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

벡터 a = (−1, 1, 2)와 b = (1, −3, 4) 사이의 각도 θ을(를) 도(°) 단위로 구하시오.

a = (−1, 1, 2)b = (1, −3, 4)
θ = °
2.벡터: 내적과 외적어려움
xyzab

단위 벡터 n̂은(는) a = (4, −3, 3)와 b = (3, 0, 5)에 모두 수직이고 z성분이 양수이다. 그 x성분 n̂x을(를) 구하시오.

a = (4, −3, 3)b = (3, 0, 5)n̂z > 0
n̂x =
3.보의 지점 반력보통
P1​ = 35 kNP2​ = 10 kNABCRA​ = ?4 m3 m3 m

보는 A에 힌지, A에서 7 m 떨어진 B에 롤러가 있고, B에서 자유단 C까지 내밀어져 있다. 위쪽을 양으로 하여 연직 반력 RA을(를) 구하시오.

AB = 7 mAC = 10 mP1 = 35 kN 위치 4 mP2 = 10 kN 위치 10 m
RA = kN
4.보의 지점 반력어려움
w = 6 kN/mP = 20 kNABRA​RB​ = ?2 m3 m2 m1 m

단순보는 A에 힌지, B에 롤러 지점이 있다. 연직 지점 반력 RB을(를) 구하시오.

L = 8 mP = 20 kN 위치 2 mw = 6 kN/m, 5부터 7 m까지
RB = kN
5.트러스: 절점법보통
ABBCACACB45 kN5 m4 m2 m

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

경간 = 5 m높이 = 2 mB는 A에서 4 m연직 하중 = 45 kN
FBC = kN
6.트러스: 절점법어려움
ABBCACACB15 kN25 kN8 m7 m4 m

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

경간 = 8 m높이 = 4 mB는 A에서 7 m연직 하중 = 15 kN수평 하중 = 25 kN →
FAC = kN
7.프레임과 기계보통
2 kN5 m1.2 m2.8 mABCDE

그림의 A형 프레임은 A의 핀과 B의 롤러 위에 서 있으며 둘 사이는 5 m입니다. 두 다리는 높이 4 m의 핀 C에서 만나고, 수평 타이 DE는 지면 위 1.2 m에 있습니다. C에 2 kN의 하중이 작용합니다. 핀 C가 다리 BC에 가하는 힘의 크기 C을(를) 구하시오.

P = 2 kNAB = 5 mC의 높이 = 4 mDE의 높이 = 1.2 m
C = kN
8.프레임과 기계어려움
2 kN3 kN2 m1.5 mABC

무게 3 kN의 균일한 수평 붐 AB가 A에서 벽에 핀으로 연결되어 있고, B에서 A보다 1.5 m 위의 벽의 점 C까지 케이블로 지지됩니다. B에 2 kN의 하중이 매달려 있습니다. 핀 반력의 크기 A을(를) 구하시오.

W = 2 kNWb = 3 kNAB = 2 mAC = 1.5 m
A = kN
9.전단력과 휨 모멘트보통
55 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.

55 kN @ 10 m35 kN @ 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)
10.전단력과 휨 모멘트어려움
w = 12 kN/mP = 15 kNAB단면3 m3 m4 m

지점 A에서 x = 3 m인 단면의 휨 모멘트 Mx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.

L = 10 mP = 15 kN 위치 6 mw = 12 kN/m, 0부터 10 m까지x = 3 m
Mx = kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트보통
210280128x치수 단위: mm

대칭 I형 단면의 플랜지는 폭 210 mm, 두께 12 mm이고, 전체 높이는 280 mm, 웨브 두께는 8 mm이다. 수평 도심축 x에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.

B = 210 mmH = 280 mmtf = 12 mmtw = 8 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트어려움
200151808xM = 30 kN·m치수 단위: mm

T형 단면을 플랜지가 위로 가도록 보로 사용하며, 양의 휨 모멘트 30 kN·m을(를) 받는다. 아래 가장자리의 휨 응력 σ아래을(를) 구하시오.

bf = 200 mmtf = 15 mmtw = 8 mmhw = 180 mmM = 30 kN·m
σ아래 = MPa

3용액

1.벡터: 내적과 외적

답: θ = 71.32 °

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.

