الاستاتيكا: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و12 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

المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

المقدار: |a| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
متّجه الوحدة: û = a/|a|
المركّبات من زاوية: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
الضرب القياسي: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
الإسقاط القياسي للمتجه a على المتجه b: a·b/|b|
الشغل: W = F·d
الضرب الاتجاهي: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
المساحات: متوازي الأضلاع |a × b|، المثلث ½|a × b|
العزم حول O: M_O = r × F, r = A − O
حجم متوازي السطوح: V = |a·(b × c)|

الطريقة

اكتب كل متجه بمركّباته؛ وللقوة المعطاة بمقدارها وزاويتها استخدم F·cos θ وF·sin θ.
للأطوال والاتجاهات استخدم المقدار √(x² + y² + z²) ومتجه الوحدة a/|a|.
استخدم الضرب القياسي للزوايا والإسقاطات والتعامد والشغل: a·b = |a||b|cos θ.
استخدم الضرب الاتجاهي للمتجهات المتعامدة والمساحات والعزوم: اكتب المركّبات الثلاث بعناية مع الحفاظ على الترتيب a × b.

ردود أفعال ركائز الكمرات

الاتزان: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
حمل منتظم: المحصّلة w·L في منتصف الحمل
العزم: M = F·d

الطريقة

ارسم مخطط الجسم الحر واستبدل كل ركيزة بردود أفعالها.
استبدل كل حمل موزّع بقوة واحدة عند مركزه.
خذ العزوم حول ركيزة واحدة لإيجاد ردّ الفعل عند الأخرى.
استخدم ΣF_y = 0 لإيجاد ردّ الفعل المتبقي، وتحقّق بمعادلة عزوم ثانية.

الجملون: طريقة العقد

طريقة العقد: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
طريقة المقاطع: ΣM = 0 about a cut point
قوة العضو: موجب = شدّ، سالب = ضغط

الطريقة

أوجد ردود أفعال الركائز للجملون كله.
طريقة العقد: ابدأ بعقدة فيها قوتا عضوين مجهولتان على الأكثر واستخدم ΣF_x = 0 و ΣF_y = 0.
طريقة المقاطع: اقطع عبر العضو المطلوب وخذ العزوم حول نقطة تلتقي فيها الأعضاء المجهولة الأخرى.
افترض الشدّ؛ الإجابة السالبة تعني الضغط.

الإطارات والآلات

اتزان كل عنصر: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
عنصر ثنائي القوة: القوة تعمل على الخط المار بمسماريه
قوة المسمار: متساوية ومتعاكسة على العنصرين اللذين يربطهما
مقدار قوة المسمار: F = √(F_x² + F_y²)
الرافعة، الزرادية، الذراع الزاوية: F_in·a = F_out·b
آلية المفصل الركبي: F_link = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
حمل منتظم: المحصّلة w·L في منتصف الحمل

الطريقة

ارسم الهيكل كاملًا وأوجد ردود أفعال المساند إذا لم يزد عدد المجاهيل على ثلاثة.
حدد العناصر ثنائية القوة: هي محمّلة عند مسمارين فقط، وقوتها تعمل على الخط الواصل بينهما.
فكّك الإطار وارسم كل عنصر على حدة، مع قوى مسامير متساوية ومتعاكسة عند ملتقى العناصر.
لكل عنصر، خذ العزوم حول مسمار تعمل عنده قوى مجهولة، ثم استخدم ΣF_x = 0 وΣF_y = 0؛ واجمع المركّبات في مقدار واحد في النهاية.

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)

2مسائل تدريبية

1.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيمتوسطة

تؤثّر قوة ثابتة F = (−15, 25, 0) N على جسم بينما يتحرّك في خط مستقيم من النقطة A(−1, 3, 5) إلى النقطة B(3, −5, −4). الإحداثيات بالمتر. أوجد الشغل W الذي تبذله القوة.

F = (−15, 25, 0) NA(−1, 3, 5) mB(3, −5, −4) m

W = J

2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة

أوجد مساحة A المثلث الذي رؤوسه A(−2, −4, −4) و B(−4, 1, −2) و C(−2, 0, −4). الإحداثيات بالمتر.

A(−2, −4, −4)B(−4, 1, −2)C(−2, 0, −4)

A = m²

3.ردود أفعال ركائز الكمراتمتوسطة

للكمرة البسيطة الارتكاز مسمار في A وبكرة في B. أوجد ردّ فعل الركيزة الرأسي R_B.

L = 4 mP₁ = 25 kN عند 1 mP₂ = 55 kN عند 2,5 m

R_B = kN

4.ردود أفعال ركائز الكمراتصعبة

للكمرة البسيطة الارتكاز مسمار في A وبكرة في B. أوجد ردّ فعل الركيزة الرأسي R_A.

L = 4 mP = 15 kN عند 2 mw = 8 kN/m من 1 إلى 4 m

R_A = kN

5.الجملون: طريقة العقدمتوسطة

عضو واحد بالضبط في هذا الجمالون لا يحمل قوة تحت هذه الأحمال. أي عضو هو عضو القوة الصفرية؟ انقر عليه في المخطط.

B: 35 kN ↓C: 40 kN ↓D: 35 kN ↓F: 25 kN ↓H: 35 kN ↓

1العضو AB
2العضو BC
3العضو CD
4العضو DE
5العضو FG
6العضو GH
7العضو AF
8العضو HE
9العضو BF
10العضو CG
11العضو DH
12العضو FC
13العضو HC

6.الجملون: طريقة العقدصعبة

استخدم طريقة العقد لإيجاد القوة F_AB في العضو AB. اجعل الشدّ موجبًا والضغط سالبًا.

البحر = 8 mالارتفاع = 3 mتبعد B مسافة 7 m عن Aالحمل الرأسي = 10 kNالحمل الأفقي = 25 kN ←

F_AB = kN

7.الإطارات والآلاتمتوسطة

يقف الإطار A الموضح على مسمار عند A ومسند دحرجي عند B والمسافة بينهما 3 m. تلتقي الساقان عند المسمار C على ارتفاع 3,6 m، والرباط الأفقي DE على ارتفاع 0,8 m فوق الأرض. يؤثر حمل 6 kN عند C. أوجد مقدار القوة C التي يؤثر بها المسمار C على الساق BC.

P = 6 kNAB = 3 mارتفاع C = 3,6 mارتفاع DE = 0,8 m

C = kN

8.الإطارات والآلاتصعبة

ذراع AB أفقية منتظمة وزنها 3 kN مثبتة بمسمار بالجدار عند A ومشدودة بكابل من B إلى النقطة C على الجدار فوق A بمسافة 4 m. يتدلى حمل 4 kN عند B. أوجد مقدار رد فعل المسمار A.

W = 4 kNW_b = 3 kNAB = 6 mAC = 4 m

A = kN

9.قوة القص وعزم الانحناءمتوسطة

الكابولي مثبَّت عند A. يحمل حملًا موزّعًا بانتظام w على طوله كله وحملًا مركّزًا P على بعد 5 m من A. أوجد عزم الانحناء M_x عند المقطع x = 3,5 m من الركيزة المثبَّتة A. اعتبر العزوم التي تشدّ الألياف السفلية (التقعّر) موجبة، وقوة القص إلى الأعلى على الوجه الأيسر موجبة.

L = 5 mP = 80 kN عند 5 mw = 2 kN/m من 0 إلى 5 mx = 3,5 m

M_x = kN·m

10.قوة القص وعزم الانحناءصعبة

تقسم العلامات من A إلى G الكمرة إلى ستة أجزاء متساوية. عند أي علامة يكون عزم الانحناء الأكبر حجمًا، تقعيريًا أو تحدبيًا؟ انقر عليها في المخطط.

45 kN @ 0 m35 kN @ 12 m40 kN @ 4 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)

11.المركز وعزم القصور الذاتيمتوسطة

أوجد عزم القصور الذاتي I_x لمقطع T حول المحور الأفقي x المارّ بمركزه.

b_f = 160 mmt_f = 30 mmt_w = 14 mmh_w = 220 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.المركز وعزم القصور الذاتيصعبة

مقطع I متماثل له شفتان عرض كلٍّ منهما 100 mm وسُمكها 24 mm، وعمق كلي 260 mm، وجذع سُمكه 12 mm. يحمل عزم انحناء مقداره 50 kN·m حول المحور x. أوجد مقدار إجهاد الانحناء σ_j عند ملتقى الجذع والشفة العلوية.

B = 100 mmH = 260 mmt_f = 24 mmt_w = 12 mmM = 50 kN·m

σ_j = MPa

3المحاليل

1.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: W = −260 J

الضرب القياسي: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a|·|b|·cos θ، وهو كمية قياسية. يعطي الزاوية بين متّجهين، cos θ = a·b/(|a|·|b|)، ويساوي صفرًا عندما يكونان متعامدين. المسقط القياسي لـ a على b هو a·b/|b|، والقوة الثابتة F التي تتحرّك خلال إزاحة d تبذل شغلًا W = F·d.

الإزاحة

d = B − A = (3, −5, −4) − (−1, 3, 5) = (4, −8, −9) m

الشغل

W = F·d = (−15)·4 + 25·(−8) + 0·(−9) = −260 J

الإجابة

W = −260 J

شغل سالب: القوة تؤثّر في الغالب عكس الحركة.

