طريقة العقد: ابدأ بعقدة فيها قوتا عضوين مجهولتان على الأكثر واستخدم ΣFx = 0 و ΣFy = 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
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
عنصر ثنائي القوة
القوة تعمل على الخط المار بمسماريه
قوة المسمار
متساوية ومتعاكسة على العنصرين اللذين يربطهما
مقدار قوة المسمار
F = √(Fx² + Fy²)
الرافعة، الزرادية، الذراع الزاوية
Fin·a = Fout·b
آلية المفصل الركبي
Flink = 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 ΣFx = 0 وΣFy = 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/ymax
بسيطة الارتكاز، حمل منتظم
Mmax = 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 = ΣAiyi/ΣAi
مستطيل
I = bh³/12
نظرية المحور الموازي
I = Ic + A·d²
مقطع مركّب
I = Σ(Ic,i + Aidi²)
2مسائل تدريبية
1.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيمتوسطة
تؤثّر قوة ثابتة F = (−10, −5, −20) N على جسم بينما يتحرّك في خط مستقيم من النقطة A(2, −4, −4) إلى النقطة B(−2, −2, 2). الإحداثيات بالمتر. أوجد الشغل W الذي تبذله القوة.
F = (−10, −5, −20) NA(2, −4, −4) mB(−2, −2, 2) m
W = J
2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة
أوجد مساحة A المثلث الذي رؤوسه A(−3, 0, 0) و B(2, 4, 1) و C(4, 3, −4). الإحداثيات بالمتر.
A(−3, 0, 0)B(2, 4, 1)C(4, 3, −4)
A = m²
3.ردود أفعال ركائز الكمراتمتوسطة
للكمرة البسيطة الارتكاز مسمار في A وبكرة في B. أوجد ردّ فعل الركيزة الرأسي RA.
L = 5 mP1 = 10 kN عند 1 mP2 = 55 kN عند 4 m
RA = kN
4.ردود أفعال ركائز الكمراتصعبة
الكمرة الكابولية مثبَّتة في الجدار عند A. تحمل حملًا متغيّرًا خطيًا شدته 20 kN/m عند الجدار وينخفض إلى الصفر عند الطرف الحر B، إضافةً إلى حمل مركّز P على بعد 3 m من الجدار. أوجد مقدار عزم ردّ الفعل MA عند الجدار.
L = 6 mw0 = 20 kN/mP = 15 kN عند 3 m
MA = kN·m
5.الجملون: طريقة العقدمتوسطة
استخدم طريقة العقد لإيجاد القوة FBC في العضو BC. اجعل الشدّ موجبًا والضغط سالبًا.
البحر = 5 mالارتفاع = 2 mتبعد B مسافة 1 m عن Aالحمل الرأسي = 15 kN
FBC = 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.
H: 25 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
يقف الإطار A الموضح على مسمار عند A ومسند دحرجي عند B والمسافة بينهما 3,2 m، ومسمار قمته C على ارتفاع 4,5 m والرباط الأفقي DE على ارتفاع 1,2 m فوق الأرض. يؤثر حمل رأسي 2 kN على الساق AC عند K التي تبعد 1,2 m (أفقيًا) عن A. أوجد قوة الشد T في الرباط.
P = 2 kNAB = 3,2 mارتفاع C = 4,5 mارتفاع DE = 1,2 mالمسافة الأفقية من A إلى K = 1,2 m
T = kN
8.الإطارات والآلاتصعبة
في مكبس ذي مفصل ركبي ذراعان متساويان AB وBC طول كل منهما 100 mm بين المسمارين. يقع المفصل B على ارتفاع 15 mm فوق الخط AC. ما القوة الهابطة F عند B التي تنتج قوة ضغط أفقية 2000 N عند المنزلق C؟ أهمل الاحتكاك والأوزان.
Q = 2000 NAB = BC = 100 mmh = 15 mm
F = N
9.قوة القص وعزم الانحناءمتوسطة
الكابولي مثبَّت عند A. يحمل حملًا موزّعًا بانتظام w على طوله كله وحملًا مركّزًا P على بعد 1,5 m من A. أوجد عزم الانحناء Mx عند المقطع x = 0,5 m من الركيزة المثبَّتة A. اعتبر العزوم التي تشدّ الألياف السفلية (التقعّر) موجبة، وقوة القص إلى الأعلى على الوجه الأيسر موجبة.
L = 3 mP = 20 kN عند 1,5 mw = 3 kN/m من 0 إلى 3 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
10.قوة القص وعزم الانحناءصعبة
ترتكز الكمرة على مسمار في A وبكرة في B، وتبرز بعد B مسافة 2 m حتى الطرف الحر C. يؤثّر حمل موزّع بانتظام w على الطول كله A–C. أوجد أقصى عزم انحناء موجب Mmax بين الركيزتين.
L = 8 mw = 8 kN/m من 0 إلى 8 mركيزتان عند x = 0 و x = 6 m
Mmax = kN·m
11.المركز وعزم القصور الذاتيمتوسطة
مقطع I متماثل له شفتان عرض كلٍّ منهما 230 mm وسُمكها 16 mm، وعمق كلي 380 mm، وجذع سُمكه 10 mm. أوجد عزم قصوره الذاتي Ix حول المحور المركزي الأفقي x.
B = 230 mmH = 380 mmtf = 16 mmtw = 10 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.المركز وعزم القصور الذاتيصعبة
يُستخدم مقطع T ككمرة والشفة في الأعلى، ويحمل عزم انحناء موجبًا مقداره 40 kN·m. أوجد مقدار إجهاد الانحناء σالأعلى عند الحافة العلوية.
Dot product:a·b = axbx + ayby + azbz = |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.
الإزاحة
d = B − A = (−2, −2, 2) − (2, −4, −4) = (−4, 2, 6) m
الشغل
W = F·d = (−10)·(−4) + (−5)·2 + (−20)·6 = −90 J
الإجابة
W = −90 J
شغل سالب: القوة تؤثّر في الغالب عكس الحركة.
2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي
الإجابة: A = 17,74 m²
Cross product:a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) 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 MO = r × F, with r = A − O.
متّجها الضلعين
AB = B − A = (5, 4, 1)
AC = C − A = (7, 3, −4)
الضرب الاتجاهي
(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 4·(−4) − 1·3 = −19
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 1·7 − 5·(−4) = 27
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 5·3 − 4·7 = −13
|AB × AC| = √((−19)² + 27² + (−13)²) = 35,48
مساحة المثلث
A = ½·35,48 = 17,74 m²
الإجابة
A = 17,74 m²
3.ردود أفعال ركائز الكمرات
الإجابة: RA = 19 kN
الاتزان الاستاتيكي: الجسم الساكن يحقّق ΣFx = 0 و ΣFy = 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.
ΣMA = 0: RB·5 = 10·1 + 55·4
RB = 230/5 = 46 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 46 = 19 kN
الإجابة
RA = 19 kN
4.ردود أفعال ركائز الكمرات
الإجابة: MA = 165 kN·m
اتزان الكابولي: الركيزة المثبَّتة تستطيع الدفع إلى الأعلى ومقاومة الدوران أيضًا، لذا تعطي ردّ فعل رأسيًا RA وعزم ردّ فعل MA. ΣFy = 0 يعطي RA، والعزوم حول الجدار تعطي MA = Σ(الحمل × البعد عن الجدار). الحمل الموزّع يؤثّر كمحصّلته في مركز مخطط الحمل.
محصّلة الحمل المثلثي
W = ½·20·6 = 60 kN
x̄ = L/3 = 2 m
العزم حول الجدار
MA = W·x̄ + P·a = 60·2 + 15·3 = 165 kN·m
الإجابة
MA = 165 kN·m
5.الجملون: طريقة العقد
الإجابة: FBC = −6,708 kN
طريقة العقد: كل عقدة في الجملون في حالة اتزان، لذا ΣFx = 0 و ΣFy = 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.
ΣMA = 0: Cy·5 = 15·1 → Cy = 3 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 3 = 12 kN
العقدة C
البكرة تعطي ردّ فعل رأسيًا فقط، لذا في العقدة C قوتان مجهولتان فقط. افترض أن كليهما في حالة شدّ.
sin γ = 2/4,472 = 0,4472, cos γ = 4/4,472 = 0,8944
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 → FCG = 0
تحقق بطريقة العقد
حل كل العقد يعطي قوى الأعضاء هذه (T = شد، C = ضغط).
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 ΣFx = 0 وΣFy = 0 وΣM = 0. أخذ العزوم حول مسمار يزيل مركّبتي قوة ذلك المسمار من المعادلة.
الإطار كاملًا: العزوم حول A
By = 2·1,2/3,2 = 0,75 kN
الساق BC: العزوم حول C
0,75·1,6 = T·3,3
T = 0,3636 kN
الإجابة
T = 0,3636 kN
8.الإطارات والآلات
الإجابة: F = 606,9 N
الآلات: تحوّل الزرادية والرافعات والوصلات والمشابك قوة دخل إلى قوة خرج أكبر أو بتوجيه مختلف. ارسم جزءًا واحدًا كجسم حر وخذ العزوم حول محوره: تسقط قوة المسمار، وتعطي Fin·a = Fout·b الفائدة الميكانيكية a/b. ثم تنتج قوة المسمار من ΣF = 0 على الجزء نفسه. وفي آلية المفصل الركبي يلتقي ذراعان بزاوية ضحلة θ؛ وكل ذراع عنصر ثنائي القوة، فتولّد قوة صغيرة F عند المفصل قوى كبيرة في الذراعين F/(2 sin θ) وقوة إطباق F/(2 tan θ).
زاوية الذراع
sin θ = 15/100 = 0,15, θ = 8,627°
قوة الذراع
Flink = Q/cos θ = 2023 N
القوة عند B
F = 2·Flink·sin θ = 2·2000·tan θ = 606,9 N
الإجابة
F = 606,9 N
9.قوة القص وعزم الانحناء
الإجابة: Mx = −29,38 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: −20·1 = −20 kN·m
w: −3·2,5²/2 = −9,375 kN·m
Mx = −20 − 9,375 = −29,38 kN·m
الإجابة
Mx = −29,38 kN·m
الإشارة السالبة تعني التحدّب: شدّ على الوجه العلوي.
10.قوة القص وعزم الانحناء
الإجابة: Mmax = 28,44 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، بما في ذلك الحمل على الجزء البارز.
محصّلة الحمل الموزّع: W = w·ℓ = 8·8 = 64 kN، تؤثّر عند x̄ = 4 m
عزم القصور الذاتي: للمستطيل حول محوره المركزي I = bh³/12، وحول قاعدته bh³/3 (نظرية المحور الموازي I = Ic + A·d²). يُعالَج الثقب بطرح عزم قصوره I، بشرط أن يشترك الجزءان في المحور نفسه. معامل المقطع المرن S = I/c، حيث c هي المسافة إلى الليف الأبعد.
المستطيل الخارجي ناقص الفراغين الجانبيين
عرض الفراغين معًا (B − tw) وارتفاعهما hw = H − 2tf، ويشتركان في المحور x.
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: Af = 220·10 = 2200 mm², yf = 180 + 10/2 = 185 mm