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 قيمة k التي يكون عندها المتّجهان a = (1, −4, 2) و b = (k, 6, 1) متعامدين.

a = (1, −4, 2)b = (k, 6, 1)

k =

2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة

متّجه الوحدة n̂ عمودي على a = (−3, −5, −4) و b = (1, 0, −5) كليهما وله مركّبة z موجبة. أوجد مركّبته x n̂_x.

a = (−3, −5, −4)b = (1, 0, −5)n̂_z > 0

n̂_x =

3.ردود أفعال ركائز الكمراتمتوسطة

للكمرة البسيطة الارتكاز مسمار في A وبكرة في B. تحمل حملًا مركّزًا P على بعد 4 m من A وازدواجًا باتجاه عقارب الساعة M على بعد 7 m من A. أوجد ردّ الفعل الرأسي R_B، معتبرًا الاتجاه إلى الأعلى موجبًا.

L = 10 mP = 70 kN عند 4 mM = 10 kN·m (باتجاه عقارب الساعة) عند 7 m

R_B = kN

4.ردود أفعال ركائز الكمراتصعبة

للكمرة البسيطة الارتكاز مسمار في A وبكرة في B. يؤثّر حمل P على بعد 1 m من A، مائلًا بزاوية 60° عن الأفق، ويؤثّر حمل رأسي Q على بعد 2,5 m من A. أوجد مقدار قوة ردّ الفعل الكلية R_A عند المسمار A.

L = 4 mP = 70 kN عند 1 m, θ = 60°Q = 60 kN عند 2,5 m

R_A = kN

5.الجملون: طريقة العقدمتوسطة

استخدم طريقة العقد لإيجاد القوة F_AC في العضو AC. اجعل الشدّ موجبًا والضغط سالبًا.

البحر = 5 mالارتفاع = 3 mتبعد B مسافة 3 m عن Aالحمل الرأسي = 35 kN

F_AC = kN

6.الجملون: طريقة العقدصعبة

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

البحر = 4 mالارتفاع = 3 mتبعد B مسافة 3 m عن Aالحمل الرأسي = 55 kNالحمل الأفقي = 10 kN ←

F_BC = kN

7.الإطارات والآلاتمتوسطة

للإطار الموضح مسامير عند A وB وC؛ النقطتان A وC مثبتتان بالأرض والمسافة بينهما 8 m، والنقطة B على ارتفاع 3 m فوق الأرض وعلى بُعد 1,2 m إلى يمين A. يؤثر حمل رأسي 4 kN على العنصر AB عند K التي تبعد 0,48 m (أفقيًا) عن A. أوجد القوة F_BC في العنصر BC.

P = 4 kNL = 8 mH = 3 mالمسافة الأفقية من A إلى B = 1,2 mالمسافة الأفقية من A إلى K = 0,48 m

F_BC = kN

8.الإطارات والآلاتصعبة

للإطار الموضح مسامير عند A وB وC؛ النقطتان A وC مثبتتان بالأرض والمسافة بينهما 5 m، والنقطة B على ارتفاع 3 m وعلى بُعد 2,25 m إلى يمين A. يحمل العنصر AB حملًا رأسيًا 10 kN عند K التي تبعد 1,35 m (أفقيًا) عن A، ويؤثر حمل أفقي 4 kN نحو اليمين عند B على العنصر AB. أوجد مقدار رد الفعل الأفقي A_x عند A.

P = 10 kNQ = 4 kNL = 5 mH = 3 mالمسافة الأفقية من A إلى B = 2,25 mالمسافة الأفقية من A إلى K = 1,35 m

A_x = kN

9.قوة القص وعزم الانحناءمتوسطة

أوجد عزم الانحناء M_x عند المقطع x = 6 m من الركيزة A. اعتبر العزوم التي تشدّ الألياف السفلية موجبة، وقوة القص إلى الأعلى على الوجه الأيسر موجبة.

L = 8 mw = 8 kN/m من 0 إلى 8 mx = 6 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.

35 kN @ 0 m15 kN @ 6 m60 kN @ 2 m10 kN/m, 1–5 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 1 m)
3C (x = 2 m)
4D (x = 3 m)
5E (x = 4 m)
6F (x = 5 m)
7G (x = 6 m)

11.المركز وعزم القصور الذاتيمتوسطة

مقطع مجرى موضوع وجانبه المفتوح إلى الأعلى: لوح قاعدة عرضه 200 mm مع ساقين قائمتين، ارتفاعه الكلي 150 mm. سُمك القاعدة والساقين كلها 10 mm. أوجد ارتفاع المركز ȳ فوق الحافة السفلية.

b = 200 mmh = 150 mmt = 10 mm

ȳ = mm

12.المركز وعزم القصور الذاتيصعبة

مقطع I ملحوم له شفة علوية 160 × 24 mm، وجذع ارتفاعه 340 mm وسُمكه 8 mm، وشفة سفلية 260 × 12 mm (العرض × السُمك). أوجد عزم قصوره الذاتي I_x حول المحور الأفقي x المارّ بمركزه.

الشفة العلوية: 160 × 24 mmالجذع: 8 × 340 mmالشفة السفلية: 260 × 12 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3المحاليل

1.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: k = 22

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.

الضرب القياسي يساوي صفرًا

a·b = 1·k + (−4)·6 + 2·1 = 0

−22 + 1·k = 0

حلّ لإيجاد k

k = −(−22)/1 = 22

الإجابة

k = 22

2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: n̂_x = 0,7863

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.

الضرب الاتجاهي

(a × b)_x = a_yb_z − a_zb_y = (−5)·(−5) − (−4)·0 = 25

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = (−4)·1 − (−3)·(−5) = −19

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = (−3)·0 − (−5)·1 = 5

التسوية إلى الوحدة

المركّبة z لـ a × b موجبة أصلًا.

|a × b| = √(25² + (−19)² + 5²) = 31,8

n̂ = (25, −19, 5)/31,8 = (0,7863, −0,5976, 0,1573)

n̂_x = 0,7863

الإجابة

n̂_x = 0,7863

3.ردود أفعال ركائز الكمرات

الإجابة: R_B = 29 kN

الاتزان الاستاتيكي: الجسم الساكن يحقّق ΣF_x = 0 و ΣF_y = 0 و ΣM = 0 حول أي نقطة. استبدل كل حمل موزّع بمحصّلته (مساحته) المؤثّرة في مركز مخطط الحمل، وخذ العزوم حول ركيزة لحذف ردّ فعلها من المعادلة.

العزوم حول A

عكس عقارب الساعة موجب.

ΣM_A = 0: R_B·10 − 70·4 − 10 = 0

R_B = 290/10 = 29 kN

الاتزان الرأسي

R_A = 70 − 29 = 41 kN

الإجابة

R_B = 29 kN

ردّ الفعل السالب يؤثّر إلى الأسفل.

4.ردود أفعال ركائز الكمرات

الإجابة: R_A = 76,45 kN

مركّبتا P

P_v = 70·sin 60° = 60,62 kN

P_h = 70·cos 60° = 35 kN

ردود الأفعال

ΣM_A = 0: R_B·4 = 60,62·1 + 60·2,5 → R_B = 52,66 kN

A_y = 60,62 + 60 − 52,66 = 67,97 kN

A_x = P_h = 35 kN

المحصّلة عند A

R_A = √(35² + 67,97²) = 76,45 kN

الإجابة

R_A = 76,45 kN

5.الجملون: طريقة العقد

الإجابة: F_AC = 14 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·5 = 35·3 → C_y = 21 kN

ΣF_y = 0: A_y = 35 − 21 = 14 kN

العقدة C

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

sin γ = 3/3,606 = 0,8321, cos γ = 2/3,606 = 0,5547

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −21/0,8321 = −25,24 kN

ΣF_x = 0: −F_AC − F_BC·cos γ = 0 → F_AC = −(−25,24)·0,5547 = 14 kN

الإجابة

F_AC = 14 kN (شدّ)

6.الجملون: طريقة العقد

الإجابة: F_BC = −35,58 kN

ردود أفعال الركائز

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

ΣM_A = 0: C_y·4 = 55·3 − 10·3 → C_y = 33,75 kN

ΣF_y = 0: A_y = 55 − 33,75 = 21,25 kN

ΣF_x = 0: A_x = 10 kN

العقدة C

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

sin γ = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −33,75/0,9487 = −35,58 kN

الإجابة

F_BC = −35,58 kN (ضغط)

7.الإطارات والآلات

الإجابة: F_BC = 0,5946 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 = √(6,8² + 3²) = 7,432 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·(3/7,432)·8 = 4·0,48

F_BC = 0,5946 kN (ضغط)

الإجابة

F_BC = 0,5946 kN

8.الإطارات والآلات

الإجابة: A_x = 0,675 kN

اتجاه BC

BC = 4,07 m, cos = 0,6757, sin = 0,7372

الإطار كاملًا: العزوم حول A

F_BC·0,7372·5 = 10·1,35 + 4·3

F_BC = 6,918 kN

الاتزان الأفقي

A_x + 4 − 6,918·0,6757 = 0

A_x = 0,675 kN → |A_x| = 0,675 kN

الإجابة

A_x = 0,675 kN

تتجه A_x نحو اليمين.

9.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: M_x = 48 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 = 8·8 = 64 kN، تؤثّر عند x̄ = 4 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 8·8·4

R_B = 256/8 = 32 kN

ΣF_y = 0: R_A = 64 − 32 = 32 kN

اقطع عند x = 6 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 = 32·6 − 8·6·3 = 48 kN·m

الإجابة

M_x = 48 kN·m

10.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: B (x = 1 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 = 105 kN, R₂ = 45 kN

عزم الانحناء عند كل علامة

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

M_A = 0, M_B = −35 kN·m, M_C = 30, M_D = 25, M_E = 10, M_F = −15, M_G = 0

الإجابة

علامة B: M_B = −35 kN·m

11.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: ȳ = 48,75 mm

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 مستطيلات

خذ القاعدة بكامل عرضها والساقين فوقها (بارتفاع h − t)، حتى لا يُحسب شيء مرتين.

القاعدة: A₁ = 200·10 = 2000 mm², y₁ = 5 mm

الساقان: A₂ = 2·10·140 = 2800 mm², y₂ = 10 + 140/2 = 80 mm

المركز

ȳ = (2000·5 + 2800·80)/4800 = 48,75 mm

الإجابة

ȳ = 48,75 mm

12.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: I_x = 247,9 × 10⁶ mm⁴

قسّم إلى ثلاثة مستطيلات

قِس كل y من الحافة السفلية.

الشفة العلوية: A = 3840 mm², y = 364 mm

الجذع: A = 2720 mm², y = 182 mm

الشفة السفلية: A = 3120 mm², y = 6 mm

المركز

ȳ = (3840·364 + 2720·182 + 3120·6)/9680 = 197,5 mm

نظرية المحور الموازي

الشفة العلوية: 160·24³/12 + 3840·166,5² = 1,067 × 10⁸ mm⁴

الجذع: 8·340³/12 + 2720·15,47² = 2,685 × 10⁷ mm⁴

الشفة السفلية: 260·12³/12 + 3120·191,5² = 1,144 × 10⁸ mm⁴

I_x = 1,067 × 10⁸ + 2,685 × 10⁷ + 1,144 × 10⁸

I_x = 2,479 × 10⁸ mm⁴ = 247,9 × 10⁶ mm⁴

الإجابة

I_x = 247,9 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics