مقاومة المواد: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و14 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدة العودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

الإجهاد والانفعال المحوري

الإجهاد العمودي: σ = F/A
الانفعال: ε = ΔL/L
قانون هوك: σ = E·ε
الاستطالة: ΔL = FL/(EA)
الانفعال الحراري: ε_T = α·ΔT

التواء الأعمدة

إجهاد القص: τ = T·r/J
عمود مصمت: J = πd⁴/32
عمود مجوّف: J = π(D⁴ − d⁴)/32
زاوية الالتواء: φ = TL/(GJ)
القدرة: P = T·ω = 2πnT/60

الطريقة

أوجد عزم القصور القطبي للمساحة: J = πd⁴/32 لعمود مصمت.
إجهاد القص عند السطح: τ = T·r/J، حيث r نصف القطر الخارجي.
زاوية الالتواء: φ = TL/(GJ) بالراديان.
إذا أُعطيت القدرة، أوجد العزم أولًا من P = T·ω، حيث ω = 2πn/60.

قوة القص وعزم الانحناء

القص والعزم: V = ΣF على جانب واحد، M = ΣF·d على جانب واحد
إجهاد الانحناء: σ = M·y/I
مستطيل: I = bh³/12
معامل المقطع: W = I/y_max
بسيطة الارتكاز، حمل منتظم: M_max = wL²/8

الطريقة

أوجد ردود أفعال الركائز من اتزان الكمرة كلها.
اقطع الكمرة عند المقطع المطلوب واحتفظ بجانب واحد.
قوة القص: مجموع القوى الرأسية على ذلك الجانب. عزم الانحناء: مجموع عزومها حول المقطع.
لإيجاد أقصى عزم، أوجد الموضع الذي تنعدم فيه قوة القص.

المركز وعزم القصور الذاتي

المركز: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
مستطيل: I = bh³/12
نظرية المحور الموازي: I = I_c + A·d²
مقطع مركّب: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

دائرة مور وتحويل الإجهاد

المركز: C = (σ_x + σ_y)/2
نصف القطر: R = √(((σ_x − σ_y)/2)² + τ_xy²)
الإجهادات الرئيسية: σ_1,2 = C ± R
الاتجاه الرئيسي: tan 2θ_p = 2τ_xy/(σ_x − σ_y)
مستوى مائل: σ_θ = C + (σ_x − σ_y)/2·cos 2θ + τ_xy·sin 2θ

الطريقة

احسب مركز دائرة مور: C = (σx + σy)/2.
احسب نصف القطر: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
الإجهادان الرئيسيان هما C ± R، وأكبر إجهاد قص في المستوى هو R.
الزوايا على الدائرة ضعف الزوايا على العنصر: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

ترخيم الكمرة

حمل مركّز في منتصف البحر: δ = PL³/(48EI)
حمل منتظم، كمرة بسيطة الارتكاز: δ = 5wL⁴/(384EI)
كابولي، حمل طرفي: δ = PL³/(3EI)
كابولي، حمل منتظم: δ = wL⁴/(8EI)
التراكب: δ = δ₁ + δ₂

انبعاج الأعمدة

حمل أويلر: P_cr = π²EI/(KL)²
معامل الطول الفعّال: K = 1 مفصلي–مفصلي، 0,5 مثبَّت–مثبَّت، 0,7 مثبَّت–مفصلي، 2 مثبَّت–حرّ
الإجهاد الحرج: σ_cr = P_cr/A
النحافة: λ = KL/r, r = √(I/A)

2مسائل تدريبية

1.الإجهاد والانفعال المحوريمتوسطة

قضيب مصنوع من مقطع الفولاذ (القطر 30 mm والطول 400 mm وE = 200 GPa) موصول طرفًا بطرف بمقطع من الألومنيوم (القطر 40 mm والطول 400 mm وE = 70 GPa). هو مثبت عند أحد طرفيه ومشدود عند الآخر. أوجد الحمل المحوري P الذي يستطيله بمقدار 0,3 mm إجمالًا.

المقطع 1: الفولاذ, Ø30 mm, 400 mm, E = 200 GPaالمقطع 2: الألومنيوم, Ø40 mm, 400 mm, E = 70 GPaδ = 0,3 mm

P = kN

2.الإجهاد والانفعال المحوريصعبة

القضيب المدرَّج مثبَّت في الجدار ومحمَّل عند طرفه الحر. أوجد الاستطالة الكلية δ.

P = 100 kNالجزء 1: Ø35 mm، 1 m، الألومنيوم (E = 70 GPa)الجزء 2: Ø20 mm، 2 m، الفولاذ (E = 200 GPa)

δ = mm

3.التواء الأعمدةمتوسطة

عمود مصمت من النحاس الأصفر طوله 1 m يحمل عزم التواء 250 N·m. يجب ألّا تتجاوز زاوية الالتواء بين طرفيه 3°. أوجد أصغر قطر d يحقّق هذا الحد.

T = 250 N·mL = 1 mG = 39 GPaφ_allow = 3°

d = mm

4.التواء الأعمدةصعبة

عمود مصمت من الفولاذ قطره 40 mm مثبَّت عند A. يؤثّر عزم التواء 750 N·m عند B على بعد 2,5 m من A، ويؤثّر عزم التواء 250 N·m في الاتجاه المعاكس عند الطرف الحر C، على بعد 2 m إضافية. أوجد مقدار زاوية التواء الطرف C φ_C بالدرجات.

d = 40 mmT_B = 750 N·mT_C = 250 N·mAB = 2,5 mBC = 2 mG = 80 GPa

φ_C = °

5.قوة القص وعزم الانحناءمتوسطة

الكمرة البسيطة الارتكاز تحمل ازدواجًا باتجاه عقارب الساعة M₀ = 35 kN·m عند x = 6 m من A، ولا يوجد حمل آخر. أوجد عزم الانحناء M_x يسار الازدواج مباشرةً. اعتبر العزوم التي تشدّ الألياف السفلية (التقعّر) موجبة، وقوة القص إلى الأعلى على الوجه الأيسر موجبة.

L = 8 mM₀ = 35 kN·m باتجاه عقارب الساعة، عند 6 m

M_x = kN·m

6.قوة القص وعزم الانحناءصعبة

أوجد عزم الانحناء M_x عند المقطع x = 1,5 m من الركيزة A. اعتبر العزوم التي تشدّ الألياف السفلية موجبة، وقوة القص إلى الأعلى على الوجه الأيسر موجبة.

L = 5 mP = 50 kN عند 1,5 mw = 10 kN/m من 0 إلى 5 mx = 1,5 m

M_x = kN·m

7.المركز وعزم القصور الذاتيمتوسطة

لوح أبعاده 120 mm × 240 mm فيه ثقب دائري قطره 50 mm على خطه الرأسي المنصِّف، ومركزه على ارتفاع 84 mm فوق القاع. أوجد عزم القصور الذاتي للمساحة I_x حول المحور الأفقي المار بالمركز الهندسي.

b = 120 mmh = 240 mmd = 50 mmمركز الثقب: y = 84 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

8.المركز وعزم القصور الذاتيصعبة

يُستخدم مقطع T ككمرة والشفة في الأعلى، ويحمل عزم انحناء موجبًا مقداره 10 kN·m. أوجد مقدار إجهاد الانحناء σ_الأعلى عند الحافة العلوية.

b_f = 280 mmt_f = 25 mmt_w = 8 mmh_w = 180 mmM = 10 kN·m

σ_الأعلى = MPa

9.دائرة مور وتحويل الإجهادمتوسطة

عند نقطة σₓ = 130 MPa و σᵧ = 10 MPa. إلى أيّ حد يمكن أن يكبر إجهاد القص τ_xy (مقداره) قبل أن يبلغ أكبر إجهاد رئيسي 140 MPa؟

σ_x = 130 MPaσ_y = 10 MPaσ₁ = 140 MPa

τ_xy = MPa

10.دائرة مور وتحويل الإجهادصعبة

عمود مصمت قطره 30 mm يحمل عزم انحناء مقداره 100 N·m مع عزم التواء 1500 N·m. عند السطح العلوي، حيث يكون إجهاد الانحناء شدًّا وأكبر ما يمكن، أوجد أقصى إجهاد قص في المستوى τ_max.

d = 30 mmM = 100 N·mT = 1500 N·m

τ_max = MPa

11.ترخيم الكمرةمتوسطة

كابولي يحمل حملًا موزّعًا بانتظام w على طوله كله. أوجد الترخيم δ عند الطرف الحر.

w = 15 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (الفولاذ)I = 57 × 10⁶ mm⁴

δ = mm

12.ترخيم الكمرةصعبة

كمرة بسيطة الارتكاز تحمل حملًا موزّعًا بانتظام w. لا يجوز أن يتجاوز ترخيمها البحر/360. أوجد أصغر عزم قصور ذاتي I_req يحقّق هذا الحد.

w = 5 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (خشب إنشائي)

I_req = × 10⁶ mm⁴

13.انبعاج الأعمدةمتوسطة

عمود طوله L من الألومنيوم مثبَّت الطرفين. باستخدام صيغة أويلر أوجد حمل الانبعاج الحرج P_cr.

L = 4 mE = 70 GPa (الألومنيوم)b × h = 20 × 60 mm

P_cr = kN

14.انبعاج الأعمدةصعبة

عمود دائري مصمت طوله L من الفولاذ مثبَّت عند القاعدة ومفصلي عند القمة. يجب أن يحمل 150 kN بمعامل أمان 2 ضد الانبعاج. أوجد أصغر قطر d.

P = 150 kNn = 2L = 6 mE = 200 GPa (الفولاذ)

d = mm

3المحاليل

1.الإجهاد والانفعال المحوري

الإجابة: P = 40,67 kN

مادتان: على التوالي (الواحدة بعد الأخرى) يحمل كل مقطع القوة نفسها وتُجمع الاستطالات: δ = P·Σ L/(E·A). وعلى التوازي (جنبًا إلى جنب بين لوحين صلبين) ينضغط الجزآن بالمقدار نفسه، فتتساوى انفعالاتهما: الجزء الأكثر صلابة يأخذ حصة أكبر، P_i = P·E_iA_i/ΣEA، وσ_i = E_i·ε. القضيب المثبت بين جدارين صلبين مع حمل عند الوصلة غير محدد استاتيكيًا: يتقاسم المقطعان الحمل بنسبة صلابتيهما k = EA/L.

المساحات

A₁ = 706,9 mm², A₂ = 1257 mm²

المرونات

L₁/(E₁A₁) = 400/(200000·706,9) = 2,829 × 10⁻⁶ mm/N

L₂/(E₂A₂) = 400/(70000·1257) = 4,547 × 10⁻⁶ mm/N

الحمل

P = 0,3/7,377 × 10⁻⁶ = 40669 N = 40,67 kN

الإجابة

P = 40,67 kN

2.الإجهاد والانفعال المحوري

الإجابة: δ = 4,668 mm

العناصر المحمَّلة محوريًا: كل جزء منشوري يحقّق δ = PL/(AE). وللعناصر المتوالية تُجمع الاستطالات.

القوة نفسها في الجزأين

الطرف الحر يحمل P، لذا يحمل كل مقطع من القضيب القوة المحورية نفسها P. تتغيّر المساحات والمواد فقط.

A₁ = π·35²/4 = 962,1 mm², A₂ = π·20²/4 = 314,2 mm²

σ₁ = 103,9 MPa

σ₂ = 318,3 MPa

اجمع استطالات الأجزاء

δ₁ = σ₁L₁/E₁ = 103,9·1000/70000 = 1,485 mm

δ₂ = σ₂L₂/E₂ = 318,3·2000/200000 = 3,183 mm

δ = δ₁ + δ₂ = 4,668 mm

الإجابة

δ = 4,668 mm

3.التواء الأعمدة

الإجابة: d = 33,42 mm

التواء الأعمدة الدائرية: يزداد إجهاد القص خطيًا من الصفر في المركز إلى τ_max = T·r/J عند السطح، مع J = πd⁴/32 للعمود المصمت و J = π(d_o⁴ − d_i⁴)/32 للمجوّف. زاوية الالتواء φ = TL/(GJ) بالراديان. ترتبط القدرة والعزم بـ P = T·ω.

عزم القصور القطبي المطلوب

T = 250 N·m = 250000 N·mm

L = 1 m = 1000 mm

G = 39 GPa = 39000 MPa

φ = 3·π/180 = 0,05236 rad

J = TL/(Gφ) = 250000·1000/(39000·0,05236) = 122427 mm⁴

القطر

d = (32J/π)^1/4 = 33,42 mm

الإجابة

d = 33,42 mm

عمليًا تقرّب إلى المقاس القياسي التالي.

4.التواء الأعمدة

الإجابة: φ_C = 2,137 °

عزوم الالتواء الداخلية

اتجاه T_C مأخوذ موجبًا.

T_BC = T_C = 250 N·m

T_AB = T_C − T_B = 250 − 750 = −500 N·m

التواء كل جزء

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

G = 80 GPa = 80000 MPa

φ_AB = −500000·2500/(80000·251327) = −0,06217 rad

φ_BC = 250000·2000/(80000·251327) = 0,02487 rad

التواء الطرف C

φ_C = −0,06217 + 0,02487 = −0,0373 rad → |φ_C| = 2,137°

الإجابة

φ_C = 2,137°

5.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: M_x = −26,25 kN·m

طريقة المقاطع: اقطع الكمرة حيث تريد القوى الداخلية واحتفظ بجانب واحد. توازن قوة القص V القوى الرأسية على ذلك الجانب، ويوازن عزم الانحناء M عزومها حول المقطع. الازدواج المؤثّر يجعل مخطط عزم الانحناء يقفز بمقدار الازدواج.

ردود أفعال الركائز

العزوم حول A، عكس عقارب الساعة موجب: R_B·L − M₀ = 0. الاتزان الرأسي: R_A + R_B = 0.

R_B = M₀/L = 35/8 = 4,375 kN (إلى الأعلى)

R_A = −R_B = −4,375 kN (إلى الأسفل)

اقطع يسار الازدواج مباشرةً

يحتوي الجزء الأيسر على R_A فقط.

M_x = R_A·a = −4,375·6 = −26,25 kN·m

الإجابة

M_x = −26,25 kN·m

6.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: M_x = 78,75 kN·m

طريقة المقاطع: اقطع الكمرة حيث تريد القوى الداخلية واحتفظ بجانب واحد. توازن قوة القص V القوى الرأسية على ذلك الجانب، ويوازن عزم الانحناء M عزومها حول المقطع.

ردود أفعال الركائز

اتزان الكمرة كلها.

محصّلة الحمل الموزّع: W = w·ℓ = 10·5 = 50 kN، تؤثّر عند x̄ = 2,5 m

ΣM_A = 0: R_B·5 = 50·1,5 + 10·5·2,5

R_B = 200/5 = 40 kN

ΣF_y = 0: R_A = 100 − 40 = 60 kN

اقطع عند x = 1,5 m واحتفظ بالجزء الأيسر

تظهر فقط القوى الواقعة يسار المقطع. جزء الحمل الموزّع يعمل كقوة واحدة في منتصف ذلك الجزء.

M = R_A·x − (كل حمل على يسار المقطع × بعده عن المقطع)

M_x = 60·1,5 − 10·1,5·0,75 = 78,75 kN·m

الإجابة

M_x = 78,75 kN·m

7.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: I_x = 135,2 × 10⁶ mm⁴

المقاطع ذات الثقوب: عامل الثقب على أنه مساحة سالبة. المركز الهندسي هو ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂)، حيث A₁ وy₁ للوح الكامل وA₂ وy₂ للثقب. ولعزم القصور الذاتي للمساحة حول المحور المار بالمركز الهندسي، استخدم نظرية المحاور المتوازية لكل جزء واطرح الثقب: I = (I_c1 + A₁d₁²) − (I_c2 + A₂d₂²)، حيث d هي المسافة من المركز الهندسي لكل جزء إلى المحور المار بـ ȳ. للمستطيل I_c = bh³/12 وللدائرة I_c = πd⁴/64.

المركز

ȳ = (28800·120 − 1963·84)/(28800 − 1963) = 122,6 mm

اللوح الكامل حول ȳ

120·240³/12 + 28800·−2,634² = 138,4 × 10⁶ mm⁴

الثقب حول ȳ

π·50⁴/64 + 1963·−38,63² = 3,237 × 10⁶ mm⁴

اطرح

I_x = 135,2 × 10⁶ mm⁴

الإجابة

I_x = 135,2 × 10⁶ mm⁴

8.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: σ_الأعلى = 17,85 MPa

المساحات المركّبة: قسّم المقطع إلى مستطيلات. المركز هو المتوسط الموزون بالمساحة ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. عزم القصور الذاتي حول المحور المركزي يجمع bh³/12 لكل جزء وحدّ المحور الموازي A·d²، حيث d بعد مركز الجزء عن المركز الكلي. إجهاد الانحناء σ = M·y/I.

قسّم إلى مستطيلين

قِس كل y من الحافة السفلية.

الشفة: A_f = 280·25 = 7000 mm², y_f = 180 + 25/2 = 192,5 mm

الجذع: A_w = 8·180 = 1440 mm², y_w = 180/2 = 90 mm

المركز

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (7000·192,5 + 1440·90)/8440 = 175 mm

نظرية المحور الموازي

الشفة: 280·25³/12 + 7000·(192,5 − 175)² = 2,505 × 10⁶ mm⁴

الجذع: 8·180³/12 + 1440·(90 − 175)² = 1,429 × 10⁷ mm⁴

I_x = 2,505 × 10⁶ + 1,429 × 10⁷ = 1,68 × 10⁷ mm⁴

إجهاد الانحناء

تبعد الحافة العلوية h − ȳ عن المحور.

y = 205 − 175 = 29,99 mm

σ = M·y/I = 1 × 10⁷·29,99/1,68 × 10⁷ = 17,85 MPa

الإجابة

σ_الأعلى = 17,85 MPa

9.دائرة مور وتحويل الإجهاد

الإجابة: τ_xy = 36,06 MPa

تحويل الإجهاد المستوي: على مستوى مُدار بزاوية θ، σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. تُظهر دائرة مور جميع المستويات معًا: مركزها عند C = (σₓ + σᵧ)/2 ونصف قطرها R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). الإجهادات الرئيسية هي C ± R، وأكبر إجهاد قص في المستوى هو R.

نصف القطر المطلوب

C = (130 + 10)/2 = 70 MPa

R = σ₁ − C = 140 − 70 = 70 MPa

إجهاد القص

τ_xy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(70² − 60²) = 36,06 MPa

الإجابة

τ_xy = 36,06 MPa

10.دائرة مور وتحويل الإجهاد

الإجابة: τ_max = 283,6 MPa

الإجهادات عند السطح

σ = 32M/(πd³) = 32·100000/(π·30³) = 37,73 MPa

τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·30³) = 282,9 MPa

دائرة مور

C = σ/2 = 18,86 MPa

R = √(18,86² + 282,9²) = 283,6 MPa

الإجابة

τ_max = 283,6 MPa

11.ترخيم الكمرة

الإجابة: δ = 13,32 mm

ترخيم الكمرات: يُحسب الترخيم بتكامل الانحناء M/(EI) مرتين. الحالات القياسية مجدولة، مثل PL³/(3EI) لكابولي بحمل طرفي و 5wL⁴/(384EI) لكمرة بسيطة الارتكاز تحت حمل منتظم كامل. تُجمع ترخيمات الأحمال المنفصلة (التراكب).

وحدات متّسقة

اعمل بالـ N و mm: P بالـ N، w بالـ N/mm (kN/m = N/mm)، L بالـ mm، E بالـ N/mm² (GPa × 1000)، I بالـ mm⁴.

w = 15 N/mm, L = 3000 mm

EI = 1,14 × 10¹³ N·mm²

الترخيم

δ = wL⁴/(8EI) = 15·3000⁴/(8·1,14 × 10¹³) = 13,32 mm

الإجابة

δ = 13,32 mm

12.ترخيم الكمرة

الإجابة: I_req = 266,3 × 10⁶ mm⁴

حدّ الترخيم

δ_allow = L/360 = 5000/360 = 13,89 mm

عزم القصور الذاتي المطلوب

I = 5wL⁴/(384·E·δ_allow) = 5·5·5000⁴/(384·11000·13,89) = 2,663 × 10⁸ mm⁴

I_req = 266,3 × 10⁶ mm⁴

الإجابة

I_req = 266,3 × 10⁶ mm⁴

13.انبعاج الأعمدة

الإجابة: P_cr = 6,909 kN

انبعاج أويلر: يصبح العمود النحيف غير مستقر عند P_cr = π²EI/(KL)²، حيث KL الطول الفعّال: K = 1 لمفصلي–مفصلي، و 2 لمثبَّت–حرّ، و 0,7 لمثبَّت–مفصلي، و 0,5 لمثبَّت–مثبَّت. ينبعج حول المحور ذي أصغر I. تصحّ الصيغة للأعمدة النحيفة التي يبقى إجهادها الحرج دون إجهاد الخضوع.

أصغر عزم قصور ذاتي

ينبعج المستطيل حول محوره الضعيف، باستخدام مكعّب البُعد الأصغر.

I_min = h·b³/12 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

الطول الفعّال

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

الحمل الحرج

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·70000·40000/2000² = 6909 N = 6,909 kN

الإجابة

P_cr = 6,909 kN

14.انبعاج الأعمدة

الإجابة: d = 85,97 mm

الحمل الحرج المطلوب

P_cr = n·P = 2·150000 = 300000 N

KL = 0,7·6000 = 4200 mm

حلّ لإيجاد القطر

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·300000·4200²/(π³·200000))^(1/4) = 85,97 mm

الإجابة

d = 85,97 mm

تحقّق: النحافة KL/r تساوي 195,4، لذا العمود نحيف وتنطبق صيغة أويلر.

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechanics-of-materials