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

أوجد الزاوية θ بين المتّجهين a = (−5, −1, 1) و b = (4, 6, −6)، بالدرجات.

a = (−5, −1, 1)b = (4, 6, −6)

θ = °

2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة

للمتّجهين a = (−4, 2, 2) و b = (3, −5, 2)، أوجد المركّبة z (a × b)_z للضرب الاتجاهي a × b.

a = (−4, 2, 2)b = (3, −5, 2)

(a × b)_z =

3.ردود أفعال ركائز الكمراتمتوسطة

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

L = 4 mP₁ = 55 kN عند 1 mP₂ = 15 kN عند 2 m

R_A = kN

4.ردود أفعال ركائز الكمراتصعبة

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

L = 8 mP = 25 kN عند 2 mw = 8 kN/m من 6 إلى 7 m

R_A = kN

5.الجملون: طريقة العقدمتوسطة

استخدم طريقة العقد لإيجاد القوة F_BC في العضو BC. اجعل الشدّ موجبًا والضغط سالبًا.

البحر = 6 mالارتفاع = 3 mتبعد B مسافة 2 m عن Aالحمل الرأسي = 55 kN

F_BC = kN

6.الجملون: طريقة العقدصعبة

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

D: 20 kN ↓F: 15 kN ↓G: 15 kN ↓H: 40 kN ←

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

7.الإطارات والآلاتمتوسطة

للإطار الموضح مسامير عند A وB وC؛ النقطتان A وC مثبتتان بالأرض والمسافة بينهما 8 m، والنقطة B على ارتفاع 4 m فوق الأرض وعلى بُعد 2,4 m إلى يمين A. يؤثر حمل رأسي 10 kN على العنصر AB عند K التي تبعد 1,44 m (أفقيًا) عن A. أوجد القوة F_BC في العنصر BC.

P = 10 kNL = 8 mH = 4 mالمسافة الأفقية من A إلى B = 2,4 mالمسافة الأفقية من A إلى K = 1,44 m

F_BC = kN

8.الإطارات والآلاتصعبة

يقف الإطار A الموضح على مسمار عند A ومسند دحرجي عند B والمسافة بينهما 3,2 m، ومسمار قمته C على ارتفاع 4 m والرباط الأفقي DE على ارتفاع 1,2 m فوق الأرض. يؤثر حمل رأسي 6 kN على الساق AC عند K التي تبعد 1,2 m (أفقيًا) عن A. أوجد مقدار القوة C التي يؤثر بها المسمار C على الساق BC.

P = 6 kNAB = 3,2 mارتفاع C = 4 mارتفاع DE = 1,2 mالمسافة الأفقية من A إلى K = 1,2 m

C = kN

9.قوة القص وعزم الانحناءمتوسطة

أوجد عزم الانحناء M_x عند المقطع x = 3 m من الركيزة A. اعتبر العزوم التي تشدّ الألياف السفلية موجبة، وقوة القص إلى الأعلى على الوجه الأيسر موجبة.

L = 4 mw = 4 kN/m من 0 إلى 4 mx = 3 m

M_x = kN·m

10.قوة القص وعزم الانحناءصعبة

الكمرة البسيطة الارتكاز تحمل حملًا موزّعًا بانتظام w على البحر كله وحملًا مركّزًا P. أوجد أقصى عزم انحناء M_max في الكمرة.

L = 6 mP = 50 kN عند 2,5 mw = 3 kN/m من 0 إلى 6 m

M_max = kN·m

11.المركز وعزم القصور الذاتيمتوسطة

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

b_f = 260 mmt_f = 20 mmt_w = 16 mmh_w = 200 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.المركز وعزم القصور الذاتيصعبة

مقطع I ملحوم له شفة علوية 110 × 16 mm، وجذع ارتفاعه 280 mm وسُمكه 14 mm، وشفة سفلية 240 × 14 mm (العرض × السُمك). أوجد عزم قصوره الذاتي I_x حول المحور الأفقي x المارّ بمركزه.

الشفة العلوية: 110 × 16 mmالجذع: 14 × 280 mmالشفة السفلية: 240 × 14 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3المحاليل

1.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: θ = 131 °

Dot product: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

الضرب القياسي

a·b = (−5)·4 + (−1)·6 + 1·(−6) = −32

المقداران

|a| = √((−5)² + (−1)² + 1²) = 5,196

|b| = √(4² + 6² + (−6)²) = 9,381

الزاوية

cos θ = −32/(5,196·9,381) = −0,6565

θ = arccos(−0,6565) = 131°

الإجابة

θ = 131°

2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: (a × b)_z = 14

Cross product: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is M_O = r × F, with r = A − O.

الضرب الاتجاهي، مركّبةً مركّبة

(a × b)_x = a_yb_z − a_zb_y = 2·2 − 2·(−5) = 14

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = 2·3 − (−4)·2 = 14

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = (−4)·(−5) − 2·3 = 14

المركّبة المطلوبة

(a × b)_z = 14

الإجابة

(a × b)_z = 14

تحقّق: a × b عمودي على المتّجهين كليهما، لذا ضربه القياسي مع a ومع b صفر.

3.ردود أفعال ركائز الكمرات

الإجابة: R_A = 48,75 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 = 55·1 + 15·2

R_B = 85/4 = 21,25 kN

ΣF_y = 0: R_A = 70 − 21,25 = 48,75 kN

الإجابة

R_A = 48,75 kN

4.ردود أفعال ركائز الكمرات

الإجابة: R_A = 20,25 kN

مخطط الجسم الحر

الاتزان

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

محصّلة الحمل الموزّع: W = w·ℓ = 8·1 = 8 kN، تؤثّر عند x̄ = 6,5 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 25·2 + 8·1·6,5

R_B = 102/8 = 12,75 kN

ΣF_y = 0: R_A = 33 − 12,75 = 20,25 kN

الإجابة

R_A = 20,25 kN

5.الجملون: طريقة العقد

الإجابة: F_BC = −30,56 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·6 = 55·2 → C_y = 18,33 kN

ΣF_y = 0: A_y = 55 − 18,33 = 36,67 kN

العقدة C

البكرة تعطي ردّ فعل رأسيًا فقط، لذا في العقدة C قوتان مجهولتان فقط. افترض أن كليهما في حالة شدّ.

sin γ = 3/5 = 0,6, cos γ = 4/5 = 0,8

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −18,33/0,6 = −30,56 kN

الإجابة

F_BC = −30,56 kN (ضغط)

6.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 C

يقع BC وCD 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: 6,25 kN (C), BC: 12,5 kN (T), CD: 12,5 kN (T), DE: 16,25 kN (T), FG: 33,75 kN (C), GH: 56,25 kN (C), AF: 47,73 kN (C), HE: 22,98 kN (C), BF: 18,75 kN (T), CG: 0, DH: 16,25 kN (T), BG: 26,52 kN (C), DG: 5,303 kN (T)

الإجابة

عضو القوة الصفرية: CG

7.الإطارات والآلات

الإجابة: F_BC = 3,097 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.

العنصر ثنائي القوة BC

BC = √(5,6² + 4²) = 6,882 m

الإطار كاملًا: العزوم حول A

تدفع الأرض العنصر BC عند C على امتداد CB؛ مركّبتها الأفقية تمر بـ A، والرأسية وحدها لها عزم.

F_BC·(4/6,882)·8 = 10·1,44

F_BC = 3,097 kN (ضغط)

الإجابة

F_BC = 3,097 kN

8.الإطارات والآلات

الإجابة: C = 2,591 kN

رد فعل المسند عند B

B_y = 6·1,2/3,2 = 2,25 kN

قوة الرباط

T = 2,25·1,6/2,8 = 1,286 kN

قوة المسمار على BC

C_x = 1,286 kN, C_y = −2,25 kN

C = √(1,286² + 2,25²) = 2,591 kN

الإجابة

C = 2,591 kN

9.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: M_x = 6 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 = 4·4 = 16 kN، تؤثّر عند x̄ = 2 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 4·4·2

R_B = 32/4 = 8 kN

ΣF_y = 0: R_A = 16 − 8 = 8 kN

اقطع عند x = 3 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 = 8·3 − 4·3·1,5 = 6 kN·m

الإجابة

M_x = 6 kN·m

10.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: M_max = 86,04 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. أقصى عزم: بما أن dM/dx = V، يبلغ عزم الانحناء ذروته حيث تمرّ قوة القص بالصفر، إمّا عند حمل مركّز أو داخل حمل موزّع.

ردود أفعال الركائز

اتزان الكمرة كلها.

محصّلة الحمل الموزّع: W = w·ℓ = 3·6 = 18 kN، تؤثّر عند x̄ = 3 m

ΣM_A = 0: R_B·6 = 50·2,5 + 3·6·3

R_B = 179/6 = 29,83 kN

ΣF_y = 0: R_A = 68 − 29,83 = 38,17 kN

أين يكون V = 0؟

V(2,5⁻) = R_A − w·2,5 = 30,67 kN

V(2,5⁺) = 30,67 − 50 = −19,33 kN

يتغيّر القص في إشارته عند الحمل، لذا يقع الحد الأقصى تحت الحمل.

أقصى عزم

M_max = R_A·2,5 − w·2,5²/2 = 38,17·2,5 − 3·2,5²/2 = 86,04 kN·m

الإجابة

M_max = 86,04 kN·m

يقع عند x = 2,5 m من A.

11.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: I_x = 34,81 × 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 = 260·20 = 5200 mm², y_f = 200 + 20/2 = 210 mm

الجذع: A_w = 16·200 = 3200 mm², y_w = 200/2 = 100 mm

المركز

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (5200·210 + 3200·100)/8400 = 168,1 mm

نظرية المحور الموازي

الشفة: 260·20³/12 + 5200·(210 − 168,1)² = 9,305 × 10⁶ mm⁴

الجذع: 16·200³/12 + 3200·(100 − 168,1)² = 2,55 × 10⁷ mm⁴

I_x = 9,305 × 10⁶ + 2,55 × 10⁷ = 3,481 × 10⁷ mm⁴ = 34,81 × 10⁶ mm⁴

الإجابة

I_x = 34,81 × 10⁶ mm⁴

12.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: I_x = 130,8 × 10⁶ mm⁴

قسّم إلى ثلاثة مستطيلات

قِس كل y من الحافة السفلية.

الشفة العلوية: A = 1760 mm², y = 302 mm

الجذع: A = 3920 mm², y = 154 mm

الشفة السفلية: A = 3360 mm², y = 7 mm

المركز

ȳ = (1760·302 + 3920·154 + 3360·7)/9040 = 128,2 mm

نظرية المحور الموازي

الشفة العلوية: 110·16³/12 + 1760·173,8² = 5,321 × 10⁷ mm⁴

الجذع: 14·280³/12 + 3920·25,82² = 2,822 × 10⁷ mm⁴

الشفة السفلية: 240·14³/12 + 3360·121,2² = 4,939 × 10⁷ mm⁴

I_x = 5,321 × 10⁷ + 2,822 × 10⁷ + 4,939 × 10⁷

I_x = 1,308 × 10⁸ mm⁴ = 130,8 × 10⁶ mm⁴

الإجابة

I_x = 130,8 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics