그림의 벨 크랭크는 핀 O를 중심으로 회전합니다. A(O에서 200 mm)의 50 N 수직 힘이 B(O보다 150 mm 위)의 수평 힘과 평형을 이룹니다. 핀 반력의 크기 FO을(를) 구하시오.
F = 50 NOA = 200 mmOB = 150 mm
FO = N
8.프레임과 기계어려움
그림의 프레임에는 A, B, C에 핀이 있습니다. A와 C는 6 m 떨어져 지면에 고정되어 있고, B는 높이 2.5 m, A의 오른쪽 3.6 m에 있습니다. 부재 AB는 A에서 (수평으로) 0.9 m 떨어진 K에서 6 kN의 수직 하중을 받고, B에서는 오른쪽으로 향하는 5 kN의 수평 하중이 부재 AB에 작용합니다. A의 수평 반력 Ax의 크기를 구하시오.
P = 6 kNQ = 5 kNL = 6 mH = 2.5 mA에서 B까지의 수평 거리 = 3.6 mA에서 K까지의 수평 거리 = 0.9 m
Ax = kN
9.전단력과 휨 모멘트보통
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. 지점 B에서의 휨 모멘트 MB을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.
L = 5.5 mP1 = 80 kN 위치 3 mP2 = 30 kN 위치 5.5 mx = 0과 x = 4 m에 지점
MB = kN·m
10.전단력과 휨 모멘트어려움
지점 A에서 x = 6 m인 단면의 휨 모멘트 Mx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.
L = 10 mP = 40 kN 위치 9 mw = 12 kN/m, 0부터 10 m까지x = 6 m
Mx = kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트보통
100 mm × 150 mm 판의 수직 중심선 위에 지름 50 mm의 원형 구멍이 있고 그 중심은 아래에서 45 mm 위에 있습니다. 도심을 지나는 수평축에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.
b = 100 mmh = 150 mmd = 50 mm구멍 중심: y = 45 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트어려움
100 mm × 240 mm 판에 폭 60 mm, 높이 50 mm의 직사각형 절취부가 수직 중심선 위에 있고 그 중심은 아래에서 84 mm 위에 있습니다. 도심을 지나는 수평축에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.
b = 100 mmh = 240 mm절취부: 60 × 50 mm구멍 중심: y = 84 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
3용액
1.벡터: 내적과 외적
답: k = −3.333
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.
내적이 0
a·b = (−1)·2 + (−6)·k + (−3)·6 = 0
−20 + (−6)·k = 0
k 구하기
k = −(−20)/(−6) = −3.333
답
k = −3.333
2.벡터: 내적과 외적
답: A = 22.63 m²
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.
정적 평형: 정지한 물체는 임의의 점에 대해 ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0을 만족합니다. 한 지점에 대한 모멘트를 취하면 그 지점의 반력이 식에서 사라집니다.
자유물체도
지점을 반력으로 바꿉니다. 롤러는 연직 반력 하나를 줍니다. 연직 하중만 있으면 힌지도 연직 반력 하나를 줍니다.
평형
A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양. 그다음 연직 방향 힘의 평형.
ΣMA = 0: RB·8 = 20·4 + 55·7
RB = 465/8 = 58.13 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 58.13 = 16.88 kN
답
RB = 58.13 kN
4.보의 지점 반력
답: MA = 170 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.
삼각형 하중의 합력
W = ½·15·5 = 37.5 kN
x̄ = 2L/3 = 3.333 m
벽에 대한 모멘트
MA = W·x̄ + P·a = 37.5·3.333 + 15·3 = 170 kN·m
답
MA = 170 kN·m
5.트러스: 절점법
답: 부재 CG
영력 부재: 절점에서는 모든 방향으로 힘이 평형을 이루어야 합니다. 절점에 하중도 지점도 없고 세 부재 중 두 개가 일직선이면, 그 직선에 수직인 방향의 평형에는 세 번째 부재만 관여하므로 그 힘은 0입니다. 하중이 없는 절점에 두 부재만 만나고 일직선이 아니면 둘 다 0입니다.
절점 G
FG과 GH은 한 직선 위에 있고 절점에는 하중이 없습니다. 그 직선에 수직인 방향으로 힘의 평형을 잡으면 CG만 남습니다.
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.
B에서의 힘
Q = 50·200/150 = 66.67 N
핀 반력
Ox = 66.67 N, Oy = 50 N
FO = √(66.67² + 50²) = 83.33 N
답
FO = 83.33 N
8.프레임과 기계
답: Ax = 2.136 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.
BC의 방향
BC = 3.466 m, cos = 0.6925, sin = 0.7214
프레임 전체: A에 대한 모멘트
FBC·0.7214·6 = 6·0.9 + 5·2.5
FBC = 4.136 kN
수평 평형
Ax + 5 − 4.136·0.6925 = 0
Ax = −2.136 kN → |Ax| = 2.136 kN
답
Ax = 2.136 kN
음의 부호는 Ax가 왼쪽을 향한다는 뜻입니다.
9.전단력과 휨 모멘트
답: MB = −45 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·4 = 80·3 + 30·5.5
RB = 405/4 = 101.3 kN
ΣFy = 0: RA = 110 − 101.3 = 8.75 kN
B에서 자르고 내민 부분을 남긴다
내민 부분에는 P2만 작용하며 모멘트 팔은 a입니다. 이 하중은 지점 위에서 보를 위로 볼록하게 휩니다(부모멘트).
MB = −P2·a = −30·1.5 = −45 kN·m
답
MB = −45 kN·m
10.전단력과 휨 모멘트
답: Mx = 168 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 평형.
분포 하중의 합력: W = w·ℓ = 12·10 = 120 kN, 작용점 x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 40·9 + 12·10·5
RB = 960/10 = 96 kN
ΣFy = 0: RA = 160 − 96 = 64 kN
x = 6 m에서 자르고 왼쪽 부분을 남기기
절단면 왼쪽의 힘만 고려합니다. 분포 하중의 일부는 그 부분 중앙에 작용하는 하나의 힘으로 봅니다.
M = RA·x − (절단면 왼쪽의 각 하중 × 절단면까지의 거리)
Mx = 64·6 − 12·6·3 = 168 kN·m
답
Mx = 168 kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트
답: Ix = 25.78 × 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 = (15000·75 − 1963·45)/(15000 − 1963) = 79.52 mm
ȳ에 대한 전체 판
100·150³/12 + 15000·−4.518² = 28.43 × 10⁶ mm⁴
ȳ에 대한 구멍
π·50⁴/64 + 1963·−34.52² = 2.646 × 10⁶ mm⁴
빼기
Ix = 25.78 × 10⁶ mm⁴
답
Ix = 25.78 × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트
답: Ix = 110.1 × 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 = (24000·120 − 3000·84)/(24000 − 3000) = 125.1 mm