静力学：直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、12 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

ベクトル：内積と外積

大きさ: |a| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
単位ベクトル: û = a/|a|
角度から成分を求める: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
内積: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
a の b 上へのスカラー射影: a·b/|b|
仕事: W = F·d
外積: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
面積: 平行四辺形 |a × b|, 三角形 ½|a × b|
O まわりのモーメント: M_O = r × F, r = A − O
平行六面体の体積: V = |a·(b × c)|

解き方

すべてのベクトルを成分で書きます。大きさと角度で与えられた力には F·cos θ と F·sin θ を使います。
長さと向きには、大きさ √(x² + y² + z²) と単位ベクトル a/|a| を使います。
角度、射影、垂直性、仕事には内積を使います：a·b = |a||b|cos θ。
垂直なベクトル、面積、モーメントには外積を使います：3 つの成分を慎重に書き、順序 a × b を守ります。

はりの支点反力

つり合い: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
等分布荷重: 合力 w·L は荷重の中央に作用
モーメント: M = F·d

解き方

自由体図を描き、各支点を反力に置き換えます。
分布荷重はそれぞれ、その図心に作用する 1 つの力に置き換えます。
一方の支点まわりのモーメントをとり、もう一方の支点反力を求めます。
ΣF_y = 0 を使って残りの反力を求め、もう 1 つのモーメントの式で確かめます。

トラス：節点法

節点法: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
切断法: ΣM = 0 about a cut point
部材力: 正 = 引張、負 = 圧縮

解き方

トラス全体の支点反力を求めます。
節点法：未知の部材力が 2 つ以下の節点から始め、ΣF_x = 0 と ΣF_y = 0 を使います。
断面法：求めたい部材を通るように切断し、ほかの未知部材が交わる点まわりのモーメントをとります。
引張と仮定します。答えが負なら圧縮です。

ラーメンと機械

各部材のつり合い: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
二力部材: 2 つのピンを通る直線に沿った力
ピン力: 結合する 2 つの部材に、大きさが等しく向きが逆
ピン力の大きさ: F = √(F_x² + F_y²)
てこ、ペンチ、ベルクランク: F_in·a = F_out·b
トグル: F_link = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
等分布荷重: 合力 w·L は荷重の中央に作用

解き方

構造全体を描き、未知数が 3 つ以内なら支点反力を求めます。
二力部材を見つけます：2 つのピンだけで荷重を受けるので、その力は 2 つのピンを結ぶ直線に沿って働きます。
ラーメンをばらして各部材を単独で描き、部材どうしが接するところには大きさが等しく向きが逆のピン力を描きます。
各部材について、未知の力が働くピンまわりのモーメントをとり、続いて ΣF_x = 0 と ΣF_y = 0 を使います。成分は最後に合成して大きさにします。

せん断力と曲げモーメント

せん断力と曲げモーメント: V = 片側の ΣF、 M = 片側の ΣF·d
曲げ応力: σ = M·y/I
長方形: I = bh³/12
断面係数: W = I/y_max
単純支持、等分布荷重: M_max = wL²/8

解き方

はり全体のつり合いから支点反力を求めます。
必要な断面ではりを切断し、片側だけを考えます。
せん断力：その側に働く鉛直方向の力の和。曲げモーメント：それらの力の切断面まわりのモーメントの和。
最大曲げモーメントは、せん断力がゼロになる位置を求めて調べます。

図心と断面二次モーメント

図心: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
長方形: I = bh³/12
平行軸の定理: I = I_c + A·d²
組合せ断面: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

2演習問題

1.ベクトル：内積と外積ふつう

ベクトル a = (5, 2, 4) と b = (−2, 1, −5) のなす角 θ を度で求めよ。

a = (5, 2, 4)b = (−2, 1, −5)

θ = °

2.ベクトル：内積と外積むずかしい

力 F = (−60, 20, −50) N が点 A(1, −1, 0) に作用している。座標の単位はメートルである。点 O(−1, 0, −1) まわりの力のモーメントの y 成分 M_y を求めよ。

F = (−60, 20, −50) NA(1, −1, 0) mO(−1, 0, −1) m

M_y = N·m

3.はりの支点反力ふつう

片持ちばりは A で壁に固定されている。壁から 2 m まで等分布荷重 w が作用し、壁から 3 m の位置に集中荷重 P が作用する。壁における反力モーメント M_A の大きさを求めよ。

L = 5 mP = 35 kN 位置 3 mw = 2 kN/m（0 から 2 m まで）

M_A = kN·m

4.はりの支点反力むずかしい

単純ばりは A がピン支点、B がローラー支点である。鉛直支点反力 R_A を求めよ。

L = 10 mP = 15 kN 位置 2 mw = 3 kN/m（3 から 9 m まで）

R_A = kN

5.トラス：節点法ふつう

このトラスの部材のうち、これらの荷重で力を受け持たないのはちょうど 1 つです。ゼロ部材はどれですか？図でそれをクリックしなさい。

B: 30 kN ↓F: 25 kN ↓

1部材 AB
2部材 BC
3部材 CD
4部材 DE
5部材 FG
6部材 GH
7部材 AF
8部材 HE
9部材 BF
10部材 CG
11部材 DH
12部材 BG
13部材 DG

6.トラス：節点法むずかしい

節点法を使って部材 AC の軸力 F_AC を求めよ。引張を正、圧縮を負とする。

スパン = 6 m高さ = 3 mB は A から 4 m鉛直荷重 = 55 kN水平荷重 = 5 kN →

F_AC = kN

7.ラーメンと機械ふつう

図のフレームには A、B、C にピンがあり、A と C は 6 m 離れて地面に固定され、B は地面から 3 m の高さで A の 0.9 m 右にあります。部材 AB 上の A から（水平に）0.45 m の点 K に鉛直荷重 5 kN が作用します。部材 BC の力 F_BC を求めなさい。

P = 5 kNL = 6 mH = 3 mA から B までの水平距離 = 0.9 mA から K までの水平距離 = 0.45 m

F_BC = kN

8.ラーメンと機械むずかしい

図の A 形フレームは、5 m 離れた A のピンと B のローラーで立ち、頂点のピン C は高さ 4.5 m、水平なつなぎ材 DE は地面から 1 m の高さにあります。脚 AC 上の A から（水平に）1.25 m の点 K に、鉛直荷重 4 kN が作用します。ピン C が脚 BC に及ぼす力の大きさ C を求めなさい。

P = 4 kNAB = 5 mC の高さ = 4.5 mDE の高さ = 1 mA から K までの水平距離 = 1.25 m

C = kN

9.せん断力と曲げモーメントふつう

はりは A でピン支点、B でローラー支点に支持され、B から自由端 C まで 2 m 張り出している。支点間に集中荷重 P₁、C に集中荷重 P₂ が作用する。支点 B のすぐ左側でのせん断力 V_x を求めよ。下側が引張となる曲げモーメントを正、左側断面で上向きのせん断力を正とする。

L = 10 mP₁ = 55 kN 位置 4 mP₂ = 40 kN 位置 10 m支点の位置 x = 0 と x = 8 m

V_x = kN

10.せん断力と曲げモーメントむずかしい

単純ばりの全スパンに等分布荷重 w が作用し、さらに集中荷重 P が作用する。はりの最大曲げモーメント M_max を求めよ。

L = 8 mP = 70 kN 位置 6 mw = 5 kN/m（0 から 8 m まで）

M_max = kN·m

11.図心と断面二次モーメントふつう

対称な I 形断面のフランジは幅 170 mm、厚さ 14 mm、全高は 300 mm、ウェブの厚さは 10 mm である。水平な図心軸 x まわりの曲げに対する弾性断面係数 S_x を求めよ。

B = 170 mmH = 300 mmt_f = 14 mmt_w = 10 mm

S_x = × 10³ mm³

12.図心と断面二次モーメントむずかしい

溶接 I 形断面は、上フランジ 100 × 12 mm、高さ 260 mm・厚さ 10 mm のウェブ、下フランジ 210 × 12 mm（幅 × 厚さ）からなる。図心を通る水平軸 x に関する断面二次モーメント I_x を求めよ。

上フランジ: 100 × 12 mmウェブ: 10 × 260 mm下フランジ: 210 × 12 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3溶液

1.ベクトル：内積と外積

答え: θ = 139.6 °

内積（ドット積）：a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a|·|b|·cos θ はスカラーです。2 つのベクトルのなす角は cos θ = a·b/(|a|·|b|) から求められ、垂直なら内積は 0 です。a の b 上へのスカラー射影は a·b/|b| で、一定の力 F が変位 d だけ動くときの仕事は W = F·d です。

内積

a·b = 5·(−2) + 2·1 + 4·(−5) = −28

大きさ

|a| = √(5² + 2² + 4²) = 6.708

|b| = √((−2)² + 1² + (−5)²) = 5.477

位相角

cos θ = −28/(6.708·5.477) = −0.7621

θ = arccos(−0.7621) = 139.6°

答え

θ = 139.6°

2.ベクトル：内積と外積

答え: M_y = 40 N·m

外積（クロス積）：a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) は両方のベクトルに垂直で、|a × b| = |a|·|b|·sin θ は 2 つのベクトルが作る平行四辺形の面積です（三角形ならその半分）。順序が重要です：b × a = −(a × b)。点 A に加わる力 F の点 O まわりのモーメントは M_O = r × F（r = A − O）です。

O から A への位置ベクトル

r = A − O = (1, −1, 0) − (−1, 0, −1) = (2, −1, 1) m

モーメント M = r × F

(r × F)_x = r_yF_z − r_zF_y = (−1)·(−50) − 1·20 = 30 N·m

(r × F)_y = r_zF_x − r_xF_z = 1·(−60) − 2·(−50) = 40 N·m

(r × F)_z = r_xF_y − r_yF_x = 2·20 − (−1)·(−60) = −20 N·m

求める成分

M_y = 40 N·m

答え

M_y = 40 N·m

3.はりの支点反力

答え: M_A = 109 kN·m

片持ちばりのつり合い：固定支点は上向きに押すことも回転に抵抗することもできるので、鉛直反力 R_A と反力モーメント M_A を与えます。ΣF_y = 0 から R_A が、壁まわりのモーメントから M_A = Σ(荷重 × 壁からの距離) が求まります。分布荷重は、荷重図の図心に作用する合力として働きます。

分布荷重の合力

W = 2·2 = 4 kN, x̄ = 1 m

壁まわりのモーメント

M_A = P·a + W·x̄ = 35·3 + 4·1 = 109 kN·m

答え

M_A = 109 kN·m

4.はりの支点反力

答え: R_A = 19.2 kN

静的つり合い：静止した物体では、任意の点まわりに ΣF_x = 0、ΣF_y = 0、ΣM = 0 が成り立ちます。一方の支点まわりのモーメントをとると、その支点反力が式から消えます。

自由体図

支点を反力に置き換えます。ローラーは鉛直反力を 1 つ与えます。鉛直荷重のみなら、ピンも鉛直反力を 1 つ与えます。

つり合い

A まわりのモーメント（反時計回りを正）。次に鉛直方向の力のつり合い。

分布荷重の合力：W = w·ℓ = 3·6 = 18 kN、作用点 x̄ = 6 m

ΣM_A = 0: R_B·10 = 15·2 + 3·6·6

R_B = 138/10 = 13.8 kN

ΣF_y = 0: R_A = 33 − 13.8 = 19.2 kN

答え

R_A = 19.2 kN

5.トラス：節点法

答え: 部材 CG

ゼロ部材：節点では、力がどの方向でも釣り合わなければなりません。節点に荷重も支点もなく、3 つの部材のうち 2 つが一直線上にあるなら、その直線に直交する方向の釣り合いには 3 つ目の部材だけが関わるので、その力はゼロです。荷重のない節点に集まる部材が 2 つだけで、それらが一直線上にないなら、両方ともゼロです。

節点 C

BC と CD は一直線上にあり、節点に荷重はありません。その直線に直交する方向で力を釣り合わせると、CG だけが残ります。

ΣF⊥ = 0 → F_CG = 0

節点法で確認する

すべての節点を解くと、次の部材力が得られます（T = 引張、C = 圧縮）。

AB: 41.25 kN (T), BC: 27.5 kN (T), CD: 27.5 kN (T), DE: 13.75 kN (T), FG: 41.25 kN (C), GH: 13.75 kN (C), AF: 58.34 kN (C), HE: 19.45 kN (C), BF: 16.25 kN (T), CG: 0, DH: 13.75 kN (T), BG: 19.45 kN (T), DG: 19.45 kN (C)

答え

ゼロ部材: CG

6.トラス：節点法

答え: F_AC = 26.11 kN

節点法：トラスの各節点はつり合っているので、各節点で ΣF_x = 0、ΣF_y = 0 が成り立ちます。未知部材力が 2 つ以下の節点から始めます。結果が負なら、その部材は圧縮です。

支点反力

トラス全体のつり合い。A まわりのモーメント（反時計回りを正）。

ΣM_A = 0: C_y·6 = 55·4 + 5·3 → C_y = 39.17 kN

ΣF_y = 0: A_y = 55 − 39.17 = 15.83 kN

ΣF_x = 0: A_x = −5 kN

節点 C

ローラーは鉛直反力しか与えないので、節点 C の未知部材力は 2 つだけです。どちらも引張と仮定します。

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 = −39.17/0.8321 = −47.07 kN

ΣF_x = 0: −F_AC − F_BC·cos γ = 0 → F_AC = −(−47.07)·0.5547 = 26.11 kN

答え

F_AC = 26.11 kN (引張)

7.ラーメンと機械

答え: F_BC = 0.7396 kN

ラーメンと機械：トラスと違って、ラーメンには 3 点以上で力を受ける部材、またはピンとピンの間に荷重を受ける部材が少なくとも 1 つあります。まず二力部材を探します：2 つのピンだけで荷重を受ける部材の力はその 2 つのピンを通る直線に沿うので、未知数は 2 つではなく 1 つ増えるだけです。次に、未知数が 3 つ以内なら、構造全体で支点反力を求めます。最後にラーメンをばらします：各部材を別々に描き、接続する 2 つの部材には大きさが等しく向きが逆のピン力を描いて、ΣF_x = 0、ΣF_y = 0、ΣM = 0 を立てます。ピンまわりのモーメントをとると、そのピン力の 2 成分が式から消えます。

二力部材 BC

BC = √(5.1² + 3²) = 5.917 m

フレーム全体：A まわりのモーメント

地面は C で CB に沿って BC を押します：その水平成分は A を通り、モーメントをもつのは鉛直成分だけです。

F_BC·(3/5.917)·6 = 5·0.45

F_BC = 0.7396 kN （圧縮）

答え

F_BC = 0.7396 kN

8.ラーメンと機械

答え: C = 1.229 kN

B の支点反力

B_y = 4·1.25/5 = 1 kN

つなぎ材の力

T = 1·2.5/3.5 = 0.7143 kN

BC に作用するピン力

C_x = 0.7143 kN, C_y = −1 kN

C = √(0.7143² + 1²) = 1.229 kN

答え

C = 1.229 kN

9.せん断力と曲げモーメント

答え: V_x = −37.5 kN

断面法：内力を求めたい位置ではりを切断し、片側を残します。せん断力 V はその側の鉛直力と、曲げモーメント M はそれらの切断面まわりのモーメントとつり合います。