2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: A = 5,657 m²

الضرب الاتجاهي: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) عمودي على المتّجهين كليهما، و |a × b| = |a|·|b|·sin θ هي مساحة متوازي الأضلاع الذي يحدّدانه (والمثلث نصفها). الترتيب مهم: b × a = −(a × b). عزم القوة F المؤثّرة عند النقطة A حول النقطة O هو M_O = r × F، مع r = A − O.

متّجها الضلعين

AB = B − A = (−2, 5, 2)

AC = C − A = (0, 4, 0)

الضرب الاتجاهي

(AB × AC)_x = AB_yAC_z − AB_zAC_y = 5·0 − 2·4 = −8

(AB × AC)_y = AB_zAC_x − AB_xAC_z = 2·0 − (−2)·0 = 0

(AB × AC)_z = AB_xAC_y − AB_yAC_x = (−2)·4 − 5·0 = −8

|AB × AC| = √((−8)² + 0² + (−8)²) = 11,31

مساحة المثلث

A = ½·11,31 = 5,657 m²

الإجابة

A = 5,657 m²

3.ردود أفعال ركائز الكمرات

الإجابة: R_B = 40,63 kN

الاتزان الاستاتيكي: الجسم الساكن يحقّق ΣF_x = 0 و ΣF_y = 0 و ΣM = 0 حول أي نقطة. أخذ العزوم حول ركيزة يحذف ردّ فعلها من المعادلة.

مخطط الجسم الحر

استبدل الركائز بقوى ردّ الفعل. البكرة تعطي ردّ فعل رأسيًا واحدًا؛ ومع الأحمال الرأسية فقط يعطي المسمار أيضًا ردّ فعل رأسيًا واحدًا.

الاتزان

العزوم حول A، موجبة عكس عقارب الساعة. ثم اتزان القوى الرأسية.

ΣM_A = 0: R_B·4 = 25·1 + 55·2,5

R_B = 162,5/4 = 40,63 kN

ΣF_y = 0: R_A = 80 − 40,63 = 39,38 kN

الإجابة

R_B = 40,63 kN

4.ردود أفعال ركائز الكمرات

الإجابة: R_A = 16,5 kN

مخطط الجسم الحر

الاتزان

العزوم حول A، موجبة عكس عقارب الساعة. ثم اتزان القوى الرأسية.

محصّلة الحمل الموزّع: W = w·ℓ = 8·3 = 24 kN، تؤثّر عند x̄ = 2,5 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 15·2 + 8·3·2,5

R_B = 90/4 = 22,5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 39 − 22,5 = 16,5 kN

الإجابة

R_A = 16,5 kN

5.الجملون: طريقة العقد

الإجابة: العضو CG

أعضاء القوة الصفرية: عند عقدة يجب أن تتزن القوى في كل اتجاه. إذا لم يكن على العقدة حمل ولا مسند، وكان عضوان من أعضائها الثلاثة على استقامة واحدة، فإن الاتزان في الاتجاه المتعامد مع ذلك الخط لا يشمل إلا العضو الثالث، فتكون قوته صفرًا. وإذا التقى عضوان فقط عند عقدة غير محملة ولم يكونا على استقامة واحدة فكلاهما صفر.

العقدة G

يقع FG وGH على خط مستقيم واحد ولا تحمل العقدة حملًا. اتزان القوى عبر ذلك الخط لا يُبقي إلا CG.

ΣF⊥ = 0 → F_CG = 0

تحقق بطريقة العقد

حل كل العقد يعطي قوى الأعضاء هذه (T = شد، C = ضغط).

AB: 61,88 kN (T), BC: 61,88 kN (T), CD: 65,62 kN (T), DE: 65,62 kN (T), FG: 78,75 kN (C), GH: 78,75 kN (C), AF: 103,1 kN (C), HE: 109,4 kN (C), BF: 35 kN (T), CG: 0, DH: 35 kN (T), FC: 28,12 kN (T), HC: 21,88 kN (T)

الإجابة

عضو القوة الصفرية: CG

6.الجملون: طريقة العقد

الإجابة: F_AB = −26,97 kN

طريقة العقد: كل عقدة في الجملون في حالة اتزان، لذا ΣF_x = 0 و ΣF_y = 0 عند كل عقدة. ابدأ بعقدة فيها قوتان مجهولتان على الأكثر. النتيجة السالبة تعني أن العضو في حالة ضغط.

ردود أفعال الركائز

اتزان الجملون كله. العزوم حول A، موجبة عكس عقارب الساعة.

ΣM_A = 0: C_y·8 = 10·7 − 25·3 → C_y = −0,625 kN

ΣF_y = 0: A_y = 10 − −0,625 = 10,63 kN

ΣF_x = 0: A_x = 25 kN

العقدة A

افترض أن كل عضو في حالة شدّ (يسحب بعيدًا عن العقدة). فقط AB له مركّبة رأسية عند A.

sin α = 3/7,616 = 0,3939

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −10,63/0,3939 = −26,97 kN

الإجابة

F_AB = −26,97 kN (ضغط)

7.الإطارات والآلات

الإجابة: C = 3,403 kN

الإطارات والآلات: خلافًا للجملون، يحتوي الإطار على عنصر واحد على الأقل يحمل قوى عند أكثر من نقطتين، أو حملًا بين مسماريه. ابحث أولًا عن العناصر ثنائية القوة: العنصر المحمّل عند مسمارين فقط تعمل قوته على الخط المار بهما، فيضيف مجهولًا واحدًا لا اثنين. ثم استخدم الهيكل كله لإيجاد ردود أفعال المساند حين لا يزيد عدد المجاهيل على ثلاثة. وأخيرًا فكّك الإطار: ارسم كل عنصر على حدة، مع قوى مسامير متساوية ومتعاكسة على العنصرين اللذين تربطهما، واكتب له ΣF_x = 0 وΣF_y = 0 وΣM = 0. أخذ العزوم حول مسمار يزيل مركّبتي قوة ذلك المسمار من المعادلة.

قوة الرباط من الساق BC

B_y = 3 kN

T = 3·1,5/2,8 = 1,607 kN

مركّبتا قوة المسمار على BC

C_x = T = 1,607 kN, C_y = −B_y = −3 kN

المقدار

C = √(1,607² + 3²) = 3,403 kN

الإجابة

C = 3,403 kN

8.الإطارات والآلات

الإجابة: A = 8,385 kN

قوة الشد في الكابل

T = (4 + 3/2)/0,5547 = 9,915 kN

المركّبتان عند A

A_x = T·cos β = 8,25 kN

A_y = 4 + 3 − T·sin β = 1,5 kN

المقدار

A = √(8,25² + 1,5²) = 8,385 kN

الإجابة

A = 8,385 kN

9.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: M_x = −122,3 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.

احتفظ بجزء الطرف الحر

P: −80·1,5 = −120 kN·m

w: −2·1,5²/2 = −2,25 kN·m

M_x = −120 − 2,25 = −122,3 kN·m

الإجابة

M_x = −122,3 kN·m

الإشارة السالبة تعني التحدّب: شدّ على الوجه العلوي.

10.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: B (x = 2 m)

أكبر عزم انحناء: يغير M ميله حيث تتغير قوة القص، لذا تقع قممه حيث تعبر قوة القص الصفر: تحت حمل نقطي، أو داخل حمل موزع، أو فوق مسند في كمرة ذات بروز. وعند المسند الثابت في كمرة كابولية يكون العزم أكبر ما يمكن عند الجدار. قارن حجم M في تلك المواضع، تقعيريًا كان أم تحدبيًا.

ردود أفعال الركائز

خذ العزوم حول أحد المسندين، ثم استخدم اتزان القوى الرأسية.

R₁ = 77,5 kN, R₂ = 42,5 kN

عزم الانحناء عند كل علامة

اجمع عزوم كل القوى على جانب واحد من القطع. التقعيري موجب والتحدبي سالب.

M_A = 0, M_B = −90 kN·m, M_C = −25, M_D = −40, M_E = −55, M_F = −70, M_G = 0

الإجابة

علامة B: M_B = −90 kN·m

11.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: I_x = 42,1 × 10⁶ mm⁴

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 = 160·30 = 4800 mm², y_f = 220 + 30/2 = 235 mm

الجذع: A_w = 14·220 = 3080 mm², y_w = 220/2 = 110 mm

المركز

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (4800·235 + 3080·110)/7880 = 186,1 mm

نظرية المحور الموازي

الشفة: 160·30³/12 + 4800·(235 − 186,1)² = 1,182 × 10⁷ mm⁴

الجذع: 14·220³/12 + 3080·(110 − 186,1)² = 3,028 × 10⁷ mm⁴

I_x = 1,182 × 10⁷ + 3,028 × 10⁷ = 4,21 × 10⁷ mm⁴ = 42,1 × 10⁶ mm⁴

الإجابة

I_x = 42,1 × 10⁶ mm⁴

12.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: σ_j = 69,2 MPa

المستطيل الخارجي ناقص الفراغين الجانبيين

عرض الفراغين معًا (B − t_w) وارتفاعهما h_w = H − 2t_f، ويشتركان في المحور x.

h_w = 260 − 2·24 = 212 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (100·260³ − 88·212³)/12

I_x = 7,659 × 10⁷ mm⁴

إجهاد الانحناء

y = 130 − 24 = 106 mm

σ = M·y/I = 5 × 10⁷·106/7,659 × 10⁷ = 69,2 MPa

الإجابة

σ_j = 69,2 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics