียวและความเค้นวิกฤต σcr จากสูตรของออยเลอร์
L = 2 mE = 70 GPa (อะลูมิเนียม)d = 40 mm
σcr = MPa
15.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ปานกลาง
เตะลูกบอลจากพื้นราบด้วย 22 m/s ที่มุม 40° เหนือแนวนอนไปทางกำแพงที่ห่าง 19 m ไม่คิดแรงต้านอากาศและใช้ g = 9.81 m/s² ลูกบอลผ่านกำแพงที่ความสูงเท่าใด y
v₀ = 22 m/sθ = 40°x = 19 mg = 9.81 m/s²
y = m
16.การเคลื่อนที่แบบโพรเจกไทล์ยาก
ลูกบอลถูกยิงออกไปทำมุม 40° เหนือแนวนอน จากยอดหน้าผาสูง 25 m ไม่คิดแรงต้านอากาศ หาระยะทางในแนวนอน x ที่ลูกบอลเคลื่อนที่ก่อนกระทบพื้น
v0 = 20 m/sθ = 40°h = 25 mg = 9.81 m/s²
x = m
17.งานและพลังงานปานกลาง
เครื่องยิงของเล่นมีสปริงแนวดิ่งที่มีค่าคงตัว 800 N/m วางลูกบอล 0.2 kg บนสปริงและกดสปริงลง 5 cm แล้วปล่อย ไม่คิดแรงต้านอากาศและมวลของสปริง จงหาความสูง h ที่ลูกบอลขึ้นไป วัดจากตำแหน่งของมันเมื่อสปริงถูกกด
m = 0.2 kgk = 800 N/mx = 5 cmg = 9.81 m/s²
h = m
18.งานและพลังงานยาก
ก้อนวัตถุมวล 1 kg ถูกปล่อยจากหยุดนิ่งที่ความสูง 1 m บนทางลาดเรียบ ที่ด้านล่างมันผ่านแถบแนวนอนขรุขระยาว 2 m (μ = 0.2) แล้ววิ่งไปชนสปริง (k = 4000 N/m) บนพื้นผิวเรียบ หาการหดตัวสูงสุด x ของสปริง
m = 1 kgh = 1 mL = 2 mμ = 0.2k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
19.การสั่นสะเทือนเชิงกลปานกลาง
ในการทดสอบการสั่นอิสระของระบบมวล–สปริงที่มีการหน่วง ยอดการกระจัด 10 mm ตามด้วยยอด 7.8 mm หนึ่งรอบถัดมา หาอัตราส่วนการหน่วง ζ
เครื่องยนต์ความร้อนผันกลับได้ (คาร์โนต์) รับความร้อน 3800 kJ จากแหล่งความร้อนที่ 250 °C และปล่อย 2420 kJ ต่อวัฏจักร จงหาอุณหภูมิ TL ของแหล่งความร้อนเย็นในหน่วย °C
TH = 250 °CQH = 3800 kJQL = 2420 kJ
TL = °C
22.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็นยาก
เครื่องยนต์คาร์โนต์สองเครื่องทำงานต่ออนุกรมกัน เครื่องยนต์ A รับความร้อนจากแหล่งที่ 500 °C และปล่อยความร้อนสู่แหล่งตัวกลางที่อุณหภูมิ Tm เครื่องยนต์ B รับความร้อนทั้งหมดนั้นและปล่อยความร้อนสู่แหล่งที่ 40 °C เครื่องยนต์ทั้งสองมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนเท่ากัน จงหา Tm ในหน่วย °C
TH = 500 °CTL = 40 °C
Tm = °C
23.วัฏจักรกำลังแบบแก๊สปานกลาง
วัฏจักรดีเซลอุดมคติมีอัตราส่วนการอัด r = 14 และอัตราส่วนตัดตอน rc = v₃/v₂ = 1.8 เมื่อเริ่มอัด อากาศอยู่ที่ 320 K ใช้สมมติฐานอากาศมาตรฐานเย็น: อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีความจุความร้อนจำเพาะคงที่ k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) และ cv = 0.718 kJ/(kg·K) หาอุณหภูมิ T3 เมื่อสิ้นสุดการเพิ่มความร้อน ใน K
r = 14rc = 1.8T1 = 320 Kk = 1.4
T3 = K
24.วัฏจักรกำลังแบบแก๊สยาก
วัฏจักรเบรย์ตันอุดมคติทำงานด้วยอัตราส่วนความดันของคอมเพรสเซอร์ 10 ใช้สมมติฐานอากาศมาตรฐานเย็น: อากาศเป็นแก๊สอุดมคติที่มีความจุความร้อนจำเพาะคงที่ k = 1.4, cp = 1.005 kJ/(kg·K) และ cv = 0.718 kJ/(kg·K) หาประสิทธิภาพเชิงความร้อน η เป็นเปอร์เซ็นต์
rp = 10k = 1.4
η = %
25.ความต่อเนื่องและเบอร์นูลลีปานกลาง
น้ำไหลผ่านท่อแนวนอนที่แคบลงจาก 100 mm เป็น 75 mm ในช่วงกว้างความดันคือ 390 kPa และความเร็วคือ 3 m/s ไม่คิดการสูญเสีย หาความดัน p2 ในช่วงแคบ
ผนังประกอบด้วยแผ่นยิปซัมหนา 100 mm และใยแร่หนา 150 mm มีพื้นที่ 6 m² ผิวด้านนอกทั้งสองมีอุณหภูมิ 19 °C และ -10 °C หาอัตราการไหลของความร้อน Q̇ ผ่านผนัง
L1 = 100 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 6 m²T1 = 19 °CT3 = -10 °C
Q̇ = W
32.การนำความร้อนยาก
ผนังคอนกรีตหนา 150 mm และอิฐหนา 100 mm กั้นระหว่างห้องที่ 20 °C กับอากาศภายนอกที่ -6 °C สัมประสิทธิ์การพาความร้อนคือ 7.7 W/(m²·K) ภายใน และ 25 W/(m²·K) ภายนอก และพื้นที่ผนังคือ 20 m² หาสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม U ของผนัง
L1 = 150 mm, k1 = 1.4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.72 W/(m·K)A = 20 m²hi = 7.7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 20 °CTout = -6 °C
U = W/(m²·K)
33.เฟืองและชุดเฟืองปานกลาง
พูลเลย์ 150 mm ที่ 960 rpm ขับพูลเลย์ 500 mm ด้วยสายพานที่ลื่น 2 % จงหาความเร็ว n2 ของพูลเลย์ตาม
n1 = 960 rpmd1 = 150 mmd2 = 500 mms = 2 %
n2 = rpm
34.เฟืองและชุดเฟืองยาก
สายพานเปิดเชื่อมพูลเลย์ 80 mm กับพูลเลย์ 500 mm ซึ่งศูนย์กลางห่างกัน 600 mm จงหามุมโอบ θ บนพูลเลย์ที่เล็กกว่า ในหน่วยองศา
สมดุลของคานยื่น: จุดรองรับแบบยึดแน่นดันขึ้นได้และต้านการหมุนได้ด้วย จึงให้แรงปฏิกิริยาในแนวดิ่ง RA และโมเมนต์ปฏิกิริยา MA ΣFy = 0 ให้ RA และโมเมนต์รอบผนังให้ MA = Σ(แรง × ระยะจากผนัง) แรงกระทำแบบแผ่กระทำเป็นแรงลัพธ์ที่เซนทรอยด์ของแผนภาพแรง
วิธีหน้าตัด: ตัดคานตรงจุดที่ต้องการหาแรงภายในแล้วเก็บไว้ด้านหนึ่ง แรงเฉือน V สมดุลกับแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น และโมเมนต์ดัด M สมดุลกับโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด
ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ
สมดุลของคานทั้งตัว
แรงลัพธ์ของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ: W = w·ℓ = 5·6 = 30 kN กระทำที่ x̄ = 3 m
M = RA·x − (น้ำหนักบรรทุกแต่ละตัวทางซ้ายของรอยตัด × ระยะถึงรอยตัด)
Mx = 15·2.5 − 5·2.5·1.25 = 21.88 kN·m
คำตอบ
Mx = 21.88 kN·m
8.แรงเฉือนและโมเมนต์ดัด
คำตอบ: MB = −2.5 kN·m
วิธีหน้าตัด: ตัดคานตรงจุดที่ต้องการหาแรงภายในแล้วเก็บไว้ด้านหนึ่ง แรงเฉือน V สมดุลกับแรงแนวดิ่งทางด้านนั้น และโมเมนต์ดัด M สมดุลกับโมเมนต์ของแรงเหล่านั้นรอบรอยตัด โมเมนต์สูงสุด: เนื่องจาก dM/dx = V โมเมนต์ดัดจึงมีค่าสูงสุดที่ตำแหน่งซึ่งแรงเฉือนผ่านศูนย์ ซึ่งอาจเป็นที่แรงกระทำเป็นจุดหรืออยู่ภายในแรงกระทำแบบแผ่
ปฏิกิริยาที่จุดรองรับ
สมดุลของคานทั้งหมด รวมถึงแรงกระทำบนส่วนยื่น
แรงลัพธ์ของน้ำหนักแผ่สม่ำเสมอ: W = w·ℓ = 5·7 = 35 kN กระทำที่ x̄ = 3.5 m
ΣMA = 0: RB·6 = 5·7·3.5
RB = 122.5/6 = 20.42 kN
ΣFy = 0: RA = 35 − 20.42 = 14.58 kN
ตัดที่ B แล้วเก็บส่วนยื่นไว้
แรงกระทำบนส่วนยื่น w·a กระทำที่ a/2 จาก B และทำให้คานโค้งคว่ำเหนือจุดรองรับ
MB = −w·a²/2 = −5·1²/2 = −2.5 kN·m
คำตอบ
MB = −2.5 kN·m
9.วงกลมของมอร์และการแปลงความเค้น
คำตอบ: σy′ = 100.4 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
สปริงที่วางเคียงกันมีระยะแอ่นเท่ากันและแรงบวกกัน ค่าความแข็งจึงบวกกันตรง ๆ: k = k1 + k2
keq = 100 + 80 = 180 kN/m
คำตอบ
keq = 180 kN/m
21.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น
คำตอบ: TL = 60.01 °C
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.
อุณหภูมิสัมบูรณ์ของแหล่งความร้อน
TH = 250 + 273.15 = 523.1 K
อัตราส่วนความร้อนของวัฏจักรผันกลับได้
TL = TH·QL/QH = 523.1·2420/3800 = 333.2 K = 60.01 °C
คำตอบ
TL = 60.01 °C
22.เครื่องยนต์ความร้อนและตู้เย็น
คำตอบ: Tm = 218.9 °C
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.
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.