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 المسقط القياسي comp_b a لـ a = (−4, −2, 1) على b = (5, −6, 3)، أي مركّبة a في اتجاه b.

a = (−4, −2, 1)b = (5, −6, 3)

comp_b a =

2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة

تؤثّر قوة F = (60, 50, −30) N عند النقطة A(4, −1, −4). الإحداثيات بالمتر. أوجد المركّبة y M_y لعزم القوة حول نقطة الأصل O(0, 0, 0).

F = (60, 50, −30) NA(4, −1, −4) mO(0, 0, 0) m

M_y = N·m

3.ردود أفعال ركائز الكمراتمتوسطة

للكمرة مسمار في A وبكرة في B على بعد 6 m من A، وتبرز بعد B حتى الطرف الحر C. أوجد ردّ الفعل الرأسي R_A، معتبرًا الاتجاه إلى الأعلى موجبًا.

AB = 6 mAC = 8 mP₁ = 80 kN عند 4 mP₂ = 45 kN عند 8 m

R_A = kN

4.ردود أفعال ركائز الكمراتصعبة

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

L = 5 mP = 40 kN عند 2,5 mw = 3 kN/m من 3 إلى 5 m

R_B = kN

5.الجملون: طريقة العقدمتوسطة

استخدم طريقة العقد لإيجاد القوة F_AB في العضو AB. اجعل الشدّ موجبًا والضغط سالبًا.

البحر = 5 mالارتفاع = 2 mتبعد B مسافة 4 m عن Aالحمل الرأسي = 30 kN

F_AB = kN

6.الجملون: طريقة العقدصعبة

استخدم طريقة العقد لإيجاد القوة F_AB في العضو AB. اجعل الشدّ موجبًا والضغط سالبًا.

البحر = 5 mالارتفاع = 4 mتبعد B مسافة 2 m عن Aالحمل الرأسي = 60 kNالحمل الأفقي = 20 kN →

F_AB = kN

7.الإطارات والآلاتمتوسطة

يقف الإطار A الموضح على مسمار عند A ومسند دحرجي عند B والمسافة بينهما 2,4 m، ومسمار قمته C على ارتفاع 3 m والرباط الأفقي DE على ارتفاع 0,8 m فوق الأرض. يؤثر حمل رأسي 8 kN على الساق AC عند K التي تبعد 0,48 m (أفقيًا) عن A. أوجد قوة الشد T في الرباط.

P = 8 kNAB = 2,4 mارتفاع C = 3 mارتفاع DE = 0,8 mالمسافة الأفقية من A إلى K = 0,48 m

T = kN

8.الإطارات والآلاتصعبة

للإطار الموضح مسامير عند A وB وC؛ النقطتان A وC مثبتتان بالأرض والمسافة بينهما 5 m، والنقطة B على ارتفاع 2,5 m وعلى بُعد 2,25 m إلى يمين A. يحمل العنصر AB حملًا رأسيًا 15 kN عند K التي تبعد 1,125 m (أفقيًا) عن A، ويؤثر حمل أفقي 6 kN نحو اليمين عند B على العنصر AB. أوجد مقدار رد الفعل الأفقي A_x عند A.

P = 15 kNQ = 6 kNL = 5 mH = 2,5 mالمسافة الأفقية من A إلى B = 2,25 mالمسافة الأفقية من A إلى K = 1,125 m

A_x = kN

9.قوة القص وعزم الانحناءمتوسطة

الكمرة البسيطة الارتكاز تحمل ازدواجًا باتجاه عقارب الساعة M₀ = 20 kN·m عند x = 1 m من A، ولا يوجد حمل آخر. أوجد عزم الانحناء M_x يسار الازدواج مباشرةً. اعتبر العزوم التي تشدّ الألياف السفلية (التقعّر) موجبة، وقوة القص إلى الأعلى على الوجه الأيسر موجبة.

