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 الضرب القياسي a·b للمتّجهين a = (7, −4, 3) و b = (2, 5, −1).

a = (7, −4, 3)b = (2, 5, −1)

a·b =

2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة

متّجه الوحدة n̂ عمودي على a = (−2, 5, −5) و b = (2, 3, −1) كليهما وله مركّبة z موجبة. أوجد مركّبته x n̂_x.

a = (−2, 5, −5)b = (2, 3, −1)n̂_z > 0

n̂_x =

3.ردود أفعال ركائز الكمراتمتوسطة

الكمرة الكابولية مثبَّتة في الجدار عند A. تحمل حملًا موزّعًا بانتظام w من الجدار حتى 2,5 m وحملًا مركّزًا P على بعد 2 m من الجدار. أوجد مقدار عزم ردّ الفعل M_A عند الجدار.

L = 5 mP = 45 kN عند 2 mw = 12 kN/m من 0 إلى 2,5 m

M_A = kN·m

4.ردود أفعال ركائز الكمراتصعبة

الكمرة الكابولية مثبَّتة في الجدار عند A. تحمل حملًا متغيّرًا خطيًا شدته 15 kN/m عند الجدار وينخفض إلى الصفر عند الطرف الحر B، إضافةً إلى حمل مركّز P على بعد 4 m من الجدار. أوجد مقدار عزم ردّ الفعل M_A عند الجدار.

L = 6 mw₀ = 15 kN/mP = 10 kN عند 4 m

M_A = kN·m

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.

D: 20 kN ↓F: 20 kN ↓G: 35 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

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

B: 20 kN ↓F: 30 kN ↓F: 25 kN →G: 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 BG
13العضو DG

7.الإطارات والآلاتمتوسطة

يقف الإطار A الموضح على مسمار عند A ومسند دحرجي عند B والمسافة بينهما 4 m. تلتقي الساقان عند المسمار C على ارتفاع 4,5 m، والرباط الأفقي DE على ارتفاع 1,8 m فوق الأرض. يؤثر حمل 10 kN عند C. أوجد مقدار القوة C التي يؤثر بها المسمار C على الساق BC.

P = 10 kNAB = 4 mارتفاع C = 4,5 mارتفاع DE = 1,8 m

C = kN

8.الإطارات والآلاتصعبة

العارضة AB في الكابول الجداري الموضح مثبتة بمسمار عند A ومسنودة بالدعامة CD (النقطة C تحت A بمسافة 0,6 m). تحمل العارضة حملًا منتظمًا 3 kN/m على طولها كله وحملًا مركّزًا 12 kN عند طرفها الحر B. أوجد القوة F_CD في الدعامة.

w = 3 kN/mP = 12 kNAD = 2 mAB = 2,4 mAC = 0,6 m

F_CD = kN

9.قوة القص وعزم الانحناءمتوسطة

الكابولي مثبَّت عند A. يحمل حملًا موزّعًا بانتظام w على طوله كله وحملًا مركّزًا P على بعد 2 m من A. أوجد عزم الانحناء M_x 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 = 2 mP = 40 kN عند 2 mw = 3 kN/m من 0 إلى 2 mx = 0,5 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 = 5 mP = 45 kN عند 2 mw = 8 kN/m من 0 إلى 5 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 = 100 mmt_f = 15 mmt_w = 20 mmh_w = 100 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.المركز وعزم القصور الذاتيصعبة

مقطع I ملحوم له شفة علوية 160 × 10 mm، وجذع ارتفاعه 270 mm وسُمكه 16 mm، وشفة سفلية 290 × 18 mm (العرض × السُمك). أوجد عزم قصوره الذاتي I_x حول المحور الأفقي x المارّ بمركزه.

الشفة العلوية: 160 × 10 mmالجذع: 16 × 270 mmالشفة السفلية: 290 × 18 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3المحاليل

1.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: a·b = −9

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.

اضرب المركّبات المتناظرة واجمع

a·b = 7·2 + (−4)·5 + 3·(−1) = 14 + (−20) + (−3) = −9

الإجابة

a·b = −9

سالب: الزاوية بين المتّجهين أكبر من 90°.

2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: n̂_x = −0,4472

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

(a × b)_x = a_yb_z − a_zb_y = 5·(−1) − (−5)·3 = 10

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = (−5)·2 − (−2)·(−1) = −12

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = (−2)·3 − 5·2 = −16

التسوية إلى الوحدة

المركّبة z لـ a × b سالبة، لذا استخدم −(a × b).

|a × b| = √(10² + (−12)² + (−16)²) = 22,36

n̂ = −(10, −12, −16)/22,36 = (−0,4472, 0,5367, 0,7155)

n̂_x = −0,4472

الإجابة

n̂_x = −0,4472

3.ردود أفعال ركائز الكمرات

الإجابة: M_A = 127,5 kN·m

اتزان الكابولي: الركيزة المثبَّتة تستطيع الدفع إلى الأعلى ومقاومة الدوران أيضًا، لذا تعطي ردّ فعل رأسيًا R_A وعزم ردّ فعل M_A. ΣF_y = 0 يعطي R_A، والعزوم حول الجدار تعطي M_A = Σ(الحمل × البعد عن الجدار). الحمل الموزّع يؤثّر كمحصّلته في مركز مخطط الحمل.

محصّلة الحمل الموزّع

W = 12·2,5 = 30 kN, x̄ = 1,25 m

العزم حول الجدار

M_A = P·a + W·x̄ = 45·2 + 30·1,25 = 127,5 kN·m

الإجابة

M_A = 127,5 kN·m

4.ردود أفعال ركائز الكمرات

الإجابة: M_A = 130 kN·m

محصّلة الحمل المثلثي

W = ½·15·6 = 45 kN

x̄ = L/3 = 2 m

العزم حول الجدار

M_A = W·x̄ + P·a = 45·2 + 10·4 = 130 kN·m

الإجابة

M_A = 130 kN·m

5.الجملون: طريقة العقد

الإجابة: العضو BF

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 B

يقع AB وBC على خط مستقيم واحد ولا تحمل العقدة حملًا. اتزان القوى عبر ذلك الخط لا يُبقي إلا BF.

ΣF⊥ = 0 → F_BF = 0

تحقق بطريقة العقد

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

AB: 34,69 kN (T), BC: 34,69 kN (T), CD: 47,81 kN (T), DE: 47,81 kN (T), FG: 54,38 kN (C), GH: 54,38 kN (C), AF: 57,81 kN (C), HE: 79,69 kN (C), BF: 0, CG: 35 kN (C), DH: 20 kN (T), FC: 32,81 kN (T), HC: 10,94 kN (T)

الإجابة

عضو القوة الصفرية: BF

6.الجملون: طريقة العقد

الإجابة: العضو CG

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: 92,08 kN (T), BC: 92,5 kN (T), CD: 92,5 kN (T), DE: 46,25 kN (T), FG: 92,08 kN (C), GH: 46,25 kN (C), AF: 83,85 kN (C), HE: 57,81 kN (C), BF: 20,31 kN (T), CG: 0, DH: 34,69 kN (T), BG: 0,5208 kN (C), DG: 57,81 kN (C)

الإجابة

عضو القوة الصفرية: CG

7.الإطارات والآلات

الإجابة: C = 6,222 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 = 5 kN

T = 5·2/2,7 = 3,704 kN

مركّبتا قوة المسمار على BC

C_x = T = 3,704 kN, C_y = −B_y = −5 kN

المقدار

C = √(3,704² + 5²) = 6,222 kN

الإجابة

C = 6,222 kN

8.الإطارات والآلات

الإجابة: F_CD = 65,15 kN

محصلة الحمل المنتظم

w·L = 3·2,4 = 7,2 kN عند 1,2 m

العزوم حول A للعارضة

F_CD·0,2873·2 = 7,2·1,2 + 12·2,4 = 37,44 kN·m

F_CD = 65,15 kN

الإجابة

F_CD = 65,15 kN

9.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: M_x = −63,38 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: −40·1,5 = −60 kN·m

w: −3·1,5²/2 = −3,375 kN·m

M_x = −60 − 3,375 = −63,38 kN·m

الإجابة

M_x = −63,38 kN·m

الإشارة السالبة تعني التحدّب: شدّ على الوجه العلوي.

10.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: M_max = 78 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 = 8·5 = 40 kN، تؤثّر عند x̄ = 2,5 m

ΣM_A = 0: R_B·5 = 45·2 + 8·5·2,5

R_B = 190/5 = 38 kN

ΣF_y = 0: R_A = 85 − 38 = 47 kN

أين يكون V = 0؟

V(2⁻) = R_A − w·2 = 31 kN

V(2⁺) = 31 − 45 = −14 kN

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

أقصى عزم

M_max = R_A·2 − w·2²/2 = 47·2 − 8·2²/2 = 78 kN·m

الإجابة

M_max = 78 kN·m

يقع عند x = 2 m من A.

11.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: I_x = 4,529 × 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 = 100·15 = 1500 mm², y_f = 100 + 15/2 = 107,5 mm

الجذع: A_w = 20·100 = 2000 mm², y_w = 100/2 = 50 mm

المركز

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (1500·107,5 + 2000·50)/3500 = 74,64 mm

نظرية المحور الموازي

الشفة: 100·15³/12 + 1500·(107,5 − 74,64)² = 1,648 × 10⁶ mm⁴

الجذع: 20·100³/12 + 2000·(50 − 74,64)² = 2,881 × 10⁶ mm⁴

I_x = 1,648 × 10⁶ + 2,881 × 10⁶ = 4,529 × 10⁶ mm⁴ = 4,529 × 10⁶ mm⁴

الإجابة

I_x = 4,529 × 10⁶ mm⁴

12.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: I_x = 141 × 10⁶ mm⁴

قسّم إلى ثلاثة مستطيلات

قِس كل y من الحافة السفلية.

الشفة العلوية: A = 1600 mm², y = 293 mm

الجذع: A = 4320 mm², y = 153 mm

الشفة السفلية: A = 5220 mm², y = 9 mm

المركز

ȳ = (1600·293 + 4320·153 + 5220·9)/11140 = 105,6 mm

نظرية المحور الموازي

الشفة العلوية: 160·10³/12 + 1600·187,4² = 5,618 × 10⁷ mm⁴

الجذع: 16·270³/12 + 4320·47,37² = 3,594 × 10⁷ mm⁴

الشفة السفلية: 290·18³/12 + 5220·96,63² = 4,888 × 10⁷ mm⁴

I_x = 5,618 × 10⁷ + 3,594 × 10⁷ + 4,888 × 10⁷

I_x = 1,41 × 10⁸ mm⁴ = 141 × 10⁶ mm⁴

الإجابة

I_x = 141 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics