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 = (20, 30, 15) N على جسم بينما يتحرّك في خط مستقيم من النقطة A(−1, −3, −5) إلى النقطة B(3, −1, −4). الإحداثيات بالمتر. أوجد الشغل W الذي تبذله القوة.
F = (20, 30, 15) NA(−1, −3, −5) mB(3, −1, −4) m
W = J
2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهيصعبة
للمتّجهين a = (4, 5, 2) و b = (3, 5, −2)، أوجد المركّبة y (a × b)y للضرب الاتجاهي a × b.
a = (4, 5, 2)b = (3, 5, −2)
(a × b)y =
3.ردود أفعال ركائز الكمراتمتوسطة
الكمرة الكابولية مثبَّتة في الجدار عند A. تحمل حملًا موزّعًا بانتظام w على طولها كله وحملًا مركّزًا P على بعد 2 m من الجدار. أوجد مقدار عزم ردّ الفعل MA عند الجدار.
L = 4 mP = 65 kN عند 2 mw = 5 kN/m من 0 إلى 4 m
MA = kN·m
4.ردود أفعال ركائز الكمراتصعبة
الكمرة الكابولية مثبَّتة في الجدار عند A. تحمل حملًا متغيّرًا خطيًا شدته 6 kN/m عند الجدار وينخفض إلى الصفر عند الطرف الحر B، إضافةً إلى حمل مركّز P على بعد 8 m من الجدار. أوجد مقدار عزم ردّ الفعل MA عند الجدار.
L = 10 mw0 = 6 kN/mP = 25 kN عند 8 m
MA = 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.
استخدم طريقة العقد لإيجاد القوة FBC في العضو BC. اجعل الشدّ موجبًا والضغط سالبًا.
البحر = 6 mالارتفاع = 2 mتبعد B مسافة 1 m عن Aالحمل الرأسي = 60 kNالحمل الأفقي = 20 kN →
FBC = kN
7.الإطارات والآلاتمتوسطة
يقف الإطار A الموضح على مسمار عند A ومسند دحرجي عند B والمسافة بينهما 6 m. تلتقي الساقان عند المسمار C على ارتفاع 3 m، والرباط الأفقي DE على ارتفاع 0,8 m فوق الأرض. يؤثر حمل 5 kN عند C. أوجد مقدار القوة C التي يؤثر بها المسمار C على الساق BC.
P = 5 kNAB = 6 mارتفاع C = 3 mارتفاع DE = 0,8 m
C = kN
8.الإطارات والآلاتصعبة
للإطار الموضح مسامير عند A وB وC؛ النقطتان A وC مثبتتان بالأرض والمسافة بينهما 3 m، والنقطة B على ارتفاع 3 m وعلى بُعد 1,8 m إلى يمين A. يحمل العنصر AB حملًا رأسيًا 8 kN عند K التي تبعد 1,08 m (أفقيًا) عن A، ويؤثر حمل أفقي 8 kN نحو اليمين عند B على العنصر AB. أوجد مقدار رد الفعل الأفقي Ax عند A.
P = 8 kNQ = 8 kNL = 3 mH = 3 mالمسافة الأفقية من A إلى B = 1,8 mالمسافة الأفقية من A إلى K = 1,08 m
Ax = kN
9.قوة القص وعزم الانحناءمتوسطة
ترتكز الكمرة على مسمار في A وبكرة في B، وتبرز بعد B مسافة 2 m حتى الطرف الحر C. تحمل حملًا مركّزًا P1 بين الركيزتين وحملًا مركّزًا P2 عند C. أوجد عزم الانحناء MB عند الركيزة B. اعتبر العزوم التي تشدّ الألياف السفلية (التقعّر) موجبة، وقوة القص إلى الأعلى على الوجه الأيسر موجبة.
L = 10 mP1 = 70 kN عند 5 mP2 = 20 kN عند 10 mركيزتان عند x = 0 و x = 8 m
MB = kN·m
10.قوة القص وعزم الانحناءصعبة
الكمرة البسيطة الارتكاز تحمل حملًا موزّعًا بانتظام على جزء من بحرها. أوجد المسافة x0 من A إلى المقطع الذي يكون عنده عزم الانحناء أكبر ما يمكن.
L = 6 mw = 6 kN/m من 1 إلى 5 m
x0 = m
11.المركز وعزم القصور الذاتيمتوسطة
لوح أبعاده 100 mm × 240 mm فيه ثقب دائري قطره 50 mm على خطه الرأسي المنصِّف، ومركزه على ارتفاع 168 mm فوق القاع. أوجد عزم القصور الذاتي للمساحة Ix حول المحور الأفقي المار بالمركز الهندسي.
b = 100 mmh = 240 mmd = 50 mmمركز الثقب: y = 168 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.المركز وعزم القصور الذاتيصعبة
يُستخدم مقطع T ككمرة والشفة في الأعلى، ويحمل عزم انحناء موجبًا مقداره 50 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 = (3, −1, −4) − (−1, −3, −5) = (4, 2, 1) m
الشغل
W = F·d = 20·4 + 30·2 + 15·1 = 155 J
الإجابة
W = 155 J
2.المتّجهات: الضرب القياسي والاتجاهي
الإجابة: (a × b)y = 14
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، مركّبةً مركّبة
(a × b)x = aybz − azby = 5·(−2) − 2·5 = −20
(a × b)y = azbx − axbz = 2·3 − 4·(−2) = 14
(a × b)z = axby − aybx = 4·5 − 5·3 = 5
المركّبة المطلوبة
(a × b)y = 14
الإجابة
(a × b)y = 14
تحقّق: a × b عمودي على المتّجهين كليهما، لذا ضربه القياسي مع a ومع b صفر.
3.ردود أفعال ركائز الكمرات
الإجابة: MA = 170 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 الموزّع
W = 5·4 = 20 kN, x̄ = 2 m
العزم حول الجدار
MA = P·a + W·x̄ = 65·2 + 20·2 = 170 kN·m
الإجابة
MA = 170 kN·m
4.ردود أفعال ركائز الكمرات
الإجابة: MA = 300 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 = ½·6·10 = 30 kN
x̄ = L/3 = 3,333 m
العزم حول الجدار
MA = W·x̄ + P·a = 30·3,333 + 25·8 = 300 kN·m
الإجابة
MA = 300 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 → FBF = 0
تحقق بطريقة العقد
حل كل العقد يعطي قوى الأعضاء هذه (T = شد، C = ضغط).
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·6 = 60·1 + 20·2 → Cy = 16,67 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 16,67 = 43,33 kN
ΣFx = 0: Ax = −20 kN
العقدة C
البكرة تعطي ردّ فعل رأسيًا فقط، لذا في العقدة C قوتان مجهولتان فقط. افترض أن كليهما في حالة شدّ.
sin γ = 2/5,385 = 0,3714, cos γ = 5/5,385 = 0,9285
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.
قوة الرباط من الساق BC
By = 2,5 kN
T = 2,5·3/2,2 = 3,409 kN
مركّبتا قوة المسمار على BC
Cx = T = 3,409 kN, Cy = −By = −2,5 kN
المقدار
C = √(3,409² + 2,5²) = 4,228 kN
الإجابة
C = 4,228 kN
8.الإطارات والآلات
الإجابة: Ax = 3,648 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 = 3,231 m, cos = 0,3714, sin = 0,9285
الإطار كاملًا: العزوم حول A
FBC·0,9285·3 = 8·1,08 + 8·3
FBC = 11,72 kN
الاتزان الأفقي
Ax + 8 − 11,72·0,3714 = 0
Ax = −3,648 kN → |Ax| = 3,648 kN
الإجابة
Ax = 3,648 kN
تعني الإشارة السالبة أن Ax تتجه نحو اليسار.
9.قوة القص وعزم الانحناء
الإجابة: MB = −40 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. حمل الجزء البارز يؤثّر أيضًا بعزم حول A.
ΣMA = 0: RB·8 = 70·5 + 20·10
RB = 550/8 = 68,75 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 68,75 = 21,25 kN
اقطع عند B واحتفظ بالجزء البارز
يؤثّر P2 وحده على الجزء البارز، بذراع عزم a. وهو يحني الكمرة إلى الأعلى فوق الركيزة (تحدّب).
MB = −P2·a = −20·2 = −40 kN·m
الإجابة
MB = −40 kN·m
10.قوة القص وعزم الانحناء
الإجابة: x0 = 3 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 = 6·4 = 24 kN، تؤثّر عند x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 6·4·3
RB = 72/6 = 12 kN
ΣFy = 0: RA = 24 − 12 = 12 kN
انعدام القص
تبدأ قوة القص عند RA، وتبقى ثابتة على أي جزء غير محمَّل، وتتناقص بميل w داخل الحمل.
RA − w·(x0 − 1) = 0
x0 = 1 + 12/6 = 3 m
الإجابة
x0 = 3 m
11.المركز وعزم القصور الذاتي
الإجابة: Ix = 110 × 10⁶ mm⁴
المقاطع ذات الثقوب: عامل الثقب على أنه مساحة سالبة. المركز الهندسي هو ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂)، حيث A₁ وy₁ للوح الكامل وA₂ وy₂ للثقب. ولعزم القصور الذاتي للمساحة حول المحور المار بالمركز الهندسي، استخدم نظرية المحاور المتوازية لكل جزء واطرح الثقب: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²)، حيث d هي المسافة من المركز الهندسي لكل جزء إلى المحور المار بـ ȳ. للمستطيل Ic = bh³/12 وللدائرة Ic = πd⁴/64.
المركز
ȳ = (24000·120 − 1963·168)/(24000 − 1963) = 115,7 mm
اللوح الكامل حول ȳ
100·240³/12 + 24000·4,277² = 115,6 × 10⁶ mm⁴
الثقب حول ȳ
π·50⁴/64 + 1963·52,28² = 5,673 × 10⁶ mm⁴
اطرح
Ix = 110 × 10⁶ mm⁴
الإجابة
Ix = 110 × 10⁶ mm⁴
12.المركز وعزم القصور الذاتي
الإجابة: σالأعلى = 48,18 MPa
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 = 180·30 = 5400 mm², yf = 280 + 30/2 = 295 mm
الجذع: Aw = 16·280 = 4480 mm², yw = 280/2 = 140 mm