L = 4 mM₀ = 20 kN·m باتجاه عقارب الساعة، عند 1 m

M_x = kN·m

10.قوة القص وعزم الانحناءصعبة

أوجد عزم الانحناء M_x عند المقطع x = 4 m من الركيزة A. اعتبر العزوم التي تشدّ الألياف السفلية موجبة، وقوة القص إلى الأعلى على الوجه الأيسر موجبة.

L = 6 mP = 60 kN عند 4 mw = 8 kN/m من 0 إلى 6 mx = 4 m

M_x = kN·m

11.المركز وعزم القصور الذاتيمتوسطة

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

b_f = 240 mmt_f = 20 mmt_w = 16 mmh_w = 140 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.المركز وعزم القصور الذاتيصعبة

يُستخدم مقطع T ككمرة والشفة في الأعلى، ويحمل عزم انحناء موجبًا مقداره 15 kN·m. أوجد إجهاد الانحناء σ_الأسفل عند الحافة السفلية.

b_f = 300 mmt_f = 15 mmt_w = 18 mmh_w = 100 mmM = 15 kN·m

σ_الأسفل = MPa

3المحاليل

1.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: comp_b a = −0,5976

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

a·b = (−4)·5 + (−2)·(−6) + 1·3 = −5

طول b

|b| = √(5² + (−6)² + 3²) = 8,367

المسقط القياسي

comp_b a = a·b/|b| = −5/8,367 = −0,5976

الإجابة

comp_b a = −0,5976

سالب: لـ a مركّبة تشير عكس b.

2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي

الإجابة: M_y = −120 N·m

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.

متّجه الموضع من O إلى A

r = A − O = (4, −1, −4) − (0, 0, 0) = (4, −1, −4) m

العزم M = r × F

(r × F)_x = r_yF_z − r_zF_y = (−1)·(−30) − (−4)·50 = 230 N·m

(r × F)_y = r_zF_x − r_xF_z = (−4)·60 − 4·(−30) = −120 N·m

(r × F)_z = r_xF_y − r_yF_x = 4·50 − (−1)·60 = 260 N·m

المركّبة المطلوبة

M_y = −120 N·m

الإجابة

M_y = −120 N·m

3.ردود أفعال ركائز الكمرات

الإجابة: R_A = 11,67 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·6 = 80·4 + 45·8

R_B = 680/6 = 113,3 kN

الاتزان الرأسي

R_A = 80 + 45 − 113,3 = 11,67 kN

الإجابة

R_A = 11,67 kN

4.ردود أفعال ركائز الكمرات

الإجابة: R_B = 24,8 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.

محصّلة الحمل الموزّع: W = w·ℓ = 3·2 = 6 kN، تؤثّر عند x̄ = 4 m

ΣM_A = 0: R_B·5 = 40·2,5 + 3·2·4

R_B = 124/5 = 24,8 kN

ΣF_y = 0: R_A = 46 − 24,8 = 21,2 kN

الإجابة

R_B = 24,8 kN

5.الجملون: طريقة العقد

الإجابة: F_AB = −13,42 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 = 30·4 → C_y = 24 kN

ΣF_y = 0: A_y = 30 − 24 = 6 kN

العقدة A

افترض أن كل عضو في حالة شدّ (يسحب بعيدًا عن العقدة). فقط AB له مركّبة رأسية عند A.

sin α = 2/4,472 = 0,4472

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −6/0,4472 = −13,42 kN

الإجابة

F_AB = −13,42 kN (ضغط)

6.الجملون: طريقة العقد

الإجابة: F_AB = −22,36 kN

ردود أفعال الركائز

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

ΣM_A = 0: C_y·5 = 60·2 + 20·4 → C_y = 40 kN

ΣF_y = 0: A_y = 60 − 40 = 20 kN

ΣF_x = 0: A_x = −20 kN

العقدة A

افترض أن كل عضو في حالة شدّ (يسحب بعيدًا عن العقدة). فقط AB له مركّبة رأسية عند A.

sin α = 4/4,472 = 0,8944

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −20/0,8944 = −22,36 kN

الإجابة

F_AB = −22,36 kN (ضغط)

7.الإطارات والآلات

الإجابة: T = 0,8727 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.

الإطار كاملًا: العزوم حول A

B_y = 8·0,48/2,4 = 1,6 kN

الساق BC: العزوم حول C

1,6·1,2 = T·2,2

T = 0,8727 kN

الإجابة

T = 0,8727 kN

8.الإطارات والآلات

الإجابة: A_x = 1,012 kN

اتجاه BC

BC = 3,717 m, cos = 0,7399, sin = 0,6727

الإطار كاملًا: العزوم حول A

F_BC·0,6727·5 = 15·1,125 + 6·2,5

F_BC = 9,477 kN

الاتزان الأفقي

A_x + 6 − 9,477·0,7399 = 0

A_x = 1,012 kN → |A_x| = 1,012 kN

الإجابة

A_x = 1,012 kN

تتجه A_x نحو اليمين.

9.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: M_x = −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. الازدواج المؤثّر يجعل مخطط عزم الانحناء يقفز بمقدار الازدواج.

ردود أفعال الركائز

العزوم حول A، عكس عقارب الساعة موجب: R_B·L − M₀ = 0. الاتزان الرأسي: R_A + R_B = 0.

R_B = M₀/L = 20/4 = 5 kN (إلى الأعلى)

R_A = −R_B = −5 kN (إلى الأسفل)

اقطع يسار الازدواج مباشرةً

يحتوي الجزء الأيسر على R_A فقط.

M_x = R_A·a = −5·1 = −5 kN·m

الإجابة

M_x = −5 kN·m

10.قوة القص وعزم الانحناء

الإجابة: M_x = 112 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 = 8·6 = 48 kN، تؤثّر عند x̄ = 3 m

ΣM_A = 0: R_B·6 = 60·4 + 8·6·3

R_B = 384/6 = 64 kN

ΣF_y = 0: R_A = 108 − 64 = 44 kN

اقطع عند x = 4 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 = 44·4 − 8·4·2 = 112 kN·m

الإجابة

M_x = 112 kN·m

11.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: I_x = 13,59 × 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 = 240·20 = 4800 mm², y_f = 140 + 20/2 = 150 mm

الجذع: A_w = 16·140 = 2240 mm², y_w = 140/2 = 70 mm

المركز

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (4800·150 + 2240·70)/7040 = 124,5 mm

نظرية المحور الموازي

الشفة: 240·20³/12 + 4800·(150 − 124,5)² = 3,27 × 10⁶ mm⁴

الجذع: 16·140³/12 + 2240·(70 − 124,5)² = 1,032 × 10⁷ mm⁴

I_x = 3,27 × 10⁶ + 1,032 × 10⁷ = 1,359 × 10⁷ mm⁴ = 13,59 × 10⁶ mm⁴

الإجابة

I_x = 13,59 × 10⁶ mm⁴

12.المركز وعزم القصور الذاتي

الإجابة: σ_الأسفل = 234,1 MPa

قسّم إلى مستطيلين

قِس كل y من الحافة السفلية.

الشفة: A_f = 300·15 = 4500 mm², y_f = 100 + 15/2 = 107,5 mm

الجذع: A_w = 18·100 = 1800 mm², y_w = 100/2 = 50 mm

المركز

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (4500·107,5 + 1800·50)/6300 = 91,07 mm

نظرية المحور الموازي

الشفة: 300·15³/12 + 4500·(107,5 − 91,07)² = 1,299 × 10⁶ mm⁴

الجذع: 18·100³/12 + 1800·(50 − 91,07)² = 4,536 × 10⁶ mm⁴

I_x = 1,299 × 10⁶ + 4,536 × 10⁶ = 5,835 × 10⁶ mm⁴

إجهاد الانحناء

تبعد الحافة السفلية ȳ عن المحور.

y = 91,07 mm

σ = M·y/I = 1,5 × 10⁷·91,07/5,835 × 10⁶ = 234,1 MPa

الإجابة

σ_الأسفل = 234,1 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics