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

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

a = (1, −6, 4), b = (−5, 1, 3)일 때 외적 a × b의 x성분 (a × b)x을(를) 구하시오.

a = (1, −6, 4)b = (−5, 1, 3)
(a × b)x =
3.보의 지점 반력보통
w = 12 kN/mP = 60 kNABMA​ = ?2.5 m1.5 m

캔틸레버 보는 A에서 벽에 고정되어 있다. 벽에서 2.5 m까지 등분포 하중 w가 작용하고, 벽에서 2.5 m 떨어진 곳에 집중 하중 P가 작용한다. 벽의 반력 모멘트 크기 MA을(를) 구하시오.

L = 4 mP = 60 kN 위치 2.5 mw = 12 kN/m, 0부터 2.5 m까지
MA = kN·m
4.보의 지점 반력어려움
w = 6 kN/mP = 50 kNABCRA​ = ?1 m2 m2 m3 m

보는 A에 힌지, A에서 5 m 떨어진 B에 롤러가 있고, B에서 자유단 C까지 내밀어져 있다. A에서 1 m 떨어진 곳에 집중 하중 P가, 3 m에서 8 m의 자유단까지 등분포 하중 w가 작용한다. 위쪽을 양으로 하여 연직 반력 RA을(를) 구하시오.

AB = 5 mAC = 8 mP = 50 kN 위치 1 mw = 6 kN/m, 3부터 8 m까지
RA = kN
5.트러스: 절점법보통
ABBCACACB50 kN8 m6 m4 m

절점법으로 부재 BC의 부재력 FBC을(를) 구하시오. 인장은 양, 압축은 음으로 답한다.

경간 = 8 m높이 = 4 mB는 A에서 6 m연직 하중 = 50 kN
FBC = kN
6.트러스: 절점법어려움
ABBCACACB25 kN10 kN8 m1 m4 m

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

경간 = 8 m높이 = 4 mB는 A에서 1 m연직 하중 = 25 kN수평 하중 = 10 kN →
FAB = kN
7.프레임과 기계보통
200 NQ = ?10°ABC

그림의 토글 클램프에서 같은 길이의 두 링크 AB와 BC가 B에서 핀으로 연결되어 있고, 각각 선 AC와 10°를 이룹니다. B에 200 N의 아래 방향 힘이 가해집니다. 슬라이더 C가 공작물을 누릅니다. 마찰과 자중을 무시하고 수평 조임력 Q을(를) 구하시오.

F = 200 Nθ = 10°
Q = N
8.프레임과 기계어려움
F = ?4000 N5 mmABC

토글 프레스에 핀 사이 길이가 각각 80 mm인 같은 링크 AB와 BC가 있습니다. 이음부 B는 선 AC 위 5 mm에 있습니다. 슬라이더 C에서 4000 N의 수평 압력을 내려면 B에 가하는 아래 방향 힘 F은(는) 얼마여야 합니까? 마찰과 자중은 무시합니다.

Q = 4000 NAB = BC = 80 mmh = 5 mm
F = N
9.전단력과 휨 모멘트보통
P1​ = 70 kNP2​ = 80 kNABC5 m3 m1.5 m

보는 A의 힌지와 B의 롤러 위에 놓여 있고, B에서 자유단 C까지 1.5 m만큼 내밀어져 있다. 지점 사이에 집중 하중 P1, C에 집중 하중 P2이 작용한다. 하중 P1 아래의 휨 모멘트 Mx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.

L = 9.5 mP1 = 70 kN 위치 5 mP2 = 80 kN 위치 9.5 mx = 0과 x = 8 m에 지점
Mx = kN·m
10.전단력과 휨 모멘트어려움
6 kN/m45 kN10 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.

45 kN @ 12 m10 kN @ 4 m6 kN/m, 0–8 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)
11.도심과 단면 2차 모멘트보통
120 mm200 mm120 mmØ50xIx​ = ?

120 mm × 200 mm 판의 수직 중심선 위에 지름 50 mm의 원형 구멍이 있고 그 중심은 아래에서 120 mm 위에 있습니다. 도심을 지나는 수평축에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.

b = 120 mmh = 200 mmd = 50 mm구멍 중심: y = 120 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트어려움
2801526014xM = 10 kN·m치수 단위: mm

T형 단면을 플랜지가 위로 가도록 보로 사용하며, 양의 휨 모멘트 10 kN·m을(를) 받는다. 위 가장자리의 휨 응력 σ위의 크기를 구하시오.

bf = 280 mmtf = 15 mmtw = 14 mmhw = 260 mmM = 10 kN·m
σ위 = MPa

3용액

1.벡터: 내적과 외적

답: a·b = −49

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.

대응하는 성분끼리 곱하여 더하기

a·b = 0·1 + (−7)·1 + 7·(−6) = 0 + (−7) + (−42) = −49

답

a·b = −49

음수: 두 벡터 사이의 각도가 90°보다 큽니다.

2.벡터: 내적과 외적

답: (a × b)x = −22

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.

성분별로 구하는 외적

(a × b)x = aybz − azby = (−6)·3 − 4·1 = −22
(a × b)y = azbx − axbz = 4·(−5) − 1·3 = −23
(a × b)z = axby − aybx = 1·1 − (−6)·(−5) = −29

요청된 성분

(a × b)x = −22

답

(a × b)x = −22

확인: a × b는 두 벡터에 모두 수직이므로, a 및 b와의 내적이 0입니다.

3.보의 지점 반력

답: MA = 187.5 kN·m

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 = 12·2.5 = 30 kN, x̄ = 1.25 m

벽에 대한 모멘트

MA = P·a + W·x̄ = 60·2.5 + 30·1.25 = 187.5 kN·m

답

MA = 187.5 kN·m
4.보의 지점 반력

답: RA = 37 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.

분포 하중의 합력

W = 6·5 = 30 kN, x̄ = (3 + 8)/2 = 5.5 m

평형

A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양. 그다음 연직 방향 힘의 평형.

ΣMA = 0: RB·5 = 50·1 + 30·5.5
RB = 215/5 = 43 kN
RA = 80 − 43 = 37 kN

답

RA = 37 kN
5.트러스: 절점법

답: FBC = −41.93 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.

ABBCACACB50 kNAy​Cy​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·8 = 50·6 → Cy = 37.5 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 37.5 = 12.5 kN

절점 C

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

sin γ = 4/4.472 = 0.8944, cos γ = 2/4.472 = 0.4472
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −37.5/0.8944 = −41.93 kN

답

FBC = −41.93 kN (압축)
6.트러스: 절점법

답: FAB = −17.39 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.

ABBCACACB25 kN10 kNAy​Cy​Ax​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·8 = 25·1 + 10·4 → Cy = 8.125 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 8.125 = 16.88 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 = 4/4.123 = 0.9701
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −16.88/0.9701 = −17.39 kN

답

FAB = −17.39 kN (압축)
7.프레임과 기계

답: Q = 567.1 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 10° = 200
Flink = 575.9 N

조임력

Q = Flink·cos 10° = 200/(2·tan 10°) = 567.1 N

답

Q = 567.1 N

링크가 펴질수록 힘의 비 Q/F = 2.836는 한없이 커집니다.

8.프레임과 기계

답: F = 501 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.

링크 각

sin θ = 5/80 = 0.0625, θ = 3.583°

링크 힘

Flink = Q/cos θ = 4008 N

B에서의 힘

F = 2·Flink·sin θ = 2·4000·tan θ = 501 N

답

F = 501 N
9.전단력과 휨 모멘트

답: Mx = 56.25 kN·m

단면법: 내력을 구하려는 곳에서 보를 자르고 한쪽을 남깁니다. 전단력 V는 그쪽의 연직력과, 휨 모멘트 M은 그 힘들의 절단면에 대한 모멘트와 평형을 이룹니다.

지점 반력

보 전체의 평형입니다. 내민 부분의 하중도 A에 대해 모멘트를 만듭니다.

ΣMA = 0: RB·8 = 70·5 + 80·9.5
RB = 1110/8 = 138.8 kN
ΣFy = 0: RA = 150 − 138.8 = 11.25 kN

P1 아래에서 자르고 왼쪽 부분을 남긴다

Mx = RA·5 = 11.25·5 = 56.25 kN·m

답

Mx = 56.25 kN·m
10.전단력과 휨 모멘트

답: E (x = 8 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 = 6.5 kN, R2 = 96.5 kN

모든 표시점에서의 굽힘 모멘트

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

MA = 0, MB = 1, MC = −22, MD = −89, ME = −180 kN·m, MF = −90, MG = 0

답

표시점 E: ME = −180 kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트

답: Ix = 78.84 × 10⁶ mm⁴

구멍이 있는 단면: 구멍은 음의 넓이로 취급합니다. 도심은 ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂)이며, A₁, y₁은 구멍이 없는 전체 판, A₂, y₂는 구멍의 값입니다. 도심축에 대한 단면 2차 모멘트는 각 부분에 평행축 정리를 쓰고 구멍을 뺍니다: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²). 여기서 d는 각 부분 자신의 도심에서 ȳ를 지나는 축까지의 거리입니다. 직사각형은 Ic = bh³/12, 원은 Ic = πd⁴/64입니다.

도심

ȳ = (24000·100 − 1963·120)/(24000 − 1963) = 98.22 mm

ȳ에 대한 전체 판

120·200³/12 + 24000·1.782² = 80.08 × 10⁶ mm⁴

ȳ에 대한 구멍

π·50⁴/64 + 1963·21.78² = 1.238 × 10⁶ mm⁴

빼기

Ix = 78.84 × 10⁶ mm⁴

답

Ix = 78.84 × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트

답: σ위 = 12.42 MPa

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.

두 직사각형으로 나누기

모든 y는 아래 가장자리에서 잽니다.

플랜지: Af = 280·15 = 4200 mm², yf = 260 + 15/2 = 267.5 mm
웨브: Aw = 14·260 = 3640 mm², yw = 260/2 = 130 mm

도심

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4200·267.5 + 3640·130)/7840 = 203.7 mm

평행축 정리

플랜지: 280·15³/12 + 4200·(267.5 − 203.7)² = 1.72 × 10⁷ mm⁴
웨브: 14·260³/12 + 3640·(130 − 203.7)² = 4.026 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1.72 × 10⁷ + 4.026 × 10⁷ = 5.745 × 10⁷ mm⁴

휨 응력

위 가장자리는 축에서 h − ȳ 떨어져 있습니다.

y = 275 − 203.7 = 71.34 mm
σ = M·y/I = 1 × 10⁷·71.34/5.745 × 10⁷ = 12.42 MPa

답

σ위 = 12.42 MPa

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