çelik bir çubuk (çap 30 mm, E = 200 GPa, izin verilen gerilme 160 MPa), pirinç malzemeden yapılmış bir borunun (dış çap 120 mm, iç çap 50 mm, E = 100 GPa, izin verilen gerilme 80 MPa) içinde duruyor. Rijit levhalar arasında birlikte sıkıştırılıyorlar. En büyük yükü Pmax bulun.
çubuk: Ø30 mm, E = 200 GPa, σallow = 160 MPaboru: Ø120/Ø50 mm, E = 100 GPa, σallow = 80 MPa
Pmax = kN
5.Millerin burulmasıOrta
1,2 m uzunluğundaki dolu bir alüminyum mil 500 N·m tork taşıyor. Uçları arasındaki burulma açısı 2°’yi geçmemelidir. Bu sınırı sağlayan en küçük çap d değerini bulun.
T = 500 N·mL = 1,2 mG = 26 GPaφallow = 2°
d = mm
6.Millerin burulmasıZor
20 mm çaplı dolu bir pirinç mil A’da ankastredir. A’dan 0,8 m uzaklıktaki B’de 100 N·m tork, ondan 0,8 m daha ötedeki serbest uç C’de ise ters yönde 200 N·m tork etkir. Mildeki en büyük kayma gerilmesi τmax değerini bulun.
d = 20 mmTB = 100 N·mTC = 200 N·mAB = 0,8 mBC = 0,8 m
τmax = MPa
7.Kesme kuvveti ve eğilme momentiOrta
A mesnedinden x = 2,5 m uzaklıktaki kesitte eğilme momenti Mx değerini bulun. Alt lifleri çeken momentleri ve sol yüzde yukarı doğru kesme kuvvetini pozitif alın.
L = 4 mw = 4 kN/m, 0 ile 4 m arasındax = 2,5 m
Mx = kN·m
8.Kesme kuvveti ve eğilme momentiZor
A’dan G’ye işaretler kirişi altı eşit parçaya böler. Eğilme momenti hangi işarette büyüklükçe en büyüktür, sehim yapan veya yapmayan? Diyagramda ona tıklayın.
30 kN @ 12 m8 kN/m, 0–8 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)
9.Mohr dairesi ve gerilme dönüşümüOrta
Bir noktada σₓ = −20 MPa, σᵧ = −60 MPa ve τₓᵧ = −40 MPa’dır (çekme pozitif). x ekseninden, kayma gerilmesinin en büyük pozitif değeri +R’ye ulaştığı düzlemin normaline olan, −90° ile 90° arasındaki θs açısını bulun (kayma, τₓᵧ ile aynı yönde pozitif).
σx = −20 MPaσy = −60 MPaτxy = −40 MPa
θs = °
10.Mohr dairesi ve gerilme dönüşümüZor
Yüklü bir parçadaki bir noktada σₓ = 30 MPa, σᵧ = −40 MPa ve τₓᵧ = 50 MPa (çekme pozitif). Normali x ekseninden saat yönünün tersine 35° döndürülmüş bir düzlemdeki normal gerilme σθ değerini bulun.
σx = 30 MPaσy = −40 MPaτxy = 50 MPaθ = 35°
σθ = MPa
11.Kiriş sehimiOrta
L uzunluğundaki bir konsol kiriş A’da ankastredir ve A’dan a = 1,5 m uzaklıkta P tekil yükü taşır. Serbest uç B’deki sehim δB değerini bulun.
P = 3 kNa = 1,5 mL = 3 mE = 11 GPa (yapı kerestesi)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
12.Kiriş sehimiZor
Basit mesnetli bir kiriş B mesnedinden b = 2 m uzaklıkta P tekil yükü taşır. Kirişin en büyük sehimi δmax değerini bulun.
P = 23 kNb = 2 mL = 6 mE = 200 GPa (çelik)I = 8,5 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
13.Kolon burkulmasıOrta
çelik malzemeden L boyunda bir kolon iki ucu mafsallı. Euler formülüyle kritik burkulma yükü Pcr değerini bulun.
L = 5 mE = 200 GPa (çelik)d = 50 mm
Pcr = kN
14.Kolon burkulmasıZor
çelik malzemeden L boyunda bir kolon iki ucu ankastre. Narinliğini ve Euler formülünden kritik burkulma gerilmesi σcr değerini bulun.
L = 3 mE = 200 GPa (çelik)d = 30 mm
σcr = MPa
15.Eğik atışOrta
Bir top düz zeminden yatayın 50° üzerinden fırlatılıyor. Hava direncini ihmal edin. Topun ulaştığı en büyük yükseklik H değerini bulun.
v0 = 22 m/sθ = 50°g = 9,81 m/s²
H = m
16.Eğik atışZor
Bir top 30 m’lik bir uçurumun tepesinden 16 m/s hızla ve yatayın 20° üstünde atılıyor. Hava direncini ihmal edin ve g = 9,81 m/s² alın. Yere çarpma hızı v değerini bulun.
v₀ = 16 m/sθ = 20°h = 30 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
17.İş ve enerjiOrta
Kütlesi 1500 kg olan bir otomobil 4° eğimli bir yokuşu sabit 90 km/h hızla çıkıyor. Hava direnci ve yuvarlanma direnci toplamı 500 N’dir. Tekerleklerin vermesi gereken güç P değerini kW cinsinden bulun.
Kütlesi 3 kg olan bir blok pürüzlü yatay bir masada duruyor (μ = 0,15). Ondan çıkan hafif bir ip, masanın kenarındaki sürtünmesiz bir makaradan geçerek kütlesi 5 kg olan asılı bir bloğa bağlanıyor. Sistem durgun hâlden bırakılıyor. Asılı blok 1,5 m düştükten sonra blokların hızı v değerini bulun.
m1 = 3 kgm2 = 5 kgμ = 0,15d = 1,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
19.Mekanik titreşimlerOrta
Rijitliği 50 kN/m olan bir yay üzerindeki 8 kg’lık bir kütlenin, 0,6 sönüm oranı veren viskoz bir sönümleyicisi var. Serbest titreşiminin sönümlü doğal frekansı fd değerini Hz cinsinden bulun.
m = 8 kgk = 50 kN/mζ = 0,6
fd = Hz
20.Mekanik titreşimlerZor
5 kg’lık bir kütle, rijitlikleri k₁ = 60 kN/m ve k₂ = 5 kN/m olan yan yana (paralel) iki yaya asılı. Kütle yatay kalıyor. Sönümü ve yayların kütlelerini ihmal edin. Düşey titreşimin doğal frekansı fn değerini Hz cinsinden bulun.
m = 5 kgk1 = 60 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz
21.Isı makineleri ve soğutucularOrta
Tersinir bir soğutucu 9 kW ısı çekerek bir soğuk odayı 4 °C’de tutuyor ve 35 °C’deki çevreye ısı atıyor. Isı atma hızı Q̇H değerini bulun.
TL = 4 °CTH = 35 °CQ̇L = 9 kW
Q̇H = kW
22.Isı makineleri ve soğutucularZor
Bir Carnot ısı makinesi 500 °C’deki bir kaynaktan 10 kW ısı alıyor ve 25 °C’deki çevreye ısı atıyor. Tüm işi, -10 °C’deki bir dondurucudan ısı çeken ve yine 25 °C’deki çevreye ısı atan bir Carnot soğutucusunu çalıştırıyor. Dondurucudan ısı çekilme hızı Q̇L değerini bulun.
TH = 500 °CT0 = 25 °CTL = -10 °CQ̇H = 10 kW
Q̇L = kW
23.Gaz güç çevrimleriOrta
İdeal bir Diesel çevriminin sıkıştırma oranı r = 22 ve kesme oranı rc = v₃/v₂ = 1,5. Sıkıştırmanın başında hava 305 K’dedir. Soğuk hava standardı varsayımlarını kullanın: hava sabit özgül ısılı ideal bir gazdır, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) ve cv = 0,718 kJ/(kg·K). Isı girişinin sonundaki sıcaklık T3 değerini K cinsinden bulun.
r = 22rc = 1,5T1 = 305 Kk = 1,4
T3 = K
24.Gaz güç çevrimleriZor
Bir gaz türbini santrali, kompresör basınç oranı 18 olan bir Brayton çevrimiyle çalışıyor. Hava kompresöre 288 K’de, türbine 1500 K’de giriyor. İki makine de izantropiktir. Soğuk hava standardı varsayımlarını kullanın: hava sabit özgül ısılı ideal bir gazdır, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) ve cv = 0,718 kJ/(kg·K). Hava kilogramı başına net iş çıkışı wnet değerini kJ/kg cinsinden bulun.
rp = 18T1 = 288 KT3 = 1500 Kk = 1,4cp = 1,005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg
25.Süreklilik ve BernoulliOrta
Bir su borusundaki pitot-statik tüpü, durma basıncı ile statik basınç arasında 29 kPa fark okuyor. Uçtaki su hızı v değerini bulun.
p0 − p = 29 kPaρ = 1000 kg/m³
v = m/s
26.Süreklilik ve BernoulliZor
İç çapı 20 mm olan bir hortum, açık bir tanktan sifonla su çekiyor. Hortumun en yüksek noktası C, su yüzeyinin 1,5 m üstündedir ve (havaya açık) çıkış, su yüzeyinin 3,5 m altındadır. Kayıpları ihmal edin ve g = 9,81 m/s² alın. Debi Q değerini bulun.
d = 20 mmzC = +1,5 mz2 = −3,5 mg = 9,81 m/s²
Q = L/s
27.Boru sürtünmesi ve yük kaybıOrta
Su, 200 m uzunluğunda ve iç çapı 150 mm olan bir borudan 50 L/s debiyle akıyor. Darcy sürtünme faktörü f = 0,02 ve g = 9,81 m/s² kullanın. Sürtünme yük kaybı hf değerini bulun.
İki açık hazne, 100 m uzunluğunda, iç çapı 150 mm ve Darcy sürtünme faktörü f = 0,022 olan bir boruyla birleştirilmiştir. Üst haznenin su yüzeyi alttakinden 33 m yüksektedir. Yerel kayıplar: keskin kenarlı bir giriş (K = 0,5), 3 dirsek (her biri K = 0,3), bir vana (K = 10) ve alt hazneye çıkış (K = 1,0). g = 9,81 m/s² kullanın. Debi Q değerini L/s cinsinden bulun.
Verimi %80 olan bir pompa 10 m basma yüksekliğine karşı 40 L/s su (ρ = 1000 kg/m³) basıyor. g = 9,81 m/s² kullanın. Gereken mil gücü Pshaft değerini kW cinsinden bulun.
Q = 40 L/sH = 10 mη = 80%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
30.Pompalar ve pompa gücüZor
Bir pompa 40 L/s suyu (ρ = 1000 kg/m³) açık bir alt hazneden, su yüzeyi 10 m daha yüksekte olan bir üst tanka basıyor. Boru 100 m uzunluğunda, iç çapı 150 mm ve Darcy sürtünme faktörü f = 0,025; yerel kayıp katsayılarının toplamı ΣK = 5 (giriş ve çıkış dahil). g = 9,81 m/s² kullanın. Pompanın eklemesi gereken basma yüksekliği H değerini bulun.
Bir duvar, 8 m² alanında, 200 mm genleştirilmiş polistiren ve 50 mm taş yünü katmanlarından oluşuyor. Dış yüzeyleri 19 °C ve -11 °C sıcaklığında. Duvardan geçen ısı akısı Q̇ değerini bulun.
L1 = 200 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 8 m²T1 = 19 °CT3 = -11 °C
Q̇ = W
32.Isı iletimiZor
250 mm alçı levha ve 100 mm taş yünü katmanlarından oluşan bir duvar, 21 °C sıcaklığındaki bir odayı 2 °C sıcaklığındaki dış havadan ayırıyor. Taşınım katsayıları içeride 8 W/(m²·K), dışarıda 25 W/(m²·K) ve duvar alanı 20 m². Duvarın iç yüzey sıcaklığı Ts değerini bulun.
L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²hi = 8 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = 2 °C
Ts = °C
33.Dişliler ve dişli dizileriOrta
İki paralel mil arasında 100 mm mesafe var. Bunlar 2,5 mm modüllü ve 4 : 1 hız düşürme oranlı bir çift düz dişliyle bağlanmalıdır. Dişlinin kaç dişi N2 olmalıdır?
a = 100 mmm = 2,5 mmi = 4
N2 =
34.Dişliler ve dişli dizileriZor
Bileşik bir dişli dizisinde giriş milindeki A dişlisi (15 diş) 2880 rpm ile dönüyor ve B dişlisini (24 diş) tahrik ediyor. C dişlisi (12 diş) B ile aynı mile sabitlenmiştir ve çıkış milindeki D dişlisini tahrik ediyor. Çıkış 720 rpm ile dönmelidir. D dişlisinin kaç dişi ND olmalıdır?
nin = 2880 rpmA = 15B = 24C = 12nout = 720 rpm
ND =
35.Laplace dönüşümleriOrta
F(s) = 50/(s(s + 3)(s + 6)) için f(t)’yi kısmi kesirlerle bulun ve f(0,1) değerini hesaplayın.
F(s) = 50/(s(s + 3)(s + 6))t = 0,1 s
f(0.1) =
36.Laplace dönüşümleriZor
Bir sistem y″ + 7y′ + 10y = 4u′ + 10u diferansiyel denklemiyle tanımlanıyor; girişi u(t), çıkışı y(t). Transfer fonksiyonunu G(s) = Y(s)/U(s) (sıfır başlangıç koşulları) bulun ve darbe yanıtı g(t)’yi t = 0,2 s anında hesaplayın. g(0,2) değerini bulun.
y″ + 7y′ + 10y = 4u′ + 10ut = 0,2 s
g(0.2) =
37.Blok diyagramlarOrta
G(s) = 5/(s + 10) sistemi, algılayıcısının kazancı H = 0,25 olan bir negatif geri besleme çevriminde denetleniyor. Kapalı çevrimin zaman sabitini τ bulun.
G(s) = 5/(s + 10)H = 0,25
τ = s
38.Blok diyagramlarZor
K oransal denetleyicisi, G(s) = 1/(s + 7) sistemini birim negatif geri besleme çevriminde sürüyor. R = 0 iken sistem girişine 2 büyüklüğünde bir bozucu basamağı giriyor. Kararlı hal çıkışını 0,02857 değerinin altında ya da eşit tutan en küçük K kazancını bulun.
G(s) = 1/(s + 7)D = 2css ≤ 0,02857
K =
39.Basamak yanıtıOrta
Bir sistemin transfer fonksiyonu G(s) = 6/(s² + 4s + 12)’dır ve birim basamak girişi alıyor. Kutuplar s = σ ± jωd’dir. Gerçek kısmı σ bulun.
G(s) = 6/(s² + 4s + 12)
σ =
40.Basamak yanıtıZor
Birim negatif geri beslemeli bir çevrimde G(s) = K/(s(s + 6)). %15 aşımlı bir basamak yanıtı veren K kazancını bulun.
G(s) = K/(s(s + 6))%OS = 15 %
K =
41.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiOrta
G(s) = 5/(5s + 1) prosesi, birim geri beslemeli bir çevrimde K = 2 orantılı kazancıyla denetlenmektedir. Bir basamak için kalıcı durum hatasını (ess), basamak büyüklüğünün yüzdesi olarak bulun.
G(s) = 5/(5s + 1)K = 2
ess = %
42.Kalıcı durum hatası ve PID denetimiZor
K = 25 orantılı denetleyicisi, birim geri beslemeli bir çevrimde G(s) = 5/(s(s + 6)) sistemini sürmektedir. ts ≈ 4/(ζωₙ) kullanarak basamak yanıtının %2 yerleşme süresini ts bulun.
G(s) = 5/(s(s + 6))K = 25
ts = s
3Çözeltiler
1.Kiriş mesnet tepkileri
Cevap: RB = 44 kN
Statik denge: durgun bir cisim için herhangi bir noktaya göre ΣFx = 0, ΣFy = 0 ve ΣM = 0. Bir mesnede göre moment almak o mesnedin tepkisini denklemden çıkarır.
Serbest cisim diyagramı
Mesnetleri tepki kuvvetleriyle değiştirin. Kayıcı mesnet bir düşey tepki verir; yalnızca düşey yükler varsa sabit mafsal da bir düşey tepki verir.
Denge
A’ya göre momentler, saat yönünün tersi pozitif. Ardından düşey kuvvet dengesi.
ΣMA = 0: RB·5 = 50·2 + 40·3
RB = 220/5 = 44 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 44 = 46 kN
Cevap
RB = 44 kN
2.Kiriş mesnet tepkileri
Cevap: RB = 27 kN
Statik denge: durgun bir cisim için herhangi bir noktaya göre ΣFx = 0, ΣFy = 0 ve ΣM = 0. Bir mesnede göre moment almak o mesnedin tepkisini denklemden çıkarır.
Serbest cisim diyagramı
Mesnetleri tepki kuvvetleriyle değiştirin. Kayıcı mesnet bir düşey tepki verir; yalnızca düşey yükler varsa sabit mafsal da bir düşey tepki verir.
Denge
A’ya göre momentler, saat yönünün tersi pozitif. Ardından düşey kuvvet dengesi.
Yayılı yük bileşkesi: W = w·ℓ = 8·2 = 16 kN, x̄ = 3 m noktasında etkir
ΣMA = 0: RB·4 = 20·3 + 8·2·3
RB = 108/4 = 27 kN
ΣFy = 0: RA = 36 − 27 = 9 kN
Cevap
RB = 27 kN
3.Eksenel gerilme ve şekil değiştirme
Cevap: ε = 1567 µε
Hooke yasası: elastik bölgede σ = E·ε. σ = P/A ve ε = δ/L ile birleştirince δ = PL/(AE) elde edilir.
Gerilme
A = π·25²/4 = 490,9 mm²
σ = P/A = 90·1000/490,9 = 183,3 MPa
Birim şekil değiştirme (Hooke yasası)
E for bakır = 117 GPa = 117000 MPa.
ε = σ/E = 183,3/117000 = 0,001567 = 1567 µε
Cevap
ε = 1567 µε
4.Eksenel gerilme ve şekil değiştirme
Cevap: Pmax = 860,8 kN
İki malzeme:seride (art arda) her kesim aynı kuvveti taşır ve uzamalar toplanır: δ = P·Σ L/(E·A). Paralelde (rijit levhalar arasında yan yana) iki parça da aynı miktarda kısalır, yani birim şekil değiştirmeleri eşittir: daha rijit parça daha büyük payı alır, Pi = P·EiAi/ΣEA ve σi = Ei·ε. Birleşim yerinde yük bulunan, iki rijit duvar arasına tutturulmuş bir çubuk statik belirsizdir: iki kesim yükü rijitlikleri k = EA/L ile orantılı olarak paylaşır.
Alanlar
Ar = π·30²/4 = 706,9 mm²
At = π(120² − 50²)/4 = 9346 mm²
Birleşik eksenel rijitlik
ΣEA = 200·10³·706,9 + 100·10³·9346 = 1,076 × 10⁹ N
Belirleyici birim şekil değiştirme
ε = min(0,0008, 0,0008) = 0,0008 (pirinç)
En büyük yük
Pmax = 0,0008·1,076 × 10⁹ = 860796 N = 860,8 kN
Cevap
Pmax = 860,8 kN
5.Millerin burulması
Cevap: d = 50,94 mm
Dairesel millerin burulması: kayma gerilmesi merkezde sıfırdan yüzeyde τmax = T·r/J değerine doğrusal artar; dolu mil için J = πd⁴/32, içi boş mil için J = π(do⁴ − di⁴)/32. Burulma açısı radyan cinsinden φ = TL/(GJ)’dir. Güç ve tork P = T·ω ile bağlıdır.
Uygulamada bir sonraki standart ölçüye yuvarlarsınız.
6.Millerin burulması
Cevap: τmax = 127,3 MPa
Dairesel millerin burulması: kayma gerilmesi merkezde sıfırdan yüzeyde τmax = T·r/J değerine doğrusal artar; dolu mil için J = πd⁴/32, içi boş mil için J = π(do⁴ − di⁴)/32. Burulma açısı radyan cinsinden φ = TL/(GJ)’dir. Güç ve tork P = T·ω ile bağlıdır.
İç torklar
TC’nin yönü pozitif alınmıştır.
TBC = TC = 200 N·m
TAB = TC − TB = 200 − 100 = 100 N·m
En büyük kayma gerilmesi
İç torku en büyük olan parçada gerilme en büyüktür (aynı çap).
|T|max = 200 N·m
τmax = 16·200000/(π·20³) = 127,3 MPa
Cevap
τmax = 127,3 MPa
7.Kesme kuvveti ve eğilme momenti
Cevap: Mx = 7,5 kN·m
Kesit yöntemi: iç kuvvetleri istediğiniz yerde kirişi kesin ve bir tarafı tutun. Kesme kuvveti V o taraftaki düşey kuvvetleri, eğilme momenti M ise onların kesite göre momentlerini dengeler.
Mesnet tepkileri
Tüm kirişin dengesi.
Yayılı yük bileşkesi: W = w·ℓ = 4·4 = 16 kN, x̄ = 2 m noktasında etkir
ΣMA = 0: RB·4 = 4·4·2
RB = 32/4 = 8 kN
ΣFy = 0: RA = 16 − 8 = 8 kN
x = 2,5 m noktasında kesin ve sol parçayı tutun
Yalnızca kesitin solundaki kuvvetler dikkate alınır. Yayılı yükün bir kısmı, o kısmın ortasında tek bir kuvvet gibi etkir.
M = RA·x − (kesitin solundaki her yük × kesite uzaklığı)
Mx = 8·2,5 − 4·2,5·1,25 = 7,5 kN·m
Cevap
Mx = 7,5 kN·m
8.Kesme kuvveti ve eğilme momenti
Cevap: E (x = 8 m)
En büyük eğilme momenti: M, kesme kuvvetinin değiştiği her yerde eğim değiştirir, yani tepeleri kesme kuvvetinin sıfırdan geçtiği yerlerdedir: tekil bir yükün altında, yayılı bir yükün içinde veya bir konsolun mesnedi üzerinde. Konsol kirişin ankastre mesnedinde moment duvarda en büyüktür. M’nin büyüklüğünü o yerlerde, sehim yapan veya yapmayan, karşılaştırın.
Mesnet tepkileri
Bir mesnete göre moment alın, sonra düşey kuvvet dengesini kullanın.
R1 = 17 kN, R2 = 77 kN
Her işaretteki eğilme momenti
Kesimin bir yanındaki tüm kuvvetlerin momentlerini toplayın. Sehim yapan pozitif, tersi negatiftir.
MA = 0, MB = 18, MC = 4, MD = −42, ME = −120 kN·m, MF = −60, MG = 0
Cevap
İşaret E: ME = −120 kN·m
9.Mohr dairesi ve gerilme dönüşümü
Cevap: θs = −76,72 °
Düzlem gerilme dönüşümü: θ kadar döndürülmüş bir düzlemde σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Mohr dairesi tüm düzlemleri bir arada gösterir: merkezi C = (σₓ + σᵧ)/2, yarıçapı R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) değerindedir. Asal gerilmeler C ± R, düzlem içi en büyük kayma gerilmesi ise R’dir.
Dairedeki açı
Mohr dairesinde tepe noktası (+R), asal nokta σ₁’den 90° uzaktadır; elemanda bu 45°’dir.
cos 2θs = −40/44,72 = −0,8944, sin 2θs = −20/44,72 = −0,4472
2θs = atan2(−20, −40) = −153,4°
Elemandaki açı
θs = −76,72°
kontrol: θs − θp = −76,72 − (−31,72) = −45°
Cevap
θs = −76,72°
Pozitif açılar saat yönünün tersinedir.
10.Mohr dairesi ve gerilme dönüşümü
Cevap: σθ = 53,96 MPa
Düzlem gerilme dönüşümü: θ kadar döndürülmüş bir düzlemde σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Mohr dairesi tüm düzlemleri bir arada gösterir: merkezi C = (σₓ + σᵧ)/2, yarıçapı R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²) değerindedir. Asal gerilmeler C ± R, düzlem içi en büyük kayma gerilmesi ise R’dir.
Dönüşüm denklemi
σθ = −5 + 35·0,342 + 50·0,9397 = 53,96 MPa
Cevap
σθ = 53,96 MPa
11.Kiriş sehimi
Cevap: δB = 13,46 mm
Kiriş sehimi: sehimler, M/(EI) eğriliğinin iki kez integre edilmesiyle bulunur. Standart durumlar tablolanmıştır; örneğin uçtan yüklü konsol için PL³/(3EI) ve tüm açıklıkta düzgün yüklü basit kiriş için 5wL⁴/(384EI). Ayrı yüklerin sehimleri toplanır (süperpozisyon).
Tutarlı birimler
N ve mm ile çalışın: P N, w N/mm (kN/m = N/mm), L mm, E N/mm² (GPa × 1000), I mm⁴.
P = 3000 N, a = 1500 mm, L = 3000 mm
EI = 6,27 × 10¹¹ N·mm²
Serbest uçtaki sehim
Yükteki sehim artı yükteki eğim çarpı kalan uzunluk.
δP = Pa³/(3EI) = 5,383 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,005383 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 13,46 mm
Cevap
δB = 13,46 mm
12.Kiriş sehimi
Cevap: δmax = 52,37 mm
Kiriş sehimi: sehimler, M/(EI) eğriliğinin iki kez integre edilmesiyle bulunur. Standart durumlar tablolanmıştır; örneğin uçtan yüklü konsol için PL³/(3EI) ve tüm açıklıkta düzgün yüklü basit kiriş için 5wL⁴/(384EI). Ayrı yüklerin sehimleri toplanır (süperpozisyon).
Tutarlı birimler
N ve mm ile çalışın: P N, w N/mm (kN/m = N/mm), L mm, E N/mm² (GPa × 1000), I mm⁴.
P = 23000 N, b = 2000 mm, L = 6000 mm
EI = 1,7 × 10¹² N·mm²
En büyük değerin konumu
Uzun parçadaki eğimi sıfıra eşitlemek konumu verir.
x = √((L² − b²)/3) = √((6000² − 2000²)/3) = 3266 mm
En büyük sehim
δmax = Pb(L² − b²)3/2/(9√3·EIL) = 52,37 mm
Cevap
δmax = 52,37 mm
13.Kolon burkulması
Cevap: Pcr = 24,22 kN
Euler burkulması: narin bir kolon Pcr = π²EI/(KL)² değerinde kararsız olur; KL burkulma boyudur: mafsallı–mafsallı için K = 1, ankastre–serbest için 2, ankastre–mafsallı için 0,7 ve ankastre–ankastre için 0,5. En küçük I’ya sahip eksen etrafında burkulur. Formül, kritik gerilmesi akma gerilmesinin altında kalan narin kolonlar için geçerlidir.
En küçük atalet momenti
Dairesel kesitin I değeri her eksene göre aynıdır.
Euler burkulması: narin bir kolon Pcr = π²EI/(KL)² değerinde kararsız olur; KL burkulma boyudur: mafsallı–mafsallı için K = 1, ankastre–serbest için 2, ankastre–mafsallı için 0,7 ve ankastre–ankastre için 0,5. En küçük I’ya sahip eksen etrafında burkulur. Formül, kritik gerilmesi akma gerilmesinin altında kalan narin kolonlar için geçerlidir.
En küçük atalet momenti
Dairesel kesitin I değeri her eksene göre aynıdır.
I = πd⁴/64 = π·30⁴/64 = 39761 mm⁴
Atalet yarıçapı ve narinlik
A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,5·3000 = 1500 mm
KL/r = 1500/7,5 = 200
Kritik gerilme
σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/200² = 49,35 MPa
Cevap
σcr = 49,35 MPa
15.Eğik atış
Cevap: H = 14,48 m
Eğik atış: hava direnci yokken x = vxt ve y = h + vyt − ½gt². İki yön, aynı süreyi paylaşmaları dışında birbirinden bağımsızdır.
Atış hızını bileşenlerine ayırın
Yatay hız sabittir; düşey hareketin aşağı doğru sabit ivmesi g = 9,81 m/s² değerindedir.
vx = v0·cos θ = 22·cos 50° = 14,14 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 50° = 16,85 m/s
En yüksek nokta
Tepede düşey hız sıfırdır: vy² = 2gH.
H = vy²/(2g) = 16,85²/(2·9,81) = 14,48 m
Cevap
H = 14,48 m
16.Eğik atış
Cevap: v = 29,06 m/s
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
Atış hızını bileşenlerine ayırın
vx = 16·cos 20° = 15,04 m/s
vy0 = 16·sin 20° = 5,472 m/s
Çarpmadaki düşey hız
Düşey yönde enerji veya v² = v₀² + 2as.
vy = √(5,472² + 2·9,81·30) = 24,87 m/s
Çarpma hızı
v = √(15,04² + 24,87²) = 29,06 m/s
Cevap
v = 29,06 m/s
Enerjiyle kontrol edin: v² = v₀² + 2gh.
17.İş ve enerji
Cevap: P = 38,16 kW
İş–enerji ilkesi: kinetik enerjideki değişim tüm kuvvetlerin işine eşittir. Yer çekimi ve yayları potansiyel enerji (mgh ve ½kx²) olarak yazmak bunu bir denkliğe çevirir: ilk enerji = son enerji + sürtünmeyle kaybedilen enerji (μN·d). Güç, kuvvet çarpı hızdır: P = F·v.
İtici kuvvet
m·g = 1500·9,81 = 14715 N
mg·sin θ = 14715·sin 4° = 1026 N
F = 1026 + 500 = 1526 N
Güç
v = 90/3,6 = 25 m/s
P = F·v = 1526·25 = 38162 W = 38,16 kW
Cevap
P = 38,16 kW
18.İş ve enerji
Cevap: v = 4,091 m/s
İş–enerji ilkesi: kinetik enerjideki değişim tüm kuvvetlerin işine eşittir. Yer çekimi ve yayları potansiyel enerji (mgh ve ½kx²) olarak yazmak bunu bir denkliğe çevirir: ilk enerji = son enerji + sürtünmeyle kaybedilen enerji (μN·d).
Açığa çıkan ve kaybolan enerji
m₂g·d = 49,05·1,5 = 73,58 J
μ·m₁g·d = 0,15·29,43·1,5 = 6,622 J
İki bloğun kinetik enerjisi
½(m₁ + m₂)v² = 66,95 → v = √(2·66,95/8) = 4,091 m/s
Cevap
v = 4,091 m/s
19.Mekanik titreşimler
Cevap: fd = 10,07 Hz
Kütle–yay sisteminin serbest titreşimi: sönümsüz doğal frekans rad/s cinsinden ωn = √(k/m) ve Hz cinsinden fn = ωn/(2π)’dir. Viskoz bir sönümleyici c, ζ = c/cc sönüm oranını verir; kritik sönüm cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn’dir. Az sönümlü bir sistem (ζ < 1) ωd = ωn·√(1 − ζ²) ile salınır. Paralel yaylar toplanır, k = k₁ + k₂; seri yaylar tersleriyle toplanır, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Sönümsüz doğal frekans
ωn = √(50000/8) = 79,06 rad/s
fn = 79,06/(2π) = 12,58 Hz
Sönümlü doğal frekans
fd = fn·√(1 − ζ²) = 12,58·√(1 − 0,6²) = 10,07 Hz
Cevap
fd = 10,07 Hz
20.Mekanik titreşimler
Cevap: fn = 18,15 Hz
Kütle–yay sisteminin serbest titreşimi: sönümsüz doğal frekans rad/s cinsinden ωn = √(k/m) ve Hz cinsinden fn = ωn/(2π)’dir. Viskoz bir sönümleyici c, ζ = c/cc sönüm oranını verir; kritik sönüm cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn’dir. Az sönümlü bir sistem (ζ < 1) ωd = ωn·√(1 − ζ²) ile salınır. Paralel yaylar toplanır, k = k₁ + k₂; seri yaylar tersleriyle toplanır, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.
Eşdeğer rijitlik
Yan yana yaylar aynı uzamayı paylaşır ve kuvvetleri toplanır, bu yüzden rijitlikleri doğrudan toplanır: k = k1 + k2.
keq = 60 + 5 = 65 kN/m
Doğal frekans
ωn = √(65000/5) = 114 rad/s
fn = 114/(2π) = 18,15 Hz
Cevap
fn = 18,15 Hz
21.Isı makineleri ve soğutucular
Cevap: Q̇H = 10,01 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.
Mutlak sıcaklıklar
TH = 35 + 273,15 = 308,1 K
TL = 4 + 273,15 = 277,1 K
Tersinir ısı oranı
Q̇H = Q̇L·TH/TL = 9·308,1/277,1 = 10,01 kW
Cevap
Q̇H = 10,01 kW
Giriş gücü: Ẇ = 1,007 kW.
22.Isı makineleri ve soğutucular
Cevap: Q̇L = 46,19 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.
Mutlak sıcaklıklar
TH = 500 + 273,15 = 773,1 K
T0 = 25 + 273,15 = 298,1 K
TL = -10 + 273,15 = 263,1 K
Makine işi
η = 1 − 298,1/773,1 = 0,6144
Ẇ = 0,6144·10 = 6,144 kW
Soğutucunun çektiği ısı
COPR = 263,1/(298,1 − 263,1) = 7,519
Q̇L = 7,519·6,144 = 46,19 kW
Cevap
Q̇L = 46,19 kW
23.Gaz güç çevrimleri
Cevap: T3 = 1575 K
Diesel çevrimi (sıkıştırma ateşlemeli motor): 1→2 izantropik sıkıştırma, 2→3 sabit basınçta ısı girişi, 3→4 izantropik genişleme, 4→1 sabit hacimde ısı atımı. Sıkıştırma oranı r = v₁/v₂ ve kesme oranı rc = v₃/v₂ ile: T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) ve η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1)).
Sıkıştırma sonu
T2 = 305·220,4 = 1050 K
Sabit basınçta ısı girişi
T3 = rc·T2 = 1,5·1050 = 1575 K
Cevap
T3 = 1575 K
24.Gaz güç çevrimleri
Cevap: wnet = 475,8 kJ/kg
Brayton çevrimi (gaz türbini): 1→2 izantropik sıkıştırma, 2→3 sabit basınçta ısı girişi, 3→4 türbinde izantropik genişleme, 4→1 sabit basınçta ısı atımı. Basınç oranı rp = P₂/P₁ ile: T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k ve η = 1 − 1/rp(k−1)/k. Net iş w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. İzantropik verimlerle kompresör ws/ηc gerektirir, türbin ηt·ws verir.
İzantropik sıcaklıklar
T2 = 288·180,2857 = 657,7 K
T4 = 1500/180,2857 = 656,8 K
Kompresör ve türbin işi
wc = 1,005·(657,7 − 288) = 371,6 kJ/kg
wt = 1,005·(1500 − 656,8) = 847,4 kJ/kg
Net iş
wnet = 847,4 − 371,6 = 475,8 kJ/kg
Cevap
wnet = 475,8 kJ/kg
Geri iş oranı: wc/wt = 43,85%.
25.Süreklilik ve Bernoulli
Cevap: v = 7,616 m/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Durma noktasına Bernoulli
Akış uçta durur, bu yüzden kinetik enerjisi ek basınç olarak ortaya çıkar.
p0 − p = ½ρv²
v = √(2·29000/1000) = 7,616 m/s
Cevap
v = 7,616 m/s
26.Süreklilik ve Bernoulli
Cevap: Q = 2,603 L/s
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
Hortumdaki hız
Yüzey ve çıkış ikisi de havaya açıktır, bu yüzden basınç terimleri sadeleşir.
Boru akışı: Reynolds sayısı Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ, laminer akışı (Re yaklaşık 2000’in altında) türbülanslı akıştan (yaklaşık 4000’in üstünde) ayırır. Boru boyunca sürtünme, Darcy–Weisbach yük kaybına hf = f·(L/D)·V²/(2g) yol açar. Bağlantı parçaları, vanalar, giriş ve çıkış yerel kayıplar hm = ΣK·V²/(2g) ekler. İki açık hazne yüzeyi arasında enerji denklemi, çıkış kaybı K = 1 dahil, Δz = hf + hm verir.
Ortalama hız
A = π·0,15²/4 = 0,01767 m²
V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
Hız yüksekliği
V²/(2g) = 2,829²/(2·9,81) = 0,408 m
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(200/0,15)·2,829²/(2·9,81) = 10,88 m
Cevap
hf = 10,88 m
28.Boru sürtünmesi ve yük kaybı
Cevap: Q = 86,43 L/s
Boru akışı: Reynolds sayısı Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ, laminer akışı (Re yaklaşık 2000’in altında) türbülanslı akıştan (yaklaşık 4000’in üstünde) ayırır. Boru boyunca sürtünme, Darcy–Weisbach yük kaybına hf = f·(L/D)·V²/(2g) yol açar. Bağlantı parçaları, vanalar, giriş ve çıkış yerel kayıplar hm = ΣK·V²/(2g) ekler. İki açık hazne yüzeyi arasında enerji denklemi, çıkış kaybı K = 1 dahil, Δz = hf + hm verir.
Kayıp katsayıları
f·L/D = 0,022·100/0,15 = 14,67
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 + 1,0 = 12,4
Enerji denklemi
İki yüzey de havaya açıktır ve pratikte durgundur, bu yüzden Δz’nin tamamı boruda kaybolur.
Pompa gücü: suya verilen güç hidrolik güç Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp’dir. Pompada kayıplar olduğu için mil daha fazlasını vermelidir: Pshaft = Ph/ηpump; motor ise Pel = Pshaft/ηmotor çeker. Pompa basma yüksekliği H enerji denkleminden bulunur: statik yükseklik + basınç yüksekliği + tüm sürtünme ve yerel kayıplar.
Hidrolik güç
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,04·10 = 3,924 kW
Mil gücü
Pshaft = Ph/η = 3,924/0,8 = 4,905 kW
Cevap
Pshaft = 4,905 kW
30.Pompalar ve pompa gücü
Cevap: H = 15,66 m
Pompa gücü: suya verilen güç hidrolik güç Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp’dir. Pompada kayıplar olduğu için mil daha fazlasını vermelidir: Pshaft = Ph/ηpump; motor ise Pel = Pshaft/ηmotor çeker. Pompa basma yüksekliği H enerji denkleminden bulunur: statik yükseklik + basınç yüksekliği + tüm sürtünme ve yerel kayıplar.
İki yüzey de açıktır ve pratikte durgundur, bu yüzden basınç ve hız terimleri düşer.
H = Δz + hL = 10 + 5,658 = 15,66 m
Cevap
H = 15,66 m
31.Isı iletimi
Cevap: Q̇ = 34,46 W
Isıl direnç: seri katmanlardan geçen kararlı ısı akışı, seri dirençlerden geçen akım gibi davranır: Q̇ = ΔT/ΣR; iletken bir katman için R = L/(kA), taşınımlı bir yüzey için R = 1/(hA). Her katmandaki sıcaklık düşümü direnciyle orantılıdır.
Katman dirençleri
R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(0,035·8) = 0,7143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,04·8) = 0,1563 K/W
Isı akısı
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 30/0,8705 = 34,46 W
Cevap
Q̇ = 34,46 W
32.Isı iletimi
Cevap: Ts = 20,43 °C
Isıl direnç: seri katmanlardan geçen kararlı ısı akışı, seri dirençlerden geçen akım gibi davranır: Q̇ = ΔT/ΣR; iletken bir katman için R = L/(kA), taşınımlı bir yüzey için R = 1/(hA). Her katmandaki sıcaklık düşümü direnciyle orantılıdır.
Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.
Toplam diş sayısı
N1 + N2 = 2a/m = 2·100/2,5 = 80
Orana göre bölün
N1 = 80/(1 + 4) = 16
N2 = 4·16 = 64
Cevap
N2 = 64
34.Dişliler ve dişli dizileri
Cevap: ND = 30
Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.
Ara mil hızı
nB = nC = 2880·15/24 = 1800 rpm
D dişlisinin diş sayısı
ND = C·nC/nout = 12·1800/720 = 30
Cevap
ND = 30
35.Laplace dönüşümleri
Cevap: f(0.1) = 0,1866
Laplace dönüşümü: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt türevleri s ile çarpmaya çevirir: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standart çiftler: 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); s → s + σ kayması zaman fonksiyonunu e−σt ile çarpar. Rasyonel bir F(s)’in ters dönüşümünü almak için onu kısmi kesirlere ayırın: basit bir p kutbunun kalıntısı A = [(s − p)·F(s)] değerinin s = p’deki değeridir. Son değer teoremi: f(∞) = lims→0 s·F(s); yalnızca s·F(s)’in tüm kutupları sol yarı düzlemdeyse geçerlidir. Başlangıç değeri teoremi: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Laplace dönüşümü: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt türevleri s ile çarpmaya çevirir: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Standart çiftler: 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); s → s + σ kayması zaman fonksiyonunu e−σt ile çarpar. Rasyonel bir F(s)’in ters dönüşümünü almak için onu kısmi kesirlere ayırın: basit bir p kutbunun kalıntısı A = [(s − p)·F(s)] değerinin s = p’deki değeridir. Son değer teoremi: f(∞) = lims→0 s·F(s); yalnızca s·F(s)’in tüm kutupları sol yarı düzlemdeyse geçerlidir. Başlangıç değeri teoremi: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Transfer fonksiyonu
G(s) = Y(s)/U(s) = (4s + 10)/(s² + 7s + 10)
Kısmi kesirler
s² + 7s + 10 = (s + 2)(s + 5)
A = 0,6667, B = 3,333
Darbe yanıtı
g(t) = 0,6667·e−2t + 3,333·e−5t
g(0,2) = 1,673
Cevap
g(0,2) = 1,673
37.Blok diyagramlar
Cevap: τ = 0,08889 s
Blok diyagram cebiri: seri bloklar çarpılır (G₁·G₂), paralel bloklar toplanır (G₁ + G₂) ve ileri yolu G, geri besleme yolu H olan bir çevrim, negatif geri beslemede T = G/(1 + G·H), pozitif geri beslemede G/(1 − G·H) olarak sadeleşir. Önce iç çevrimleri sadeleştirin, sonra dışa doğru ilerleyin. Kapalı çevrim kutupları 1 + G(s)H(s) = 0 karakteristik denkleminin kökleridir. Kararlı bir çevrimde A büyüklüğündeki basamak girişi, A·T(0) kararlı hal çıkışını verir; birim geri beslemede basamağa kararlı hal hatası A/(1 + Kp)’dir, Kp = G(0).
Blok diyagram cebiri: seri bloklar çarpılır (G₁·G₂), paralel bloklar toplanır (G₁ + G₂) ve ileri yolu G, geri besleme yolu H olan bir çevrim, negatif geri beslemede T = G/(1 + G·H), pozitif geri beslemede G/(1 − G·H) olarak sadeleşir. Önce iç çevrimleri sadeleştirin, sonra dışa doğru ilerleyin. Kapalı çevrim kutupları 1 + G(s)H(s) = 0 karakteristik denkleminin kökleridir. Kararlı bir çevrimde A büyüklüğündeki basamak girişi, A·T(0) kararlı hal çıkışını verir; birim geri beslemede basamağa kararlı hal hatası A/(1 + Kp)’dir, Kp = G(0).
Bozucu yanıtı
css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 2·1/(7 + 1K)
K için çözün
7 + 1K = 2·1/0,02857 = 70
K = (70 − 7)/1 = 63
Cevap
K = 63
39.Basamak yanıtı
Cevap: σ = −2
Basamak yanıtı: birinci dereceden bir G(s) = K/(τs + 1) sistemi, U büyüklüğündeki basamağa y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) ile yanıt verir: bir zaman sabiti τ sonra K·U son değerinin %63,2’sine, 4τ sonra %98’ine ulaşır. İkinci dereceden bir G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) sisteminin kutupları s = −ζωₙ ± jωd’dir; ωd = ωₙ√(1 − ζ²). 0 < ζ < 1 için basamak yanıtı aşım yapar: yüzde aşım %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tepe zamanı tp = π/ωd ve %2 yerleşme süresi ts ≈ 4/(ζωₙ). ωₙ ve ζ’yi okumak için paydayı s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile karşılaştırın. Kütle–yay–sönümleyici için ωₙ = √(k/m) ve ζ = c/(2√(km)); seri RLC devresi için ωₙ = 1/√(LC) ve ζ = (R/2)·√(C/L).
Standart biçimle karşılaştırın
Payda s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile eşleşmelidir.
ωₙ² = 12 → ωₙ = 3,464 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·3,464) = 0,5774
Sonuç
σ = −ζωₙ = −4/2 = −2
Cevap
σ = −2
40.Basamak yanıtı
Cevap: K = 33,68
Basamak yanıtı: birinci dereceden bir G(s) = K/(τs + 1) sistemi, U büyüklüğündeki basamağa y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) ile yanıt verir: bir zaman sabiti τ sonra K·U son değerinin %63,2’sine, 4τ sonra %98’ine ulaşır. İkinci dereceden bir G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) sisteminin kutupları s = −ζωₙ ± jωd’dir; ωd = ωₙ√(1 − ζ²). 0 < ζ < 1 için basamak yanıtı aşım yapar: yüzde aşım %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tepe zamanı tp = π/ωd ve %2 yerleşme süresi ts ≈ 4/(ζωₙ). ωₙ ve ζ’yi okumak için paydayı s² + 2ζωₙs + ωₙ² ile karşılaştırın. Kütle–yay–sönümleyici için ωₙ = √(k/m) ve ζ = c/(2√(km)); seri RLC devresi için ωₙ = 1/√(LC) ve ζ = (R/2)·√(C/L).
Kapalı çevrim transfer fonksiyonu
T(s) = K/(s² + 6s + K)
Aşımdan sönüm oranı
ζ = −ln(0,15)/√(π² + ln²(0,15)) = 0,5169
Kazanç
ωₙ = 6/(2ζ) = 5,803 rad/s
K = ωₙ² = 33,68
Cevap
K = 33,68
41.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi
Cevap: ess = 9,091 %
Kalıcı durum hatası: birim geri beslemeli bir çevrimde, açık çevrim transfer fonksiyonu G(s) ise hata E(s) = R(s)/(1 + G(s))’dir ve son değer teoremine göre ess = lims→0 s·E(s). Sistem tipi, G(s)’in s = 0’daki kutup sayısıdır. Hata sabitleri Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) ve Ka = lim s²·G(s)’dir; hepsi s → 0 içindir. A büyüklüğündeki bir basamak ess = A/(1 + Kp), bir A·t rampası A/Kv ve bir A·t²/2 parabolü A/Ka verir. 0 tipi bir çevrim basamağı sonlu bir hatayla izler; 1 tipi bir çevrim basamağı tam olarak, rampayı ise sonlu bir hatayla izler.
Konum sabiti
Kp = 2·5 = 10
Basamak hatası
ess = 100/(1 + 10) = 9,091 %
Cevap
ess = 9,091 %
42.Kalıcı durum hatası ve PID denetimi
Cevap: ts = 1,333 s
P, PI ve PID denetimi: C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s denetleyicisi hata üzerinde etki eder. Orantılı kazanç çevrimi hızlandırır ve 0 tipi bir sistemin hatasını azaltır, ancak onu hiçbir zaman ortadan kaldırmaz. İntegral terimi s = 0’da bir kutup ekler: sistem tipi bir artar ve basamak hatasız izlenir. Türev terimi sönüm ekler. Kazançları seçmek için kapalı çevrim karakteristik polinomunu yazın ve s² + 2ζωns + ωn² ile karşılaştırın. Ardından %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd (ωd = ωn√(1 − ζ²)) ve ts ≈ 4/(ζωn) olur.
Karakteristik polinom
s(s + 6) + 25·5 = s² + 6s + 125
ωₙ ve ζ
ωₙ = √125 = 11,18 rad/s
ζ = 6/(2·11,18) = 0,2683
Yerleşme süresi
ζωₙ = 6/2 = 3
ts ≈ 4/3 = 1,333 s
Cevap
ts = 1,333 s
Yerleşme süresi burada K’ya bağlı değildir: K’yı artırmak yalnızca yanıtın daha hızlı salınmasını sağlar.