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 = (−1, −5, 0) と b = (−1, −2, 5) のなす角 θ を度で求めよ。

a = (−1, −5, 0)b = (−1, −2, 5)

θ = °

2.ベクトル：内積と外積むずかしい

単位ベクトル n̂ は、a = (−4, 2, −4) と b = (−4, 4, 0) の両方に垂直で、z 成分が正である。その y 成分 n̂_y を求めよ。

a = (−4, 2, −4)b = (−4, 4, 0)n̂_z > 0

n̂_y =

3.はりの支点反力ふつう

はりは A でピン支点、A から 3 m の B でローラー支点に支持され、B から自由端 C まで張り出している。上向きを正として鉛直反力 R_B を求めよ。

AB = 3 mAC = 5 mP₁ = 55 kN 位置 2.5 mP₂ = 30 kN 位置 5 m

R_B = kN

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 = 4 mP = 15 kN 位置 1 mw = 3 kN/m（1 から 3 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。

F: 25 kN ↓H: 35 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 BC の軸力 F_BC 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 1 m鉛直荷重 = 25 kN水平荷重 = 20 kN →

F_BC = kN

7.ラーメンと機械ふつう

図のベルクランクはピン O のまわりに回ります。A（O から 120 mm）での鉛直の力 250 N が、B（O の 120 mm 上）での水平な力とつり合っています。ピン反力の大きさ F_O を求めなさい。

F = 250 NOA = 120 mmOB = 120 mm

F_O = N

8.ラーメンと機械むずかしい

図の A 形フレームは、3 m 離れた A のピンと B のローラーで立っています。脚は高さ 3.6 m のピン C で出会い、水平なつなぎ材 DE で 1 m の位置で結ばれています。C に右向きの水平力 2 kN が作用します。つなぎ材の張力 T を求めなさい。

P = 2 kNAB = 3 mC の高さ = 3.6 mDE の高さ = 1 m

T = kN

9.せん断力と曲げモーメントふつう

支点 A から x = 2.5 m の断面におけるせん断力 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 = 4 mw = 2 kN/m（0 から 4 m まで）x = 2.5 m

V_x = kN

10.せん断力と曲げモーメントむずかしい

単純ばりのスパンの一部に等分布荷重が作用する。はりの最大曲げモーメント M_max を求めよ。

L = 5 mw = 20 kN/m（0 から 2 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 180 mm、厚さ 12 mm、全高は 340 mm、ウェブの厚さは 6 mm である。水平な図心軸 x に関する断面二次モーメント I_x を求めよ。

B = 180 mmH = 340 mmt_f = 12 mmt_w = 6 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.図心と断面二次モーメントむずかしい

120 mm × 300 mm の板に、幅 80 mm、高さ 20 mm の長方形の切り欠きがあり、鉛直の中心線上で、その中心は下端から 210 mm の高さにあります。図心を通る水平軸まわりの断面二次モーメント I_x を求めなさい。

b = 120 mmh = 300 mm切り欠き: 80 × 20 mm穴の中心: y = 210 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3溶液

1.ベクトル：内積と外積

答え: θ = 66.8 °

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 = (−1)·(−1) + (−5)·(−2) + 0·5 = 11

大きさ

|a| = √((−1)² + (−5)² + 0²) = 5.099

|b| = √((−1)² + (−2)² + 5²) = 5.477

位相角

cos θ = 11/(5.099·5.477) = 0.3939

θ = arccos(0.3939) = 66.8°

答え

θ = 66.8°

2.ベクトル：内積と外積

答え: n̂_y = −0.6667

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。

外積

(a × b)_x = a_yb_z − a_zb_y = 2·0 − (−4)·4 = 16

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = (−4)·(−4) − (−4)·0 = 16

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = (−4)·4 − 2·(−4) = −8

正規化する

a × b の z 成分は負なので、−(a × b) を使います。

|a × b| = √(16² + 16² + (−8)²) = 24

n̂ = −(16, 16, −8)/24 = (−0.6667, −0.6667, 0.3333)

n̂_y = −0.6667

答え

n̂_y = −0.6667

3.はりの支点反力

答え: R_B = 95.83 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。各分布荷重を、荷重図の図心に作用する合力（その面積）に置き換え、支点まわりのモーメントをとってその支点の反力を式から消去します。

A まわりのモーメント

反時計回りを正とします。

ΣM_A = 0: R_B·3 = 55·2.5 + 30·5

R_B = 287.5/3 = 95.83 kN

鉛直方向のつり合い

R_A = 55 + 30 − 95.83 = −10.83 kN

答え

R_B = 95.83 kN

R_A は負です：A のピンははりを下に押さえつけなければなりません。

4.はりの支点反力

答え: R_A = 14.25 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 = 3·2 = 6 kN、作用点 x̄ = 2 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 15·1 + 3·2·2

R_B = 27/4 = 6.75 kN

ΣF_y = 0: R_A = 21 − 6.75 = 14.25 kN

答え

R_A = 14.25 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: 27.5 kN (T), BC: 30 kN (T), CD: 30 kN (T), DE: 32.5 kN (T), FG: 27.5 kN (C), GH: 32.5 kN (C), AF: 38.89 kN (C), HE: 45.96 kN (C), BF: 2.5 kN (T), CG: 0, DH: 2.5 kN (C), BG: 3.536 kN (C), DG: 3.536 kN (T)

答え

ゼロ部材: CG

6.トラス：節点法

答え: F_BC = −27.54 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 = 25·1 + 20·3 → C_y = 14.17 kN

ΣF_y = 0: A_y = 25 − 14.17 = 10.83 kN

ΣF_x = 0: A_x = −20 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 = 3/5.831 = 0.5145, cos γ = 5/5.831 = 0.8575

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −14.17/0.5145 = −27.54 kN

答え

F_BC = −27.54 kN (圧縮)

7.ラーメンと機械

答え: F_O = 353.6 N

機械：ペンチ、てこ、リンク機構、クランプは、入力の力をより大きな、または向きの異なる出力の力に変えます。1 つの部品を自由物体として描き、その支点まわりのモーメントをとります：ピン力は消え、F_in·a = F_out·b から機械的利益 a/b が得られます。ピン力は、同じ部品の ΣF = 0 から求まります。トグルでは、2 本のリンクが浅い角度 θ で出会います。各リンクは二力部材なので、接合部の小さな力 F が、大きなリンク力 F/(2 sin θ) と締め付け力 F/(2 tan θ) を生みます。

B の力

Q = 250·120/120 = 250 N

ピン反力

O_x = 250 N, O_y = 250 N

F_O = √(250² + 250²) = 353.6 N

答え

F_O = 353.6 N

8.ラーメンと機械

答え: T = 1.385 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。

フレーム全体：A まわりのモーメント

B_y·3 = 2·3.6

B_y = 2.4 kN

脚 BC：C まわりのモーメント

2.4·1.5 = T·2.6

T = 1.385 kN

答え

T = 1.385 kN

T が正なら、仮定したとおり、つなぎ材は引張を受けています。

9.せん断力と曲げモーメント

答え: V_x = −1 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。

分布荷重の合力：W = w·ℓ = 2·4 = 8 kN、作用点 x̄ = 2 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 2·4·2

R_B = 16/4 = 4 kN

ΣF_y = 0: R_A = 8 − 4 = 4 kN

x = 2.5 m で切断し、左側を残す

切断面より左の力だけを考えます。分布荷重の一部は、その部分の中央に働く 1 つの力として扱います。

V = R_A − （切断面より左の下向き荷重すべて）

V_x = 4 − 2·2.5 = −1 kN

答え

V_x = −1 kN

10.せん断力と曲げモーメント

答え: M_max = 25.6 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 = 20·2 = 40 kN、作用点 x̄ = 1 m

ΣM_A = 0: R_B·5 = 20·2·1

R_B = 40/5 = 8 kN

ΣF_y = 0: R_A = 40 − 8 = 32 kN

せん断力 0 の位置

せん断力は R_A から始まり、荷重のない区間では一定のまま、荷重区間内では勾配 w で減少します。

R_A − w·(x₀ − 0) = 0

x₀ = 0 + 32/20 = 1.6 m

最大モーメント

M_max = R_A·x₀ − w·(x₀ − 0)²/2 = 32·1.6 − 20·1.6²/2 = 25.6 kN·m

答え

M_max = 25.6 kN·m

11.図心と断面二次モーメント

答え: I_x = 132 × 10⁶ mm⁴

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 = 340 − 2·12 = 316 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (180·340³ − 174·316³)/12

I_x = 1.32 × 10⁸ mm⁴ = 132 × 10⁶ mm⁴

答え

I_x = 132 × 10⁶ mm⁴

12.図心と断面二次モーメント

答え: I_x = 263.9 × 10⁶ mm⁴

穴のある断面：穴は負の面積として扱います。図心は ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂) で、A₁、y₁ は穴のない全体の板、A₂、y₂ は穴に対するものです。図心軸まわりの断面二次モーメントは、各部分に平行軸の定理を使い、穴の分を引きます：I = (I_c1 + A₁d₁²) − (I_c2 + A₂d₂²)。ここで d は各部分自身の図心から ȳ を通る軸までの距離です。長方形は I_c = bh³/12、円は I_c = πd⁴/64 です。

図心

ȳ = (36000·150 − 1600·210)/(36000 − 1600) = 147.2 mm

ȳ まわりの全体の板

120·300³/12 + 36000·2.791² = 270.3 × 10⁶ mm⁴

ȳ まわりの穴

80·20³/12 + 1600·62.79² = 6.362 × 10⁶ mm⁴

引く

I_x = 263.9 × 10⁶ mm⁴

答え

I_x = 263.9 × 10⁶ mm⁴

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