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
أوجد الضرب القياسي a·b للمتّجهين a = (4, 2, 5) و b = (2, 7, 4).
a = (4, 2, 5)b = (2, 7, 4)
a·b =
2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة
أوجد حجم V متوازي السطوح الذي أضلاعه من رأس واحد a = (4, 2, 1) و b = (−1, 1, 1) و c = (−3, −5, 3).
a = (4, 2, 1)b = (−1, 1, 1)c = (−3, −5, 3)
V =
3.ردود أفعال ركائز الكمراتمتوسطة
الكمرة البسيطة الارتكاز (مسمار في A، بكرة في B) تحمل حملًا متغيّرًا خطيًا يرتفع من الصفر عند A إلى 8 kN/m عند B. يؤثّر أيضًا حمل مركّز P على بعد 2,5 m من A. أوجد ردّ فعل الركيزة الرأسي RA.
L = 6 mw0 = 8 kN/mP = 40 kN عند 2,5 m
RA = kN
4.ردود أفعال ركائز الكمراتصعبة
كمرة مركّبة مثبَّتة في الجدار عند A، لها مفصل داخلي عند C (على بعد 4 m من A) وترتكز على بكرة عند D (على بعد 8 m من A). تحمل حملًا مركّزًا P على بعد 6 m من A وحملًا مركّزًا Q على بعد 2 m من A. أوجد مقدار عزم ردّ الفعل MA عند الجدار.
AC = 4 mAD = 8 mP = 10 kN عند 6 mQ = 70 kN عند 2 m
MA = kN·m
5.الجملون: طريقة العقدمتوسطة
استخدم طريقة العقد لإيجاد القوة FAC في العضو AC. اجعل الشدّ موجبًا والضغط سالبًا.
البحر = 4 mالارتفاع = 3 mتبعد B مسافة 1 m عن Aالحمل الرأسي = 50 kN
FAC = kN
6.الجملون: طريقة العقدصعبة
استخدم طريقة العقد لإيجاد القوة FAC في العضو AC. اجعل الشدّ موجبًا والضغط سالبًا.
البحر = 8 mالارتفاع = 3 mتبعد B مسافة 7 m عن Aالحمل الرأسي = 15 kNالحمل الأفقي = 10 kN ←
FAC = kN
7.الإطارات والآلاتمتوسطة
تدور الذراع الزاوية الموضحة حول المسمار O. تتوازن قوة رأسية 150 N عند A (على بُعد 120 mm من O) مع قوة أفقية عند B (على ارتفاع 100 mm فوق O). أوجد مقدار رد فعل المسمار FO.
F = 150 NOA = 120 mmOB = 100 mm
FO = N
8.الإطارات والآلاتصعبة
للإطار الموضح مسامير عند A وB وC؛ النقطتان A وC مثبتتان بالأرض والمسافة بينهما 3 m، والنقطة B على ارتفاع 2,5 m وعلى بُعد 0,45 m إلى يمين A. يحمل العنصر AB حملًا رأسيًا 20 kN عند K التي تبعد 0,27 m (أفقيًا) عن A، ويؤثر حمل أفقي 2 kN نحو اليمين عند B على العنصر AB. أوجد مقدار رد الفعل الأفقي Ax عند A.
P = 20 kNQ = 2 kNL = 3 mH = 2,5 mالمسافة الأفقية من A إلى B = 0,45 mالمسافة الأفقية من A إلى K = 0,27 m
Ax = kN
9.قوة القص وعزم الانحناءمتوسطة
أوجد عزم الانحناء Mx 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 = 4 mw = 12 kN/m من 0 إلى 4 mx = 1,5 m
Mx = 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.
15 kN @ 6 m20 kN @ 1 m8 kN/m, 0–4 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 I متماثل له شفتان عرض كلٍّ منهما 200 mm وسُمكها 22 mm، وعمق كلي 300 mm، وجذع سُمكه 8 mm. أوجد عزم قصوره الذاتي Ix حول المحور المركزي الأفقي x.
B = 200 mmH = 300 mmtf = 22 mmtw = 8 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.المركز وعزم القصور الذاتيصعبة
كمرة من الحديد الزهر لها مقطع T الموضّح، والشفة في الأعلى. الإجهادات المسموحة 40 MPa في الشد و 90 MPa في الضغط. أوجد أكبر عزم انحناء موجب (تقعّر) Mallow يمكن أن تتحمّله الكمرة.
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.
اضرب المركّبات المتناظرة واجمع
a·b = 4·2 + 2·7 + 5·4 = 8 + 14 + 20 = 42
الإجابة
a·b = 42
موجب: الزاوية بين المتّجهين أقل من 90°.
2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي
الإجابة: V = 40
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.
الضرب الاتجاهي b × c
(b × c)x = bycz − bzcy = 1·3 − 1·(−5) = 8
(b × c)y = bzcx − bxcz = 1·(−3) − (−1)·3 = 0
(b × c)z = bxcy − bycx = (−1)·(−5) − 1·(−3) = 8
الضرب القياسي مع a
a·(b × c) = 4·8 + 2·0 + 1·8 = 40
V = |40| = 40
الإجابة
V = 40
3.ردود أفعال ركائز الكمرات
الإجابة: RA = 31,33 kN
الاتزان الاستاتيكي: الجسم الساكن يحقّق ΣFx = 0 و ΣFy = 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.
محصّلة الحمل المثلثي
W = ½·8·6 = 24 kN
x̄ = 2L/3 = 4 m
الاتزان
العزوم حول A، موجبة عكس عقارب الساعة. ثم اتزان القوى الرأسية.
ΣMA = 0: RB·6 = 24·4 + 40·2,5
RB = 32,67 kN
RA = 64 − 32,67 = 31,33 kN
الإجابة
RA = 31,33 kN
4.ردود أفعال ركائز الكمرات
الإجابة: MA = 160 kN·m
الاتزان الاستاتيكي: الجسم الساكن يحقّق ΣFx = 0 و ΣFy = 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. المفصل الداخلي لا يستطيع نقل عزم انحناء، وهذا يعطي معادلة إضافية: عزم القوى على أيٍّ من الجانبين حول المفصل يساوي صفرًا.
الجزء CD
المفصل ليس له عزم، لذا يجب أن تتوازن العزوم حول C على CD وحده.
ΣMC = 0: RD·4 = 10·2
RD = 5 kN
VC = 10 − 5 = 5 kN
الجزء AC
قوة المفصل VC تؤثّر إلى الأسفل على AC (مساوية ومعاكسة لتأثيرها على CD).
RA = 70 + 5 = 75 kN
MA = 70·2 + 5·4 = 160 kN·m
الإجابة
MA = 160 kN·m
5.الجملون: طريقة العقد
الإجابة: FAC = 12,5 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·4 = 50·1 → Cy = 12,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 12,5 = 37,5 kN
العقدة C
البكرة تعطي ردّ فعل رأسيًا فقط، لذا في العقدة C قوتان مجهولتان فقط. افترض أن كليهما في حالة شدّ.
sin γ = 3/4,243 = 0,7071, cos γ = 3/4,243 = 0,7071
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·8 = 15·7 − 10·3 → Cy = 9,375 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 9,375 = 5,625 kN
ΣFx = 0: Ax = 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
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).
القوة عند B
Q = 150·120/100 = 180 N
رد فعل المسمار
Ox = 180 N, Oy = 150 N
FO = √(180² + 150²) = 234,3 N
الإجابة
FO = 234,3 N
8.الإطارات والآلات
الإجابة: Ax = 1,536 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 ΣFx = 0 وΣFy = 0 وΣM = 0. أخذ العزوم حول مسمار يزيل مركّبتي قوة ذلك المسمار من المعادلة.
اتجاه BC
BC = 3,571 m, cos = 0,7141, sin = 0,7001
الإطار كاملًا: العزوم حول A
FBC·0,7001·3 = 20·0,27 + 2·2,5
FBC = 4,952 kN
الاتزان الأفقي
Ax + 2 − 4,952·0,7141 = 0
Ax = 1,536 kN → |Ax| = 1,536 kN
الإجابة
Ax = 1,536 kN
تتجه Ax نحو اليمين.
9.قوة القص وعزم الانحناء
الإجابة: Mx = 22,5 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 = 12·4 = 48 kN، تؤثّر عند x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 12·4·2
RB = 96/4 = 24 kN
ΣFy = 0: RA = 48 − 24 = 24 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 = RA·x − (كل حمل على يسار المقطع × بعده عن المقطع)
Mx = 24·1,5 − 12·1,5·0,75 = 22,5 kN·m
الإجابة
Mx = 22,5 kN·m
10.قوة القص وعزم الانحناء
الإجابة: E (x = 4 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 = 23,5 kN, R2 = 43,5 kN
عزم الانحناء عند كل علامة
اجمع عزوم كل القوى على جانب واحد من القطع. التقعيري موجب والتحدبي سالب.
MA = 0, MB = 19,5, MC = 11, MD = −5,5, ME = −30 kN·m, MF = −15, MG = 0
الإجابة
علامة E: ME = −30 kN·m
11.المركز وعزم القصور الذاتي
الإجابة: Ix = 181,6 × 10⁶ mm⁴
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.