정역학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 12개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

벡터: 내적과 외적

크기
|a| = √(ax² + ay² + az²)
단위 벡터
û = a/|a|
각도에서 성분 구하기
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
내적
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
a를 b 위에 투영한 스칼라 투영
a·b/|b|
일
W = F·d
외적
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
넓이
평행사변형 |a × b|, 삼각형 ½|a × b|
O에 대한 모멘트
MO = r × F, r = A − O
평행육면체의 부피
V = |a·(b × c)|

방법

  1. 모든 벡터를 성분으로 쓰세요. 크기와 각도로 주어진 힘은 F·cos θ와 F·sin θ를 쓰세요.
  2. 길이와 방향에는 크기 √(x² + y² + z²)와 단위 벡터 a/|a|를 쓰세요.
  3. 각도, 투영, 수직 여부, 일에는 내적을 쓰세요: a·b = |a||b|cos θ.
  4. 수직 벡터, 넓이, 모멘트에는 외적을 쓰세요. 세 성분을 조심스럽게 쓰고 순서 a × b를 지키세요.

보의 지점 반력

평형
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
등분포 하중
합력 w·L이 하중 중앙에 작용
모멘트
M = F·d

방법

  1. 자유물체도를 그리고 각 지점을 반력으로 바꾸세요.
  2. 모든 분포 하중을 그 도심에 작용하는 하나의 집중 하중으로 바꾸세요.
  3. 한 지점에 대한 모멘트를 취해 다른 지점의 반력을 구하세요.
  4. ΣFy = 0으로 나머지 반력을 구하고, 두 번째 모멘트 방정식으로 확인하세요.

트러스: 절점법

절점법
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
단면법
ΣM = 0 about a cut point
부재력
양수 = 인장, 음수 = 압축

방법

  1. 트러스 전체의 지점 반력을 구하세요.
  2. 절점법: 미지 부재력이 둘 이하인 절점에서 시작하여 ΣFx = 0과 ΣFy = 0을 쓰세요.
  3. 단면법: 필요한 부재를 지나도록 자르고, 나머지 미지 부재들이 만나는 점에 대해 모멘트를 취하세요.
  4. 인장으로 가정하세요. 답이 음수이면 압축입니다.

프레임과 기계

각 부재의 평형
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
2력 부재
두 핀을 잇는 직선을 따르는 힘
핀 힘
연결된 두 부재에서 크기가 같고 방향이 반대
핀 힘의 크기
F = √(Fx² + Fy²)
레버, 펜치, 벨 크랭크
Fin·a = Fout·b
토글
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
등분포 하중
합력 w·L이 하중 중앙에 작용

방법

  1. 구조 전체를 그리고, 미지수가 3개 이하이면 지점 반력을 구하시오.
  2. 2력 부재를 찾으세요: 두 핀에만 하중을 받으므로 그 힘은 두 핀을 잇는 직선을 따릅니다.
  3. 프레임을 분해하고 각 부재를 따로 그리세요. 부재가 만나는 곳에서는 크기가 같고 방향이 반대인 핀 힘을 그립니다.
  4. 각 부재에 대해 미지의 힘이 작용하는 핀에 대해 모멘트를 취한 다음 ΣFx = 0과 ΣFy = 0을 쓰세요. 성분은 마지막에 합쳐 크기로 만듭니다.

전단력과 휨 모멘트

전단력과 휨모멘트
V = 한쪽의 ΣF, M = 한쪽의 ΣF·d
휨 응력
σ = M·y/I
직사각형
I = bh³/12
단면 계수
W = I/ymax
단순 지지, 등분포 하중
Mmax = wL²/8

방법

  1. 보 전체의 평형에서 지점 반력을 구하세요.
  2. 필요한 단면에서 보를 자르고 한쪽만 남기세요.
  3. 전단력: 그쪽에 작용하는 연직력의 합. 굽힘 모멘트: 절단면에 대한 그 힘들의 모멘트 합.
  4. 최대 모멘트는 전단력이 0인 곳에서 찾으세요.

도심과 단면 2차 모멘트

도심
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
직사각형
I = bh³/12
평행축 정리
I = Ic + A·d²
합성 단면
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

2연습 문제

1.벡터: 내적과 외적보통
xyzab

a = (0, 1, 6)와 b = (−6, −7, 1)의 내적 a·b을(를) 구하시오.

a = (0, 1, 6)b = (−6, −7, 1)
a·b =
2.벡터: 내적과 외적어려움
xyzrFOA

힘 F = (−60, 40, 50) N이 점 A(−3, 4, 0)에 작용한다. 좌표의 단위는 미터이다. 원점 O(0, 0, 0)에 대한 힘의 모멘트의 y성분 My을(를) 구하시오.

F = (−60, 40, 50) NA(−3, 4, 0) mO(0, 0, 0) m
My = N·m
3.보의 지점 반력보통
w = 8 kN/mP = 15 kNABRA​ = ?3 m5 m

캔틸레버 보는 A에서 벽에 고정되어 있다. 전체 길이에 등분포 하중 w가 작용하고, 벽에서 3 m 떨어진 곳에 집중 하중 P가 작용한다. 벽의 연직 반력 RA을(를) 구하시오.

L = 8 mP = 15 kN 위치 3 mw = 8 kN/m, 0부터 8 m까지
RA = kN
4.보의 지점 반력어려움
P = 75 kNQ = 30 kNADCRD​ = ?1.5 m1.5 m2.5 m0.5 m

겔버보는 A에서 벽에 고정되어 있고, C(A에서 3 m)에 내부 힌지가 있으며, D(A에서 6 m)의 롤러 위에 놓여 있다. 하중은 A에서 5.5 m 떨어진 곳의 집중 하중 P 그리고 A에서 1.5 m 떨어진 곳의 집중 하중 Q이다. 롤러의 반력 RD을(를) 구하시오.

AC = 3 mAD = 6 mP = 75 kN 위치 5.5 mQ = 30 kN 위치 1.5 m
RD = kN
5.트러스: 절점법보통
ABBCACACB20 kN6 m5 m4 m

절점법으로 부재 AC의 부재력 FAC을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.

경간 = 6 m높이 = 4 mB는 A에서 5 m연직 하중 = 20 kN
FAC = kN
6.트러스: 절점법어려움
ABBCACACB60 kN10 kN5 m4 m4 m

절점법으로 부재 AB의 부재력 FAB을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.

경간 = 5 m높이 = 4 mB는 A에서 4 m연직 하중 = 60 kN수평 하중 = 10 kN →
FAB = kN
7.프레임과 기계보통
100 NQ = ?15°ABC

그림의 토글 클램프에서 같은 길이의 두 링크 AB와 BC가 B에서 핀으로 연결되어 있고, 각각 선 AC와 15°를 이룹니다. B에 100 N의 아래 방향 힘이 가해집니다. 슬라이더 C가 공작물을 누릅니다. 마찰과 자중을 무시하고 수평 조임력 Q을(를) 구하시오.

F = 100 Nθ = 15°
Q = N
8.프레임과 기계어려움
w = 5 kN/m6 kN0.8 m0.7 m1.2 mABCD

그림의 벽 브래킷의 보 AB는 A에서 핀으로 연결되어 있고 지주 CD가 받칩니다(C는 A보다 1.2 m 아래). 보는 전체 길이에 걸쳐 5 kN/m의 등분포 하중과 자유단 B에 6 kN의 집중 하중을 받습니다. 지주의 힘 FCD을(를) 구하시오.

w = 5 kN/mP = 6 kNAD = 0.8 mAB = 1.5 mAC = 1.2 m
FCD = kN
9.전단력과 휨 모멘트보통
25 kN35 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

표시점 A부터 G는 보를 같은 여섯 부분으로 나눕니다. 어느 표시점에서 굽힘 모멘트의 크기가 가장 큽니까(정이든 부이든)? 그림에서 클릭하세요.

25 kN @ 4 m35 kN @ 6 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
10.전단력과 휨 모멘트어려움
w = 5 kN/mP = 20 kNAB7 m1 m

단순보의 전체 경간에 등분포 하중 w가 작용하고 집중 하중 P도 작용한다. 보의 최대 휨 모멘트 Mmax을(를) 구하시오.

L = 8 mP = 20 kN 위치 7 mw = 5 kN/m, 0부터 8 m까지
Mmax = kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트보통
260150t = 14x치수 단위: mm

ㄷ형강 단면이 열린 쪽을 위로 하여 놓여 있다. 폭 260 mm의 밑판에 두 개의 세운 다리가 있으며 전체 높이는 150 mm이다. 밑판과 다리의 두께는 모두 14 mm이다. 도심을 지나는 수평축 x에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.

b = 260 mmh = 150 mmt = 14 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트어려움
120103008x정모멘트 M치수 단위: mm

주철 보는 그림과 같은 T형 단면이며 플랜지가 위에 있다. 허용 응력은 인장 60 MPa, 압축 90 MPa이다. 보가 견딜 수 있는 최대 정(正) 휨 모멘트 Mallow을(를) 구하시오.

bf = 120 mmtf = 10 mmtw = 8 mmhw = 300 mmσt,allow = 60 MPaσc,allow = 90 MPa
Mallow = kN·m

3용액

1.벡터: 내적과 외적

답: a·b = −1

내적: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ는 스칼라입니다. 두 벡터 사이의 각도를 cos θ = a·b/(|a|·|b|)로 구할 수 있고, 두 벡터가 수직이면 0입니다. a를 b 위에 투영한 스칼라 투영은 a·b/|b|이며, 일정한 힘 F가 변위 d만큼 움직이는 동안 한 일은 W = F·d입니다.

대응하는 성분끼리 곱하여 더하기

a·b = 0·(−6) + 1·(−7) + 6·1 = 0 + (−7) + 6 = −1

답

a·b = −1

음수: 두 벡터 사이의 각도가 90°보다 큽니다.

2.벡터: 내적과 외적

답: My = 150 N·m

외적: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)는 두 벡터에 모두 수직이고, |a × b| = |a|·|b|·sin θ는 두 벡터가 만드는 평행사변형의 넓이입니다(삼각형은 그 절반). 순서가 중요합니다: b × a = −(a × b). 점 A에 작용하는 힘 F의 점 O에 대한 모멘트는 MO = r × F이며, r = A − O입니다.

O에서 A로 가는 위치 벡터

r = A − O = (−3, 4, 0) − (0, 0, 0) = (−3, 4, 0) m

모멘트 M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 4·50 − 0·40 = 200 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 0·(−60) − (−3)·50 = 150 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−3)·40 − 4·(−60) = 120 N·m

요청된 성분

My = 150 N·m

답

My = 150 N·m
3.보의 지점 반력

답: RA = 79 kN

캔틸레버의 평형: 고정 지점은 위로 밀 수 있고 회전에도 저항하므로 연직 반력 RA와 반력 모멘트 MA를 줍니다. ΣFy = 0에서 RA가 나오고, 벽에 대한 모멘트에서 MA = Σ(하중 × 벽으로부터의 거리)가 나옵니다. 분포 하중은 하중도의 도심에 작용하는 합력으로 작용합니다.

분포 하중의 합력

W = 8·8 = 64 kN, x̄ = 4 m

연직 방향 평형

RA = P + W = 15 + 64 = 79 kN

답

RA = 79 kN
4.보의 지점 반력

답: RD = 62.5 kN

정적 평형: 정지한 물체는 임의의 점에 대해 ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0을 만족합니다. 각 분포 하중을 하중도의 도심에 작용하는 합력(그 넓이)으로 바꾸고, 한 지점에 대한 모멘트를 취해 그 지점의 반력을 식에서 없애세요. 내부 힌지는 휨 모멘트를 전달할 수 없으므로 방정식이 하나 더 생깁니다. 어느 한쪽의 힘들의 힌지에 대한 모멘트는 0입니다.

CD 부분

힌지에는 모멘트가 없으므로 CD만의 C에 대한 모멘트가 평형을 이루어야 합니다.

ΣMC = 0: RD·3 = 75·2.5
RD = 62.5 kN
VC = 75 − 62.5 = 12.5 kN

답

RD = 62.5 kN
5.트러스: 절점법

답: FAC = 4.167 kN

절점법: 트러스의 모든 절점은 평형 상태이므로 각 절점에서 ΣFx = 0, ΣFy = 0입니다. 미지 부재력이 두 개 이하인 절점부터 시작하세요. 결과가 음수이면 그 부재는 압축입니다.

ABBCACACB20 kNAy​Cy​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·6 = 20·5 → Cy = 16.67 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 16.67 = 3.333 kN

절점 C

롤러는 연직 반력만 주므로 절점 C의 미지 부재력은 두 개뿐입니다. 둘 다 인장이라고 가정합니다.

sin γ = 4/4.123 = 0.9701, cos γ = 1/4.123 = 0.2425
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −16.67/0.9701 = −17.18 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−17.18)·0.2425 = 4.167 kN

답

FAC = 4.167 kN (인장)
6.트러스: 절점법

답: FAB = −5.657 kN

절점법: 트러스의 모든 절점은 평형 상태이므로 각 절점에서 ΣFx = 0, ΣFy = 0입니다. 미지 부재력이 두 개 이하인 절점부터 시작하세요. 결과가 음수이면 그 부재는 압축입니다.

ABBCACACB60 kN10 kNAy​Cy​Ax​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·5 = 60·4 + 10·4 → Cy = 56 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 56 = 4 kN
ΣFx = 0: Ax = −10 kN

절점 A

모든 부재가 인장(절점에서 멀어지는 방향으로 당김)이라고 가정합니다. A에서 연직 성분이 있는 것은 AB뿐입니다.

sin α = 4/5.657 = 0.7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −4/0.7071 = −5.657 kN

답

FAB = −5.657 kN (압축)
7.프레임과 기계

답: Q = 186.6 N

기계: 펜치, 레버, 링크 기구, 클램프는 입력 힘을 더 큰 힘이나 다른 방향의 출력 힘으로 바꿉니다. 한 부품을 자유물체로 그리고 회전축에 대해 모멘트를 취하세요: 핀 힘은 사라지고, Fin·a = Fout·b에서 기계적 이득 a/b가 나옵니다. 핀 힘은 같은 부품에 ΣF = 0을 적용하면 구해집니다. 토글에서는 두 링크가 얕은 각 θ로 만납니다. 각 링크는 2력 부재이므로 이음부의 작은 힘 F가 큰 링크 힘 F/(2 sin θ)와 조임력 F/(2 tan θ)를 만듭니다.

핀 B의 평형

2·Flink·sin 15° = 100
Flink = 193.2 N

조임력

Q = Flink·cos 15° = 100/(2·tan 15°) = 186.6 N

답

Q = 186.6 N

링크가 펴질수록 힘의 비 Q/F = 1.866는 한없이 커집니다.

8.프레임과 기계

답: FCD = 21.97 kN

프레임과 기계: 트러스와 달리 프레임에는 두 곳보다 많은 지점에서 힘을 받거나 두 핀 사이에 하중을 받는 부재가 적어도 하나 있습니다. 먼저 2력 부재를 찾으세요: 두 핀에서만 하중을 받는 부재는 그 힘이 두 핀을 잇는 직선을 따르므로 미지수가 둘이 아니라 하나만 늘어납니다. 그다음 미지수가 3개 이하이면 구조 전체로 지점 반력을 구합니다. 마지막으로 프레임을 분해합니다: 각 부재를 따로 그리고, 연결된 두 부재에서 크기가 같고 방향이 반대인 핀 힘을 그린 뒤 ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0을 씁니다. 핀에 대해 모멘트를 취하면 그 핀 힘의 두 성분이 모두 식에서 사라집니다.

등분포 하중의 합력

w·L = 5·1.5 = 7.5 kN 위치 0.75 m

보: A에 대한 모멘트

FCD·0.8321·0.8 = 7.5·0.75 + 6·1.5 = 14.63 kN·m
FCD = 21.97 kN

답

FCD = 21.97 kN
9.전단력과 휨 모멘트

답: D (x = 6 m)

가장 큰 굽힘 모멘트: M은 전단력이 바뀌는 곳마다 기울기가 바뀌므로, 그 최댓값은 전단력이 0을 지나는 곳에 있습니다: 집중 하중 아래, 분포 하중 안, 또는 내민 보의 지점 위. 캔틸레버의 고정 지점에서는 모멘트가 벽에서 가장 큽니다. 그곳들의 M의 크기를 비교하세요, 정(+)이든 부(−)이든.

지점 반력

한 지점에 대해 모멘트를 취한 다음 수직 힘의 평형을 쓰세요.

R1 = 34.17 kN, R2 = 25.83 kN

모든 표시점에서의 굽힘 모멘트

절단면 한쪽의 모든 힘의 모멘트를 합하세요. 정(+)굽힘이 양수, 부(−)굽힘이 음수입니다.

MA = 0, MB = 68.33, MC = 136.7, MD = 155 kN·m, ME = 103.3, MF = 51.67, MG = 0

답

표시점 D: MD = 155 kN·m
10.전단력과 휨 모멘트

답: Mmax = 50.63 kN·m

단면법: 내력을 구하려는 곳에서 보를 자르고 한쪽을 남깁니다. 전단력 V는 그쪽의 연직력과, 휨 모멘트 M은 그 힘들의 절단면에 대한 모멘트와 평형을 이룹니다. 최대 모멘트: dM/dx = V이므로 휨 모멘트는 전단력이 0을 지나는 곳, 즉 집중 하중 위치나 분포 하중 구간 안에서 최대가 됩니다.

지점 반력

보 전체의 평형.

분포 하중의 합력: W = w·ℓ = 5·8 = 40 kN, 작용점 x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 20·7 + 5·8·4
RB = 300/8 = 37.5 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 37.5 = 22.5 kN

V = 0인 곳은?

RA − w·x0 = 0 → x0 = 22.5/5 = 4.5 m

최대 모멘트

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = 22.5·4.5 − 5·4.5²/2 = 50.63 kN·m

답

Mmax = 50.63 kN·m

A에서 x = 4.5 m인 곳에서 생깁니다.

11.도심과 단면 2차 모멘트

답: Ix = 16.4 × 10⁶ mm⁴

조합 단면: 단면을 직사각형으로 나눕니다. 도심은 면적 가중 평균 ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ입니다. 도심축에 대한 단면 2차 모멘트는 각 부분의 bh³/12와 평행축 항 A·d²(d는 부분 도심과 전체 도심 사이 거리)를 더한 값입니다. 휨 응력은 σ = M·y/I.

직사각형으로 나누기

밑판은 전체 폭으로, 두 다리는 그 위의 높이(h − t)로 잡으면 중복 계산이 없습니다.

기제: A1 = 260·14 = 3640 mm², y1 = 7 mm
두 다리: A2 = 2·14·136 = 3808 mm², y2 = 14 + 136/2 = 82 mm

도심

ȳ = (3640·7 + 3808·82)/7448 = 45.35 mm

평행축 정리

기제: 260·14³/12 + 3640·(7 − 45.35)² = 5.412 × 10⁶ mm⁴
두 다리: 2·14·136³/12 + 3808·(82 − 45.35)² = 1.099 × 10⁷ mm⁴
Ix = 5.412 × 10⁶ + 1.099 × 10⁷
Ix = 1.64 × 10⁷ mm⁴ = 16.4 × 10⁶ mm⁴

답

Ix = 16.4 × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트

답: Mallow = 11.08 kN·m

조합 단면: 단면을 직사각형으로 나눕니다. 도심은 면적 가중 평균 ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ입니다. 도심축에 대한 단면 2차 모멘트는 각 부분의 bh³/12와 평행축 항 A·d²(d는 부분 도심과 전체 도심 사이 거리)를 더한 값입니다. 휨 응력은 σ = M·y/I.

도심

ȳ = (1200·305 + 2400·150)/3600 = 201.7 mm
윗면 가장자리: c = 310 − 201.7 = 108.3 mm

단면 2차 모멘트

I = 120·10³/12 + 1200·103.3² + 8·300³/12 + 2400·51.67² = 3.723 × 10⁷ mm⁴

각 가장자리가 허용하는 모멘트

정모멘트: 위는 압축, 아래는 인장입니다.

윗면 가장자리: M = 90·3.723 × 10⁷/108.3 = 30.93 kN·m
아랫면 가장자리: M = 60·3.723 × 10⁷/201.7 = 11.08 kN·m

지배 값

Mallow = min = 11.08 kN·m (아랫면 가장자리)

답

Mallow = 11.08 kN·m

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