支点反力

はり全体のつり合いを考えます。張出し部の荷重も A まわりのモーメントに寄与します。

ΣM_A = 0: R_B·8 = 55·4 + 40·10

R_B = 620/8 = 77.5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 95 − 77.5 = 17.5 kN

B のすぐ左で切断し、左側を残す

V_x = R_A − P₁ = 17.5 − 55 = −37.5 kN

答え

V_x = −37.5 kN

10.せん断力と曲げモーメント

答え: M_max = 135 kN·m

断面法：内力を求めたい位置ではりを切断し、片側を残します。せん断力 V はその側の鉛直力と、曲げモーメント M はそれらの切断面まわりのモーメントとつり合います。 最大曲げモーメント：dM/dx = V なので、曲げモーメントはせん断力が 0 を通過する位置、つまり集中荷重の位置か分布荷重の区間内で最大になります。

支点反力

はり全体のつり合い。

分布荷重の合力：W = w·ℓ = 5·8 = 40 kN、作用点 x̄ = 4 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 70·6 + 5·8·4

R_B = 580/8 = 72.5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 110 − 72.5 = 37.5 kN

V = 0 となるのはどこですか？

V(6⁻) = R_A − w·6 = 7.5 kN

V(6⁺) = 7.5 − 70 = −62.5 kN

荷重の位置でせん断力の符号が変わるので、最大値は荷重の位置にあります。

最大モーメント

M_max = R_A·6 − w·6²/2 = 37.5·6 − 5·6²/2 = 135 kN·m

答え

M_max = 135 kN·m

それは A から x = 6 m の位置に生じます。

11.図心と断面二次モーメント

答え: S_x = 761.2 × 10³ mm³

断面二次モーメント：長方形では、自身の図心軸まわりで I = bh³/12、底辺まわりで bh³/3 です（平行軸の定理 I = I_c + A·d²）。穴は、両方の部分が同じ軸を共有する限り、その I を引いて扱います。弾性断面係数は S = I/c で、c は最外縁までの距離です。

外側の長方形 − 両側の切欠き 2 つ

2 つの切欠きを合わせると幅 (B − t_w)、高さ h_w = H − 2t_f で、軸 x を共有します。

h_w = 300 − 2·14 = 272 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (170·300³ − 160·272³)/12

I_x = 1.142 × 10⁸ mm⁴

断面係数

c = H/2 = 150 mm

S_x = I/c = 1.142 × 10⁸/150

S_x = 761231 mm³ = 761.2 × 10³ mm³

答え

S_x = 761.2 × 10³ mm³

12.図心と断面二次モーメント

答え: I_x = 78.4 × 10⁶ mm⁴

組み合わせ断面：断面を長方形に分けます。図心は面積で重み付けした平均 ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ です。図心軸まわりの断面二次モーメントは、各部分の bh³/12 と平行軸の項 A·d²（d は各部分の図心と全体の図心の距離）の和です。曲げ応力は σ = M·y/I。

3 つの長方形に分割

y はすべて下端から測ります。

上フランジ: A = 1200 mm², y = 278 mm

ウェブ: A = 2600 mm², y = 142 mm

下フランジ: A = 2520 mm², y = 6 mm

図心

ȳ = (1200·278 + 2600·142 + 2520·6)/6320 = 113.6 mm

平行軸の定理

上フランジ: 100·12³/12 + 1200·164.4² = 3.245 × 10⁷ mm⁴

ウェブ: 10·260³/12 + 2600·28.41² = 1.674 × 10⁷ mm⁴

下フランジ: 210·12³/12 + 2520·107.6² = 2.92 × 10⁷ mm⁴

I_x = 3.245 × 10⁷ + 1.674 × 10⁷ + 2.92 × 10⁷

I_x = 7.84 × 10⁷ mm⁴ = 78.4 × 10⁶ mm⁴

答え

I_x = 78.4 × 10⁶ mm⁴

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