Підготовка до іспиту FE Mechanical: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 42 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Опорні реакції балок

Рівновага
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Рівномірне навантаження
рівнодійна w·L посередині навантаження
Момент
M = F·d

Метод

  1. Накресліть розрахункову схему й замініть кожну опору її реакціями.
  2. Замініть кожне розподілене навантаження однією силою в його центрі ваги.
  3. Візьміть моменти відносно однієї опори, щоб знайти реакцію другої.
  4. Використайте ΣFy = 0, щоб знайти решту реакції, і перевірте другим рівнянням моментів.

Осьове напруження й деформація

Нормальне напруження
σ = F/A
Деформація
ε = ΔL/L
Закон Гука
σ = E·ε
Видовження
ΔL = FL/(EA)
Температурна деформація
εT = α·ΔT

Кручення валів

Дотичне напруження
τ = T·r/J
Суцільний вал
J = πd⁴/32
Порожнистий вал
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Кут закручування
φ = TL/(GJ)
Потужність
P = T·ω = 2πnT/60

Метод

  1. Знайдіть полярний момент інерції: J = πd⁴/32 для суцільного вала.
  2. Дотичне напруження на поверхні: τ = T·r/J, де r — зовнішній радіус.
  3. Кут закручування: φ = TL/(GJ) у радіанах.
  4. Якщо задано потужність, спершу знайдіть крутний момент з P = T·ω, ω = 2πn/60.

Поперечна сила і згинальний момент

Поперечна сила і момент
V = ΣF з одного боку, M = ΣF·d з одного боку
Напруження згину
σ = M·y/I
Прямокутник
I = bh³/12
Момент опору перерізу
W = I/ymax
Шарнірно оперта, рівномірне навантаження
Mmax = wL²/8

Метод

  1. Знайдіть реакції опор з рівноваги всієї балки.
  2. Розріжте балку в потрібному перерізі й залиште одну частину.
  3. Поперечна сила: сума вертикальних сил з цього боку. Згинальний момент: сума їхніх моментів відносно перерізу.
  4. Для максимального моменту знайдіть, де поперечна сила дорівнює нулю.

Коло Мора й перетворення напружень

Центр
C = (σx + σy)/2
Радіус
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Головні напруження
σ1,2 = C ± R
Головний напрямок
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Похила площадка
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Метод

  1. Обчисліть центр кола Мора: C = (σx + σy)/2.
  2. Обчисліть радіус: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Головні напруження дорівнюють C ± R, а найбільше дотичне напруження в площині — R.
  4. Кути на колі вдвічі більші за кути на елементі: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Прогин балки

Зосереджена сила посередині прольоту
δ = PL³/(48EI)
Рівномірне навантаження, шарнірно оперта балка
δ = 5wL⁴/(384EI)
Консоль, сила на кінці
δ = PL³/(3EI)
Консоль, рівномірне навантаження
δ = wL⁴/(8EI)
Метод накладання
δ = δ1 + δ2

Стійкість колон

Критична сила Ейлера
Pcr = π²EI/(KL)²
Коефіцієнт розрахункової довжини
K = 1 шарнір–шарнір, 0,5 защемлення–защемлення, 0,7 защемлення–шарнір, 2 защемлення–вільний кінець
Критичне напруження
σcr = Pcr/A
Гнучкість
λ = KL/r, r = √(I/A)

Рух тіла, кинутого під кутом

Складові
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Положення
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Максимальна висота
H = h + vy²/(2g)
Дальність (рівна поверхня)
R = v0²·sin 2θ/g

Метод

  1. Розкладіть початкову швидкість на складові: vx = v₀·cos θ і vy = v₀·sin θ.
  2. Горизонтальний рух відбувається зі сталою швидкістю; вертикальний — з прискоренням −g.
  3. Знайдіть час польоту з вертикального руху.
  4. Підставте цей час у горизонтальний рух, щоб знайти дальність.

Робота й енергія

Кінетична енергія
Ek = ½mv²
Потенціальна енергія
Ep = mgh
Енергетичний баланс
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Робота сили тертя
W = μ·N·d
Потужність
P = W/t

Механічні коливання

Власна частота
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
Зі статичного прогину
ωn = √(g/δst)
Критичне демпфування
cc = 2√(km) = 2mωn
Коефіцієнт демпфування
ζ = c/cc
Частота загасаючих коливань
ωd = ωn√(1 − ζ²)
Логарифмічний декремент
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
Пружини паралельно
k = k1 + k2
Пружини послідовно
1/k = 1/k1 + 1/k2

Теплові машини й холодильники

ККД
η = W/QH = 1 − QC/QH
ККД Карно
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP холодильника
COPR = QC/W
COP теплового насоса
COPHP = QH/W = COPR + 1
Енергетичний баланс
QH = W + QC

Газові цикли теплових двигунів

Ізоентропний процес, відношення об’ємів
T2/T1 = rk−1
Ізоентропний процес, відношення тисків
T2/T1 = rp(k−1)/k
ККД циклу Отто
η = 1 − 1/rk−1
ККД циклу Дизеля
η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
ККД циклу Брайтона
η = 1 − 1/rp(k−1)/k
Підведена теплота
Отто: cv(T3 − T2) Дизель, Брайтон: cp(T3 − T2)
Корисна робота циклу Брайтона
w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
Ізоентропні ККД
wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
Холодне повітря
k = 1,4, cp = 1,005, cv = 0,718 kJ/(kg·K)

Нерозривність і Бернуллі

Нерозривність
A1v1 = A2v2
Бернуллі
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Витрата
Q = A·v
Площа круга
A = πd²/4

Тертя в трубах і втрати напору

Число Рейнольдса
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Режим течії
ламінарний при Re нижче ≈ 2000, турбулентний при Re вище ≈ 4000
Середня швидкість
V = Q/A, A = π·D²/4
Дарсі–Вейсбах
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Місцеві втрати
hm = ΣK·V²/(2g)
Типові значення K
вхід 0,5, вихід 1,0, коліно 90° ≈ 0,3
Перепад тиску
Δp = ρ·g·hf
Два відкриті резервуари
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Вільний вихід
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Насоси й потужність насосів

Гідравлічна потужність
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Потужність на валу
Pshaft = Ph/ηpump
Електрична потужність
Pel = Pshaft/ηmotor
Напір насоса
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Втрати в системі
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Теплопровідність

Закон Фур’є
Q̇ = kAΔT/L
Термічний опір теплопровідності
R = L/(kA)
Термічний опір тепловіддачі
R = 1/(hA)
Послідовні опори
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
Коефіцієнт теплопередачі U
U = 1/(ΣR·A)

Зубчасті колеса й передачі

Зачеплення коліс
n1·N1 = n2·N2
Крутний момент
T2 = T1·(N2/N1)·η
Потужність
P = T·ω, ω = 2π·n/60
Багатоступенева передача
загальне передаточне відношення = добуток передаточних відношень ступенів

Усталена похибка та ПІД-регулювання

Тип системи
кількість полюсів G(s) у точці s = 0
Константи похибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Східчастий сигнал A
ess = A/(1 + Kp)
Лінійно наростальний сигнал A·t
ess = A/Kv
Параболічний сигнал A·t²/2
ess = A/Ka
ПІД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Цільова система другого порядку
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулювання та часові показники
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Метод

  1. Підрахуйте полюси розімкненого контуру C(s)·G(s) у точці s = 0: це тип системи.
  2. Знайдіть константу похибки, що відповідає входу: Kp для східчастого, Kv для лінійно наростального, Ka для параболічного сигналу.
  3. Застосуйте ess = A/(1 + Kp), A/Kv або A/Ka, або розв’яжіть це відносно потрібного коефіцієнта підсилення.
  4. Для вимоги щодо демпфування чи швидкодії запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Задачі для практики

1.Опорні реакції балокСередня
P1​ = 60 kNP2​ = 30 kNABCRB​ = ?1 m4 m3 m

Балка має нерухому шарнірну опору в A і рухому опору в B на відстані 5 m від A та консоль за B до вільного кінця C. Знайдіть вертикальну реакцію RB, вважаючи напрямок угору додатним.

AB = 5 mAC = 8 mP1 = 60 kN у 1 mP2 = 30 kN у 8 m
RB = kN
2.Опорні реакції балокСкладна
w = 3 kN/mP = 45 kNABRA​RB​ = ?1 m4 m3 m

Шарнірно оперта балка має нерухому шарнірну опору в A і рухому в B. Знайдіть вертикальну опорну реакцію RB.

L = 8 mP = 45 kN у 5 mw = 3 kN/m від 1 до 5 m
RB = kN
3.Осьове напруження й деформаціяСередня
P = ?12400 mm400 mmØ20Ø40δ = 0,3 mm

Стрижень складається з ділянки з сталь (діаметр 20 мм, довжина 400 мм, E = 200 ГПа), з’єднаної кінцем до кінця з ділянкою з бронза (діаметр 40 мм, довжина 400 мм, E = 110 ГПа). Він закріплений з одного кінця й розтягується з іншого. Знайдіть осьове навантаження P, що подовжує його загалом на 0,3 мм.

ділянка 1: сталь, Ø20 mm, 400 mm, E = 200 GPaділянка 2: бронза, Ø40 mm, 400 mm, E = 110 GPaδ = 0,3 mm
P = kN
4.Осьове напруження й деформаціяСкладна
60 kN12600 mm200 mmØ20Ø40σ2​ = ?

Ділянка з сталь (діаметр 20 мм, довжина 600 мм, E = 200 ГПа) і ділянка з алюміній (діаметр 40 мм, довжина 200 мм, E = 70 ГПа) з’єднані кінцем до кінця й закріплені між двома жорсткими стінами. Осьове навантаження 60 кН діє в стику в бік ділянки 2. Знайдіть модуль напруження σ2 в ділянці 2.

ділянка 1: сталь, Ø20 mm, 600 mm, E = 200 GPaділянка 2: алюміній, Ø40 mm, 200 mm, E = 70 GPaP = 60 kN
σ2 = MPa
5.Кручення валівСередня
d = ?T = 100 N·mL = 2,5 m

Суцільний вал (сталь) завдовжки 2,5 m передає обертовий момент 100 N·m. Кут закручування між його кінцями не повинен перевищувати 0,5°. Знайдіть найменший діаметр d, що задовольняє цю умову.

T = 100 N·mL = 2,5 mG = 80 GPaφallow = 0,5°
d = mm
6.Кручення валівСкладна
d = 30 mmT0​ = 250 N·mACBa = 3 mb = 1 m

Суцільний вал (латунь) діаметром 30 mm закріплений обома кінцями A і B у жорстких стінах. У C, на відстані 3 m від A і 1 m від B, прикладено обертовий момент 250 N·m. Знайдіть реактивний момент TA у стіні A.

d = 30 mmT0 = 250 N·ma = 3 mb = 1 m
TA = N·m
7.Поперечна сила і згинальний моментСередня
w = 8 kN/mABпереріз2 m3 m

Знайдіть згинальний момент Mx у перерізі x = 2 m від опори A. Додатними вважайте моменти, що розтягують нижні волокна, і поперечну силу, спрямовану вгору на лівій грані.

L = 5 mw = 8 kN/m від 0 до 5 mx = 2 m
Mx = kN·m
8.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
5 kN/m55 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

Позначки від A до G ділять балку на шість рівних частин. У якій позначці згинальний момент найбільший за величиною, додатний чи від’ємний? Клацніть її на діаграмі.

55 kN @ 12 m5 kN/m, 0–10 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
9.Коло Мора й перетворення напруженьСередня
σx​ = 60σy​ = 30τxy​ = −20MPa

У точці навантаженої деталі σₓ = 60 MPa, σᵧ = 30 MPa і τₓᵧ = −20 MPa (розтяг додатний). Знайдіть кут θp від осі x до напрямку найбільшого головного напруження в межах від −90° до 90°.

σx = 60 MPaσy = 30 MPaτxy = −20 MPa
θp = °
10.Коло Мора й перетворення напруженьСкладна
σx​ = 70σy​ = −10τxy​ = −20MPa

У точці навантаженої деталі σₓ = 70 MPa, σᵧ = −10 MPa і τₓᵧ = −20 MPa (розтяг додатний). Знайдіть нормальне напруження σθ на площадці, нормаль до якої повернута на 45° за годинниковою стрілкою від осі x.

σx = 70 MPaσy = −10 MPaτxy = −20 MPaθ = -45°
σθ = MPa
11.Прогин балкиСередня
w = 12 kN/mδL = 5 m

Шарнірно оперта балка навантажена рівномірно розподіленим навантаженням w по всьому прольоту. Знайдіть найбільший прогин δmax посередині прольоту.

w = 12 kN/mL = 5 mE = 200 GPa (сталь)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
12.Прогин балкиСкладна
w = 12 kN/mδL = 5 m

Шарнірно оперта балка навантажена рівномірно розподіленим навантаженням w. Її прогин не може перевищувати проліт/360. Знайдіть найменший момент інерції Ireq, що задовольняє цю умову.

w = 12 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (конструкційна деревина)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
13.Стійкість колонСередня
PL = 6 m30 × 60 mmпоперечний переріз

Колона довжиною L з матеріалу (алюміній) шарнірно оперта з обох кінців. За формулою Ейлера знайдіть її критичну силу Pcr.

L = 6 mE = 70 GPa (алюміній)b × h = 30 × 60 mm
Pcr = kN
14.Стійкість колонСкладна
PL = 4 md = 50 mmпоперечний переріз

Колона довжиною L з матеріалу (сталь) защемлена внизу й шарнірно оперта вгорі. Знайдіть її гнучкість і критичне напруження σcr за формулою Ейлера.

L = 4 mE = 200 GPa (сталь)d = 50 mm
σcr = MPa
15.Рух тіла, кинутого під кутомСередня
v0​ = 18 m/s65°x = ?

М’яч кидають під кутом 65° до горизонту з рівної поверхні. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть горизонтальну відстань x, яку м’яч пролітає до удару об землю.

v0 = 18 m/sθ = 65°g = 9,81 m/s²
x = m
16.Рух тіла, кинутого під кутомСкладна
h = 10 mv0​ = 30 m/s40°x = ?

М’яч кидають під кутом 40° до горизонту з вершини скелі висотою 10 m. Опором повітря знехтуйте. Знайдіть горизонтальну відстань x, яку м’яч пролітає до удару об землю.

v0 = 30 m/sθ = 40°h = 10 mg = 9,81 m/s²
x = m
17.Робота й енергіяСередня
45°d = 18 mμ = 0,4

Брусок масою 10 kg ковзає 18 m похилою площиною під кутом 45° до горизонту з коефіцієнтом тертя ковзання 0,4. Знайдіть роботу Wf проти сили тертя.

m = 10 kgθ = 45°μ = 0,4d = 18 mg = 9,81 m/s²
Wf = J
18.Робота й енергіяСкладна
h = 12 mR = 3 mv = ?

Візок масою 0,5 kg відпускають без початкової швидкості з висоти 12 m на гладкій трасі, що переходить у вертикальну петлю радіусом 3 m. Знайдіть швидкість v візка у верхній точці петлі.

m = 0,5 kgh = 12 mR = 3 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
19.Механічні коливанняСередня
k = 80 kN/mζ = 0,4m = 250 kg

Маса 250 kg на пружині жорсткістю 80 kN/m має в’язкий демпфер, що дає коефіцієнт демпфування 0,4. Знайдіть частоту загасаючих вільних коливань fd у Hz.

m = 250 kgk = 80 kN/mζ = 0,4
fd = Hz
20.Механічні коливанняСкладна
k1​ = 100k2​ = 25m = 20 kg

Маса 20 kg висить на двох пружинах поруч (паралельно) з жорсткостями k₁ = 100 kN/m і k₂ = 25 kN/m. Маса залишається горизонтальною. Знехтуйте демпфуванням і масами пружин. Знайдіть власну частоту fn вертикальних коливань у Hz.

m = 20 kgk1 = 100 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz
21.Теплові машини й холодильникиСередня
TH​ = 675 °CTL​ = ?EQH​ = 1800 kJQL​ = 585 kJW

Оборотний тепловий двигун (Карно) отримує за цикл 1800 kJ теплоти від резервуара з температурою 675 °C і віддає 585 kJ. Знайдіть температуру TL холодного резервуара в °C.

TH = 675 °CQH = 1800 kJQL = 585 kJ
TL = °C
22.Теплові машини й холодильникиСкладна
550 °CTm​ = ?40 °CABWA​WB​

Два двигуни Карно працюють послідовно. Двигун A отримує теплоту від резервуара з температурою 550 °C і віддає теплоту проміжному резервуару з температурою Tm. Двигун B отримує всю цю теплоту й віддає теплоту резервуару з температурою 40 °C. Обидва двигуни виконують однакову роботу. Знайдіть Tm в °C.

TH = 550 °CTL = 40 °C
Tm = °C
23.Газові цикли теплових двигунівСередня
vP1234qin​qout​

Ідеальний цикл Дизеля має ступінь стиснення r = 14 і ступінь попереднього розширення rc = v₃/v₂ = 2. Використовуйте припущення холодного повітряного стандарту: повітря — ідеальний газ зі сталими теплоємностями, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) і cv = 0,718 kJ/(kg·K). Знайдіть його термічний ККД η у відсотках.

r = 14rc = 2k = 1,4
η = %
24.Газові цикли теплових двигунівСкладна
vP1234qin​qout​

Газотурбінна установка працює за циклом Брайтона зі ступенем підвищення тиску в компресорі 15. Повітря надходить у компресор при 300 K, а в турбіну — при 1400 K. Ізоентропний ККД компресора 85%, турбіни — 92%. Використовуйте припущення холодного повітряного стандарту: повітря — ідеальний газ зі сталими теплоємностями, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) і cv = 0,718 kJ/(kg·K). Знайдіть корисну роботу wnet на кілограм повітря, у kJ/kg.

rp = 15T1 = 300 KT3 = 1400 Kηc = 85%ηt = 92%k = 1,4cp = 1,005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg
25.Нерозривність і БернулліСередня
d1​ = 150 mmd2​ = 100 mm12p1​ − p2​ = 44 kPaQ = ?

Вода тече через горизонтальний витратомір Вентурі з діаметром на вході 150 mm і діаметром горловини 100 mm. Тиск на вході на 44 kPa вищий, ніж у горловині. Нехтуючи втратами, знайдіть витрату Q.

d1 = 150 mmd2 = 100 mmp1 − p2 = 44 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
26.Нерозривність і БернулліСкладна
C210,5 m5 md = 32 mmQ = ?

Шланг із внутрішнім діаметром 32 mm працює як сифон і відбирає воду з відкритого резервуара. Найвища точка шланга C на 0,5 m вище за поверхню води, а вихід (відкритий в атмосферу) на 5 m нижче за поверхню води. Нехтуйте втратами й прийміть g = 9,81 m/s². Знайдіть витрату Q.

d = 32 mmzC = +0,5 mz2 = −5 mg = 9,81 m/s²
Q = L/s
27.Тертя в трубах і втрати напоруСередня
V = 2,7 m/sD = 300 mmL = 100 mf = 0,018

Вода тече із середньою швидкістю 2,7 m/s трубою довжиною 100 m з внутрішнім діаметром 300 mm. Візьміть коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,018 і g = 9,81 m/s². Знайдіть втрати напору на тертя hf.

V = 2,7 m/sL = 100 mD = 300 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²
hf = m
28.Тертя в трубах і втрати напоруСкладна
K = 10вільний вихідH = ?L = 150 m, D = 150 mm, f = 0,0254× коліно (K = 0,3)

Труба довжиною 150 m з внутрішнім діаметром 150 mm (коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,025) виходить з відкритого резервуара й витікає вільним струменем в атмосферу. Місцеві втрати: вхід з гострою кромкою (K = 0,5), 4 колін (K = 0,3 кожне) і засувка (K = 10). Візьміть g = 9,81 m/s². На скільки H поверхня резервуара має бути вищою за вихід труби для витрати 50 L/s?

Q = 50 L/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,025Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×4)Kvalve = 10
H = m
29.Насоси й потужність насосівСередня
PQ = 50 L/sH = 18 m

Під час випробування насос подає 50 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) проти напору 18 m, а його вал споживає 12,3 kW. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть ККД насоса η у відсотках.

Q = 50 L/sH = 18 mPshaft = 12,3 kWg = 9,81 m/s²
η = %
30.Насоси й потужність насосівСкладна
PQ = 80 L/sΔz = 24 mL = 200 m, D = 200 mm, f = 0,018, ΣK = 5

Насос перекачує 80 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) з відкритого нижнього резервуара у верхній бак, поверхня води в якому на 24 m вища. Труба довжиною 200 m має внутрішній діаметр 200 mm і коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,018; сума коефіцієнтів місцевих втрат ΣK = 5 (з урахуванням входу й виходу). Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть напір H, який має створити насос.

Q = 80 L/sΔz = 24 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 5
H = m
31.ТеплопровідністьСередня
Бетон, k = 1,4250 mmЦегла, k = 0,7225 mm25 °C9 °CQ̇ = ?

Стіна складається з 250 mm шару (бетон) і 25 mm шару (цегла), її площа 4 m². Зовнішні поверхні мають 25 °C і 9 °C. Знайдіть тепловий потік Q̇ через стіну.

L1 = 250 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0,72 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 25 °CT3 = 9 °C
Q̇ = W
32.ТеплопровідністьСкладна
Бетон, k = 1,4150 mmСкло, k = 0,9650 mmприміщення 21 °Cнадворі -3 °CTs​ = ?Q̇

Стіна з 150 mm (бетон) і 50 mm (скло) відділяє приміщення при 21 °C від зовнішнього повітря при -3 °C. Коефіцієнти тепловіддачі — 7,7 W/(m²·K) всередині та 25 W/(m²·K) ззовні, площа стіни 15 m². Знайдіть температуру Ts внутрішньої поверхні стіни.

L1 = 150 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 15 m²hi = 7,7 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -3 °C
Ts = °C
33.Зубчасті колеса й передачіСередня
d1​ = 100 mmd2​ = 500 mm1500 rpmn2​ = ?

Шків 100 мм при 1500 об/хв приводить шків 500 мм пасом із прослизанням 2,5 %. Знайдіть частоту обертання n2 веденого шківа.

n1 = 1500 rpmd1 = 100 mmd2 = 500 mms = 2,5 %
n2 = rpm
34.Зубчасті колеса й передачіСкладна
Ns​ = 30вінець нерухомийNp​ = 30nc​ = ?

У планетарній передачі сонячне колесо має 30 зубців, а кожен сателіт — 30 зубців. Вінець (коронне колесо) закріплено, а сонячне колесо обертається з частотою 3000 rpm. Знайдіть частоту обертання nc водила.

Ns = 30Np = 30ns = 3000 rpm
nc = rpm
35.Перетворення ЛапласаСередня
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−8−91

F(s) = (4s + 25)/(s² + 13s + 40). Її оригінал має вигляд f(t) = A·e−5t + B·e−8t. Знайдіть коефіцієнт A розкладом на простіші дроби.

F(s) = (4s + 25)/(s² + 13s + 40)
A =
36.Перетворення ЛапласаСкладна
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Розв’яжіть y″ + 9y′ + 18y = 0 при y(0) = −3 і y′(0) = 11 за допомогою перетворення Лапласа й знайдіть y(0,25).

y″ + 9y′ + 18y = 0y(0) = −3y′(0) = 11t = 0,25 s
y(0.25) =
37.Блок-схемиСередня
R(s)+20s + 1G(s)C(s)2H−

Об’єкт G(s) = 20/(s + 1) керується в контурі від’ємного зворотного зв’язку, датчик якого має коефіцієнт підсилення H = 2. Знайдіть сталу часу τ замкненої системи.

G(s) = 20/(s + 1)H = 2
τ = s
38.Блок-схемиСкладна
R(s)+30регулятор+D(s)+7s + 9об’єктC(s)−

Пропорційний регулятор K = 30 керує об’єктом G(s) = 7/(s + 9) в одиничному від’ємному зворотному зв’язку. Збурення D діє на вході об’єкта (додається до виходу регулятора). За R = 0 подають сходинку збурення розміром 1. Знайдіть усталений вихід css.

K = 30G(s) = 7/(s + 9)D = 1R = 0
css =
39.Перехідна характеристикаСередня
t (s)y(t)1

Система має передатну функцію G(s) = 17/(s² + 6s + 17) і отримує на вході одиничну сходинку. Знайдіть власну частоту ωn в rad/s.

G(s) = 17/(s² + 6s + 17)
ωn = rad/s
40.Перехідна характеристикаСкладна
k = 5000 N/mc = 10 N·s/mm = 0,5 kgF = 50 Nx(t)

Маса m = 0,5 kg висить на пружині k = 5000 N/m з в’язким демпфером c = 10 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). З положення рівноваги в спокої раптово прикладають сталу силу F = 50 N. Знайдіть відсоток перерегулювання %OS зміщення.

m = 0,5 kgk = 5000 N/mc = 10 N·s/mF = 50 N
%OS = %
41.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСередня
r(t) = 2t+Ks(s + 2)C(s)−

Контур з одиничним зворотним зв’язком і G(s) = K/(s(s + 2)) має відпрацьовувати лінійно наростальний сигнал r(t) = 2t з усталеною похибкою 0,1. Знайдіть коефіцієнт підсилення K.

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 2tess = 0,1
K =
42.Усталена похибка та ПІД-регулюванняСкладна
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 4C(s)−

ПІ-регулятор C(s) = Kp + Ki/s керує об’єктом G(s) = 5/(s + 4) у контурі з одиничним зворотним зв’язком. Замкнена система має мати ωₙ = 3 rad/s і ζ = 0,8. Знайдіть інтегральний коефіцієнт Ki.

G(s) = 5/(s + 4)ωₙ = 3 rad/sζ = 0,8
Ki =

3Розчини

1.Опорні реакції балок

Відповідь: RB = 60 kN

Статична рівновага: для тіла в спокої ΣFx = 0, ΣFy = 0 і ΣM = 0 відносно будь-якої точки. Замініть кожне розподілене навантаження його рівнодійною (площею епюри навантаження), прикладеною в центрі ваги епюри, і складіть рівняння моментів відносно опори, щоб виключити її реакцію.

Моменти відносно A

Проти годинникової стрілки — додатний напрямок.

ΣMA = 0: RB·5 = 60·1 + 30·8
RB = 300/5 = 60 kN

Рівновага по вертикалі

RA = 60 + 30 − 60 = 30 kN

Відповідь

RB = 60 kN
2.Опорні реакції балок

Відповідь: RB = 32,63 kN

Статична рівновага: для тіла в спокої ΣFx = 0, ΣFy = 0 і ΣM = 0 відносно будь-якої точки. Моменти відносно однієї опори виключають її реакцію з рівняння.

w = 3 kN/mP = 45 kNABRA​RB​1 m4 m3 m

Розрахункова схема

Замініть опори силами реакції. Рухома опора дає одну вертикальну реакцію; якщо навантаження лише вертикальні, нерухома шарнірна опора теж дає одну вертикальну реакцію.

Рівновага

Моменти відносно A, додатні проти годинникової стрілки. Потім рівновага вертикальних сил.

Рівнодійна розподіленого навантаження: W = w·ℓ = 3·4 = 12 kN, прикладена в x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·8 = 45·5 + 3·4·3
RB = 261/8 = 32,63 kN
ΣFy = 0: RA = 57 − 32,63 = 24,38 kN

Відповідь

RB = 32,63 kN
3.Осьове напруження й деформація

Відповідь: P = 32,4 kN

Два матеріали: при послідовному з’єднанні (один за одним) кожна ділянка сприймає ту саму силу, а подовження додаються: δ = P·Σ L/(E·A). При паралельному (поряд між жорсткими плитами) обидві частини вкорочуються однаково, тож їхні деформації рівні: жорсткіша частина бере більшу частку, Pi = P·EiAi/ΣEA, а σi = Ei·ε. Стрижень, затиснутий між двома жорсткими стінами з навантаженням у стику, статично невизначуваний: дві ділянки ділять навантаження пропорційно жорсткості k = EA/L.

Площі

A₁ = 314,2 mm², A₂ = 1257 mm²

Податливості

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·314,2) = 6,366 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 400/(110000·1257) = 2,894 × 10⁻⁶ mm/N

Навантаження

P = 0,3/9,26 × 10⁻⁶ = 32398 N = 32,4 kN

Відповідь

P = 32,4 kN
4.Осьове напруження й деформація

Відповідь: σ2 = 38,56 MPa

Два матеріали: при послідовному з’єднанні (один за одним) кожна ділянка сприймає ту саму силу, а подовження додаються: δ = P·Σ L/(E·A). При паралельному (поряд між жорсткими плитами) обидві частини вкорочуються однаково, тож їхні деформації рівні: жорсткіша частина бере більшу частку, Pi = P·EiAi/ΣEA, а σi = Ei·ε. Стрижень, затиснутий між двома жорсткими стінами з навантаженням у стику, статично невизначуваний: дві ділянки ділять навантаження пропорційно жорсткості k = EA/L.

Жорсткості

k₁ = 200000·314,2/600 = 104720 N/mm
k₂ = 70000·1257/200 = 439823 N/mm

Частка ділянки 2

F2 = 60000·439823/544543 = 48462 N

Напруження

σ2 = 48462/1257 = 38,56 MPa (стиск)

Відповідь

σ2 = 38,56 MPa
5.Кручення валів

Відповідь: d = 43,7 mm

Кручення круглих валів: дотичне напруження лінійно зростає від нуля в центрі до τmax = T·r/J на поверхні, де J = πd⁴/32 для суцільного вала і J = π(do⁴ − di⁴)/32 для порожнистого. Кут закручування φ = TL/(GJ) у радіанах. Потужність і крутний момент пов’язані як P = T·ω.

Потрібний полярний момент інерції

T = 100 N·m = 100000 N·mm
L = 2,5 m = 2500 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = 0,5·π/180 = 0,008727 rad
J = TL/(Gφ) = 100000·2500/(80000·0,008727) = 358099 mm⁴

Діаметр

d = (32J/π)1/4 = 43,7 mm

Відповідь

d = 43,7 mm

На практиці округлюють до найближчого більшого стандартного розміру.

6.Кручення валів

Відповідь: TA = 62,5 N·m

Кручення круглих валів: дотичне напруження лінійно зростає від нуля в центрі до τmax = T·r/J на поверхні, де J = πd⁴/32 для суцільного вала і J = π(do⁴ − di⁴)/32 для порожнистого. Кут закручування φ = TL/(GJ) у радіанах. Потужність і крутний момент пов’язані як P = T·ω. Коли обидва кінці закріплені, статика дає лише TA + TB = T₀; друге рівняння — умова сумісності (однаковий кут закручування обох частин у навантаженому перерізі).

Рівновага і сумісність деформацій

TA + TB = 250
TA·a = TB·b
TA = 250·1/4 = 62,5 N·m
TB = 250·3/4 = 187,5 N·m

Відповідь

TA = 62,5 N·m
7.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mx = 24 kN·m

Метод перерізів: розріжте балку там, де потрібні внутрішні сили, і залиште одну частину. Поперечна сила V зрівноважує вертикальні сили цієї частини, а згинальний момент M — їхні моменти відносно перерізу.

Опорні реакції

Рівновага всієї балки.

Рівнодійна розподіленого навантаження: W = w·ℓ = 8·5 = 40 kN, прикладена в x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 8·5·2,5
RB = 100/5 = 20 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 20 = 20 kN
w = 8 kN/mABRA​ = 20RB​ = 20переріз2 m3 m

Розріжте в x = 2 m і залиште ліву частину

Враховуються лише сили ліворуч від перерізу. Ділянка розподіленого навантаження діє як одна сила посередині цієї ділянки.

M = RA·x − (кожне навантаження ліворуч від перерізу × його відстань до перерізу)
Mx = 20·2 − 8·2·1 = 24 kN·m

Відповідь

Mx = 24 kN·m
8.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: F (x = 10 m)

Найбільший згинальний момент: нахил M змінюється там, де змінюється поперечна сила, тож його піки лежать там, де поперечна сила проходить через нуль: під зосередженою силою, всередині розподіленого навантаження або над опорою консолі. У жорсткому закладенні консолі момент найбільший біля стіни. Порівняйте величину M у цих місцях, прогинальний чи від’ємний.

Опорні реакції

Візьміть моменти відносно однієї опори, потім використайте баланс вертикальних сил.

R1 = 14 kN, R2 = 91 kN

Згинальний момент у кожній позначці

Додайте моменти всіх сил з одного боку розрізу. Прогин униз додатний, вигин угору від’ємний.

MA = 0, MB = 18, MC = 16, MD = −6, ME = −48, MF = −110 kN·m, MG = 0

Відповідь

Позначка F: MF = −110 kN·m
9.Коло Мора й перетворення напружень

Відповідь: θp = −26,57 °

Перетворення напружень при плоскому напруженому стані: на площадці, повернутій на кут θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Коло Мора показує всі площадки одночасно: його центр C = (σₓ + σᵧ)/2, а радіус R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Головні напруження дорівнюють C ± R, а найбільше дотичне напруження в площині дорівнює R.

στxyCσ1​σ2​

Кут на колі

На колі Мора точка x лежить під кутом 2θp до осі σ; чверть визначається знаками σₓ − σᵧ і τₓᵧ.

2θp = atan2(2·−20, 60 − 30) = −53,13°

Кут на елементі

θp = −26,57°

Відповідь

θp = −26,57°

Додатні кути відлічуються проти годинникової стрілки.

10.Коло Мора й перетворення напружень

Відповідь: σθ = 50 MPa

Перетворення напружень при плоскому напруженому стані: на площадці, повернутій на кут θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Коло Мора показує всі площадки одночасно: його центр C = (σₓ + σᵧ)/2, а радіус R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Головні напруження дорівнюють C ± R, а найбільше дотичне напруження в площині дорівнює R.

Формула перетворення

σθ = 30 + 40·0 + −20·−1 = 50 MPa

Відповідь

σθ = 50 MPa
11.Прогин балки

Відповідь: δmax = 3,052 mm

Прогин балок: прогини отримують подвійним інтегруванням кривини M/(EI). Типові випадки наведено в таблицях, наприклад PL³/(3EI) для консолі із силою на кінці та 5wL⁴/(384EI) для шарнірно опертої балки з рівномірним навантаженням на весь проліт. Прогини від окремих навантажень додаються (принцип накладання).

Узгоджені одиниці

Рахуйте в N і mm: P у N, w у N/mm (kN/m = N/mm), L у mm, E у N/mm² (GPa × 1000), I у mm⁴.

w = 12 N/mm, L = 5000 mm
EI = 3,2 × 10¹³ N·mm²

Прогин

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·12·5000⁴/(384·3,2 × 10¹³) = 3,052 mm

Відповідь

δmax = 3,052 mm
12.Прогин балки

Відповідь: Ireq = 639,2 × 10⁶ mm⁴

Прогин балок: прогини отримують подвійним інтегруванням кривини M/(EI). Типові випадки наведено в таблицях, наприклад PL³/(3EI) для консолі із силою на кінці та 5wL⁴/(384EI) для шарнірно опертої балки з рівномірним навантаженням на весь проліт. Прогини від окремих навантажень додаються (принцип накладання).

Обмеження прогину

δallow = L/360 = 5000/360 = 13,89 mm

Потрібний момент інерції

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·12·5000⁴/(384·11000·13,89) = 6,392 × 10⁸ mm⁴
Ireq = 639,2 × 10⁶ mm⁴

Відповідь

Ireq = 639,2 × 10⁶ mm⁴
13.Стійкість колон

Відповідь: Pcr = 2,591 kN

Втрата стійкості за Ейлером: гнучка колона втрачає стійкість при Pcr = π²EI/(KL)², де KL — розрахункова довжина: K = 1 для шарнір–шарнір, 2 для защемлення–вільний кінець, 0,7 для защемлення–шарнір і 0,5 для защемлення–защемлення. Вона вигинається відносно осі з найменшим I. Формула справедлива для гнучких колон, критичне напруження яких менше за межу текучості.

Найменший момент інерції

Прямокутник втрачає стійкість відносно слабкої осі, з меншим розміром у кубі.

Imin = h·b³/12 = 60·30³/12 = 135000 mm⁴

Розрахункова довжина

KL = 1·6000 = 6000 mm

Критична сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·135000/6000² = 2591 N = 2,591 kN

Відповідь

Pcr = 2,591 kN
14.Стійкість колон

Відповідь: σcr = 39,34 MPa

Втрата стійкості за Ейлером: гнучка колона втрачає стійкість при Pcr = π²EI/(KL)², де KL — розрахункова довжина: K = 1 для шарнір–шарнір, 2 для защемлення–вільний кінець, 0,7 для защемлення–шарнір і 0,5 для защемлення–защемлення. Вона вигинається відносно осі з найменшим I. Формула справедлива для гнучких колон, критичне напруження яких менше за межу текучості.

Найменший момент інерції

Круглий переріз має однаковий I відносно будь-якої осі.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Радіус інерції і гнучкість

A = 1963 mm²
r = √(I/A) = √(306796/1963) = 12,5 mm
KL = 0,7·4000 = 2800 mm
KL/r = 2800/12,5 = 224

Критичне напруження

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/224² = 39,34 MPa

Відповідь

σcr = 39,34 MPa
15.Рух тіла, кинутого під кутом

Відповідь: x = 25,3 m

Рух тіла, кинутого під кутом: без опору повітря x = vxt і y = h + vyt − ½gt². Обидва напрями незалежні, їх пов’язує лише спільний час.

Розкладіть початкову швидкість

Горизонтальна швидкість стала; вертикальний рух має стале прискорення g = 9,81 m/s² донизу.

vx = v0·cos θ = 18·cos 65° = 7,607 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 65° = 16,31 m/s

Час польоту

Старт і приземлення на одній висоті: t = 2vy/g.

t = 2·16,31/9,81 = 3,326 s

Горизонтальна відстань

x = vx·t = 7,607·3,326 = 25,3 m

Відповідь

x = 25,3 m
16.Рух тіла, кинутого під кутом

Відповідь: x = 101 m

Рух тіла, кинутого під кутом: без опору повітря x = vxt і y = h + vyt − ½gt². Обидва напрями незалежні, їх пов’язує лише спільний час.

Розкладіть початкову швидкість

Горизонтальна швидкість стала; вертикальний рух має стале прискорення g = 9,81 m/s² донизу.

vx = v0·cos θ = 30·cos 40° = 22,98 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 40° = 19,28 m/s

Час польоту

Розв’яжіть y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 і візьміть додатний корінь.

0 = 10 + 19,28·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19,28 + √(371,9 + 196,2))/9,81 = 4,395 s

Горизонтальна відстань

x = vx·t = 22,98·4,395 = 101 m

Відповідь

x = 101 m
17.Робота й енергія

Відповідь: Wf = 499,4 J

Теорема про кінетичну енергію: зміна кінетичної енергії дорівнює роботі всіх сил. Якщо записати тяжіння й пружини як потенціальну енергію (mgh і ½kx²), виходить баланс: початкова енергія = кінцева енергія + енергія, втрачена на тертя (μN·d).

Сила тертя

N = mg·cos θ = 98,1·0,7071 = 69,37 N
F = μN = 0,4·69,37 = 27,75 N

Робота проти тертя

Wf = F·d = 27,75·18 = 499,4 J

Відповідь

Wf = 499,4 J
18.Робота й енергія

Відповідь: v = 10,85 m/s

Теорема про кінетичну енергію: зміна кінетичної енергії дорівнює роботі всіх сил. Якщо записати тяжіння й пружини як потенціальну енергію (mgh і ½kx²), виходить баланс: початкова енергія = кінцева енергія + енергія, втрачена на тертя (μN·d). При русі по колу рівнодійна сила, спрямована до центра, має дорівнювати mv²/r.

Швидкість у верхній точці

v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(12 − 6) = 117,7 m²/s²
v = 10,85 m/s

Відповідь

v = 10,85 m/s

Візок ледь проходить петлю при h = 2,5R; тоді у верхній точці N = 0.

19.Механічні коливання

Відповідь: fd = 2,609 Hz

Вільні коливання системи маса–пружина: власна частота без демпфування ωn = √(k/m) у rad/s, і fn = ωn/(2π) у Hz. В’язкий демпфер c дає коефіцієнт демпфування ζ = c/cc, де критичне демпфування cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Недодемпфована система (ζ < 1) коливається з частотою ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жорсткості паралельних пружин додаються, k = k₁ + k₂; послідовних — додаються обернені величини, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Власна частота без демпфування

ωn = √(80000/250) = 17,89 rad/s
fn = 17,89/(2π) = 2,847 Hz

Частота загасаючих коливань

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2,847·√(1 − 0,4²) = 2,609 Hz

Відповідь

fd = 2,609 Hz
20.Механічні коливання

Відповідь: fn = 12,58 Hz

Вільні коливання системи маса–пружина: власна частота без демпфування ωn = √(k/m) у rad/s, і fn = ωn/(2π) у Hz. В’язкий демпфер c дає коефіцієнт демпфування ζ = c/cc, де критичне демпфування cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn. Недодемпфована система (ζ < 1) коливається з частотою ωd = ωn·√(1 − ζ²). Жорсткості паралельних пружин додаються, k = k₁ + k₂; послідовних — додаються обернені величини, 1/k = 1/k₁ + 1/k₂.

Еквівалентна жорсткість

Паралельні пружини мають спільний прогин, а їхні сили додаються, тож жорсткості просто додаються: k = k1 + k2.

keq = 100 + 25 = 125 kN/m

Власна частота

ωn = √(125000/20) = 79,06 rad/s
fn = 79,06/(2π) = 12,58 Hz

Відповідь

fn = 12,58 Hz
21.Теплові машини й холодильники

Відповідь: TL = 35 °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.

Абсолютна температура джерела

TH = 675 + 273,15 = 948,1 K

Відношення теплот оборотного циклу

TL = TH·QL/QH = 948,1·585/1800 = 308,1 K = 35 °C

Відповідь

TL = 35 °C
22.Теплові машини й холодильники

Відповідь: Tm = 295 °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.

Абсолютні температури

TH = 550 + 273,15 = 823,1 K
TL = 40 + 273,15 = 313,1 K

Однакова робота

W = Q·(1 − Tlow/Thigh), а Q/T однакове для кожного резервуара, тож W пропорційна перепаду температур.

Tm = (823,1 + 313,1)/2 = 568,1 K = 295 °C

Відповідь

Tm = 295 °C
23.Газові цикли теплових двигунів

Відповідь: η = 59,26 %

Цикл Дизеля (двигун із запалюванням від стиснення): 1→2 ізоентропне стиснення, 2→3 підведення теплоти при сталому тиску, 3→4 ізоентропне розширення, 4→1 відведення теплоти при сталому об’ємі. Зі ступенем стиснення r = v₁/v₂ і ступенем попереднього розширення rc = v₃/v₂: T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) і η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1)).

Член з попереднім розширенням

(21,4 − 1)/(1,4·(2 − 1)) = 1,171

Термічний ККД

η = 1 − 0,348·1,171 = 59,26%

Відповідь

η = 59,26%
24.Газові цикли теплових двигунів

Відповідь: wnet = 283,1 kJ/kg

Цикл Брайтона (газова турбіна): 1→2 ізоентропне стиснення, 2→3 підведення теплоти при сталому тиску, 3→4 ізоентропне розширення в турбіні, 4→1 відведення теплоти при сталому тиску. Зі ступенем підвищення тиску rp = P₂/P₁: T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k і η = 1 − 1/rp(k−1)/k. Корисна робота w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. З ізоентропними ККД компресор потребує ws/ηc, а турбіна дає ηt·ws.

Ізоентропні температури

T2s = 300·150,2857 = 650,4 K
T4s = 1400/150,2857 = 645,8 K

Робота компресора й турбіни

wc = 1,005·(650,4 − 300)/0,85 = 414,2 kJ/kg
wt = 0,92·1,005·(1400 − 645,8) = 697,3 kJ/kg

Корисна робота

wnet = 697,3 − 414,2 = 283,1 kJ/kg

Відповідь

wnet = 283,1 kJ/kg

Коефіцієнт зворотної роботи: wc/wt = 59,4%.

25.Нерозривність і Бернуллі

Відповідь: Q = 82,25 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.

Нерозривність

v1 = v2·(100/150)² = 0,4444·v2

Рівняння Бернуллі між входом і горловиною

Труба горизонтальна, тож змінюються лише тиск і швидкість.

p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·44000/(1000·(1 − 0,1975))) = 10,47 m/s
v1 = 4,654 m/s

Витрата

Q = A2·v2 = 0,007854·10,47 = 0,08225 m³/s = 82,25 L/s

Відповідь

Q = 82,25 L/s
26.Нерозривність і Бернуллі

Відповідь: Q = 7,966 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.

Швидкість у шлангу

Поверхня і вихід відкриті в атмосферу, тож доданки тиску скорочуються.

v = √(2g·5) = √(2·9,81·5) = 9,905 m/s

Витрата

Q = A·v = 0,0008042·9,905 = 0,007966 m³/s = 7,966 L/s

Відповідь

Q = 7,966 L/s
27.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: hf = 2,229 m

Течія в трубах: число Рейнольдса Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ відрізняє ламінарну течію (Re нижче приблизно 2000) від турбулентної (вище приблизно 4000). Тертя вздовж труби спричиняє втрати напору за Дарсі–Вейсбахом hf = f·(L/D)·V²/(2g). Фітинги, засувки, вхід і вихід додають місцеві втрати hm = ΣK·V²/(2g). Між двома відкритими поверхнями резервуарів рівняння енергії дає Δz = hf + hm, з урахуванням втрат на виході K = 1.

Швидкісний напір

V²/(2g) = 2,7²/(2·9,81) = 0,3716 m

Дарсі–Вейсбах

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(100/0,3)·2,7²/(2·9,81) = 2,229 m

Відповідь

hf = 2,229 m
28.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: H = 15,38 m

Течія в трубах: число Рейнольдса Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ відрізняє ламінарну течію (Re нижче приблизно 2000) від турбулентної (вище приблизно 4000). Тертя вздовж труби спричиняє втрати напору за Дарсі–Вейсбахом hf = f·(L/D)·V²/(2g). Фітинги, засувки, вхід і вихід додають місцеві втрати hm = ΣK·V²/(2g). Між двома відкритими поверхнями резервуарів рівняння енергії дає Δz = hf + hm, з урахуванням втрат на виході K = 1.

Швидкість

V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Коефіцієнти втрат

f·L/D = 0,025·150/0,15 = 25
ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 = 11,7

Рівняння енергії

Струмінь на виході ще має швидкісний напір; це не втрата, але його треба забезпечити.

H = (1 + 25 + 11,7)·0,408 = 15,38 m

Відповідь

H = 15,38 m
29.Насоси й потужність насосів

Відповідь: η = 71,78 %

Потужність насоса: потужність, передана воді, — це гідравлічна потужність Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Вал має передавати більше, бо насос має втрати: Pshaft = Ph/ηpump, а двигун споживає Pel = Pshaft/ηmotor. Напір насоса H випливає з рівняння енергії: геометрична висота підйому + п’єзометричний напір + усі втрати на тертя й місцеві втрати.

Гідравлічна потужність

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,05·18 = 8,829 kW

ККД

η = Ph/Pshaft = 8,829/12,3 = 71,78%

Відповідь

η = 71,78%
30.Насоси й потужність насосів

Відповідь: H = 31,6 m

Потужність насоса: потужність, передана воді, — це гідравлічна потужність Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Вал має передавати більше, бо насос має втрати: Pshaft = Ph/ηpump, а двигун споживає Pel = Pshaft/ηmotor. Напір насоса H випливає з рівняння енергії: геометрична висота підйому + п’єзометричний напір + усі втрати на тертя й місцеві втрати.

Швидкість

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Втрати напору

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 5)·0,3305 = 7,602 m

Напір насоса

Обидві поверхні відкриті й практично нерухомі, тож члени з тиском і швидкістю зникають.

H = Δz + hL = 24 + 7,602 = 31,6 m

Відповідь

H = 31,6 m
31.Теплопровідність

Відповідь: Q̇ = 300,1 W

Термічний опір: усталений тепловий потік через послідовні шари поводиться як струм через послідовні резистори: Q̇ = ΔT/ΣR, де R = L/(kA) для теплопровідного шару і R = 1/(hA) для поверхні з конвекцією. Перепад температури на кожному шарі пропорційний його опору.

Опори шарів

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(1,4·4) = 0,04464 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0,72·4) = 0,008681 K/W

Тепловий потік

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 16/0,05332 = 300,1 W

Відповідь

Q̇ = 300,1 W
32.Теплопровідність

Відповідь: Ts = 11,53 °C

Термічний опір: усталений тепловий потік через послідовні шари поводиться як струм через послідовні резистори: Q̇ = ΔT/ΣR, де R = L/(kA) для теплопровідного шару і R = 1/(hA) для поверхні з конвекцією. Перепад температури на кожному шарі пропорційний його опору.

Послідовні опори

Ri = 1/(hiA) = 1/(7,7·15) = 0,008658 K/W
R1 = L1/(k1A) = (150/1000)/(1,4·15) = 0,007143 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,96·15) = 0,003472 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·15) = 0,002667 K/W
ΣR = 0,02194 K/W

Тепловтрати

Q̇ = (21 − (-3))/0,02194 = 1094 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 21 − 1094·0,008658 = 11,53 °C

Відповідь

Ts = 11,53 °C
33.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: n2 = 292,5 rpm

Пасові передачі: без прослизання обидва шківи мають однакову колову швидкість обода v = π·d·n/60, тож n₁·d₁ = n₂·d₂, а передаточне відношення дорівнює d₂/d₁. Прослизання s робить ведений шків трохи повільнішим: n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s). Передавана потужність P = (T₁ − T₂)·v, де T₁ — натяг ведучої гілки, а T₂ — веденої. Тертя обмежує відношення натягів: T₁/T₂ = eμθ, де θ — кут обхвату в радіанах на меншому шківі; для відкритого паса θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)) при міжосьовій відстані C.

Частота обертання без прослизання

1500·100/500 = 300 rpm

З прослизанням

n2 = 300·0,975 = 292,5 rpm

Відповідь

n2 = 292,5 rpm
34.Зубчасті колеса й передачі

Відповідь: nc = 750 rpm

Планетарні передачі: частоти обертання сонячного колеса, вінця й водила пов’язані формулою Вілліса (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns: відносно водила це звичайна передача, у якій сателіти є паразитними колесами. Якщо закріпити одну ланку, передача стає редуктором з одним передаточним відношенням.

Зубці вінця

Nr = Ns + 2·Np = 30 + 2·30 = 90

Формула Вілліса за нерухомого вінця

Підставте nr = 0 і знайдіть частоту обертання водила.

(3000 − nc)/(0 − nc) = −90/30
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 3000·30/120 = 750 rpm

Відповідь

nc = 750 rpm

Водило обертається в тому самому напрямку, що й сонячне колесо.

35.Перетворення Лапласа

Відповідь: A = 1,667

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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), а зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Розкладіть знаменник на множники

s² + 13s + 40 = (s + 5)(s + 8)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 8)

Правило закривання

Помножте на (s + 5) і покладіть s = −5: доданок із B зникає.

A = (4s + 25)/(s + 8) |s = −5 = 5/3 = 1,667

Відповідь

A = 1,667
(B = 2,333, тож f(t) = 1,667·e−5t + 2,333·e−8t)
36.Перетворення Лапласа

Відповідь: y(0.25) = −1,251

Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 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), а зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Перетворіть рівняння

s²Y − (−3)s − 11 + 9(sY − (−3)) + 18Y = 0
Y(s) = (−3s − 16)/((s + 3)(s + 6))

Простіші дроби

A = −7/3 = −2,333
B = 2/(−3) = −0,6667

Результат

y(t) = −2,333·e−3t − 0,6667·e−6t
y(0,25) = −1,251

Відповідь

y(0,25) = −1,251

Перевірка: y(0) = A + B = −3.

37.Блок-схеми

Відповідь: τ = 0,02439 s

Алгебра блок-схем: блоки, з’єднані послідовно, перемножуються (G₁·G₂), блоки, з’єднані паралельно, додаються (G₁ + G₂), а контур із прямим шляхом G і шляхом зворотного зв’язку H зводиться до T = G/(1 + G·H) для від’ємного зворотного зв’язку та G/(1 − G·H) для додатного. Спершу згортайте внутрішні контури, потім рухайтеся назовні. Полюси замкненої системи — корені характеристичного рівняння 1 + G(s)H(s) = 0. Для стійкого контуру вхідна сходинка розміром A дає усталений вихід A·T(0); за одиничного зворотного зв’язку усталена похибка на сходинку дорівнює A/(1 + Kp), де Kp = G(0).

Передатна функція замкненої системи

T(s) = G/(1 + G·H) = 20/(s + 1 + 40) = 20/(s + 41)

Результат

τ = 1/41 = 0,02439 s

Відповідь

τ = 0,02439 s
38.Блок-схеми

Відповідь: css = 0,03196

Алгебра блок-схем: блоки, з’єднані послідовно, перемножуються (G₁·G₂), блоки, з’єднані паралельно, додаються (G₁ + G₂), а контур із прямим шляхом G і шляхом зворотного зв’язку H зводиться до T = G/(1 + G·H) для від’ємного зворотного зв’язку та G/(1 − G·H) для додатного. Спершу згортайте внутрішні контури, потім рухайтеся назовні. Полюси замкненої системи — корені характеристичного рівняння 1 + G(s)H(s) = 0. Для стійкого контуру вхідна сходинка розміром A дає усталений вихід A·T(0); за одиничного зворотного зв’язку усталена похибка на сходинку дорівнює A/(1 + Kp), де Kp = G(0).

Передатні функції

C/D = G/(1 + K·G) = 7/(s + 9 + 210)

Усталений режим

css = 1·7/219 = 0,03196

Відповідь

css = 0,03196

Більше K зменшує вплив збурення, але з пропорційним регулятором ніколи не до нуля.

39.Перехідна характеристика

Відповідь: ωn = 4,123 rad/s

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Порівняйте зі стандартною формою

Знаменник має збігатися з s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 17 → ωₙ = 4,123 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·4,123) = 0,7276

Результат

ωₙ = 4,123 rad/s

Відповідь

ωn = 4,123 rad/s
40.Перехідна характеристика

Відповідь: %OS = 72,92 %

Перехідна характеристика: система першого порядку G(s) = K/(τs + 1) відповідає на сходинку розміром U як y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): вона досягає 63,2 % кінцевого значення K·U за одну сталу часу τ і 98 % за 4τ. Система другого порядку G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) має полюси s = −ζωₙ ± jωd, де ωd = ωₙ√(1 − ζ²). За 0 < ζ < 1 перехідна характеристика має перерегулювання: відсоток перерегулювання %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), час піку tp = π/ωd, а 2-відсотковий час встановлення ts ≈ 4/(ζωₙ). Порівняйте знаменник із s² + 2ζωₙs + ωₙ², щоб знайти ωₙ і ζ. Для системи маса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) і ζ = c/(2√(km)); для послідовного RLC-кола ωₙ = 1/√(LC) і ζ = (R/2)·√(C/L).

Власна частота й коефіцієнт демпфування

ωₙ = √(k/m) = √(5000/0,5) = 100 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 10/(2·√(5000·0,5)) = 0,1

Результат

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 72,92 %

Відповідь

%OS = 72,92 %
41.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: K = 40

Усталена похибка: у контурі з одиничним зворотним зв’язком і передавальною функцією розімкненої системи G(s) похибка дорівнює E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а за теоремою про кінцеве значення ess = lims→0 s·E(s). Тип системи — це кількість полюсів G(s) у точці s = 0. Константи похибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) і Ka = lim s²·G(s), усі при s → 0. Східчастий сигнал величини A дає ess = A/(1 + Kp), лінійно наростальний A·t дає A/Kv, а параболічний A·t²/2 дає A/Ka. Контур типу 0 відпрацьовує східчастий сигнал зі скінченною похибкою, контур типу 1 відпрацьовує його точно, а лінійно наростальний — зі скінченною похибкою.

Потрібна швидкісна константа

Kv = A/ess = 2/0,1 = 20

Коефіцієнт підсилення

K = 2·Kv = 40

Відповідь

K = 40

Великий коефіцієнт підсилення робить цей контур дуже слабко демпфованим: ζ = 0,1581. Саме через цю суперечність застосовують коригувальні ланки.

42.Усталена похибка та ПІД-регулювання

Відповідь: Ki = 1,8

П-, ПІ- і ПІД-регулювання: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s діє на похибку. Пропорційний коефіцієнт підсилення робить контур швидшим і зменшує похибку об’єкта типу 0, але ніколи не усуває її. Інтегральна складова додає полюс у точці s = 0: тип системи зростає на одиницю, і східчастий сигнал відпрацьовується без похибки. Диференціальна складова додає демпфування. Щоб підібрати коефіцієнти, запишіть характеристичний поліном замкненої системи й порівняйте його з s² + 2ζωns + ωn². Тоді %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd при ωd = ωn√(1 − ζ²), а ts ≈ 4/(ζωn).

Характеристичний поліном

1 + C(s)G(s) = 0, помножене на s(s + 4).

s² + (4 + 5Kp)s + 5Ki

Цільовий поліном

s² + 2·0,8·3s + 3² = s² + 4,8s + 9

Зіставте коефіцієнти

5Ki = 9 → Ki = 1,8

Відповідь

Ki = 1,8

Інтегральна складова робить контур типу 1, тож східчастий сигнал відпрацьовується без усталеної похибки.

Це незалежні навчальні матеріали. ExamProblems не пов’язаний з організацією, що проводить цей іспит, і не схвалений нею; назву іспиту вжито лише для опису змісту. Іспит FE exam проводить NCEES; ця організація не пов’язана з ExamProblems і не підтримує його.

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