내적

a·b = (−1)·1 + 1·(−3) + 2·4 = 4

크기들

|a| = √((−1)² + 1² + 2²) = 2.449
|b| = √(1² + (−3)² + 4²) = 5.099

위상각

cos θ = 4/(2.449·5.099) = 0.3203
θ = arccos(0.3203) = 71.32°

답

θ = 71.32°
2.벡터: 내적과 외적

답: n̂x = −0.7259

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.

외적

(a × b)x = aybz − azby = (−3)·5 − 3·0 = −15
(a × b)y = azbx − axbz = 3·3 − 4·5 = −11
(a × b)z = axby − aybx = 4·0 − (−3)·3 = 9

정규화

a × b의 z성분은 이미 양수입니다.

|a × b| = √((−15)² + (−11)² + 9²) = 20.66
n̂ = (−15, −11, 9)/20.66 = (−0.7259, −0.5323, 0.4355)
n̂x = −0.7259

답

n̂x = −0.7259
3.보의 지점 반력

답: RA = 10.71 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.

A에 대한 모멘트

반시계 방향을 양으로.

ΣMA = 0: RB·7 = 35·4 + 10·10
RB = 240/7 = 34.29 kN

연직 방향 평형

RA = 35 + 10 − 34.29 = 10.71 kN

답

RA = 10.71 kN
4.보의 지점 반력

답: RB = 14 kN

정적 평형: 정지한 물체는 임의의 점에 대해 ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0을 만족합니다. 한 지점에 대한 모멘트를 취하면 그 지점의 반력이 식에서 사라집니다.

w = 6 kN/mP = 20 kNABRA​RB​2 m3 m2 m1 m

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.

분포 하중의 합력: W = w·ℓ = 6·2 = 12 kN, 작용점 x̄ = 6 m
ΣMA = 0: RB·8 = 20·2 + 6·2·6
RB = 112/8 = 14 kN
ΣFy = 0: RA = 32 − 14 = 18 kN

답

RB = 14 kN
5.트러스: 절점법

답: FBC = −40.25 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.

ABBCACACB45 kNAy​Cy​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·5 = 45·4 → Cy = 36 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 36 = 9 kN

절점 C

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

sin γ = 2/2.236 = 0.8944, cos γ = 1/2.236 = 0.4472
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −36/0.8944 = −40.25 kN

답

FBC = −40.25 kN (압축)
6.트러스: 절점법

답: FAC = 6.406 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.

ABBCACACB15 kN25 kNAy​Cy​Ax​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·8 = 15·7 + 25·4 → Cy = 25.63 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 25.63 = −10.63 kN
ΣFx = 0: Ax = −25 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 = −25.63/0.9701 = −26.41 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−26.41)·0.2425 = 6.406 kN

답

FAC = 6.406 kN (인장)
7.프레임과 기계

답: C = 1.341 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.

다리 BC로부터 구한 타이 힘

By = 1 kN
T = 1·2.5/2.8 = 0.8929 kN

BC에 작용하는 핀 힘의 성분

Cx = T = 0.8929 kN, Cy = −By = −1 kN

크기

C = √(0.8929² + 1²) = 1.341 kN

답

C = 1.341 kN
8.프레임과 기계

답: A = 4.902 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.

케이블 장력

T = (2 + 3/2)/0.6 = 5.833 kN

A에서의 성분

Ax = T·cos β = 4.667 kN
Ay = 2 + 3 − T·sin β = 1.5 kN

크기

A = √(4.667² + 1.5²) = 4.902 kN

답

A = 4.902 kN
9.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 = 20.83 kN, R2 = 69.17 kN

모든 표시점에서의 굽힘 모멘트

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

MA = 0, MB = 41.67, MC = 83.33, MD = 125, ME = 166.7 kN·m, MF = 138.3, MG = 0

답

표시점 E: ME = 166.7 kN·m
10.전단력과 휨 모멘트

답: Mx = 144 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 = 15·6 + 12·10·5
RB = 690/10 = 69 kN
ΣFy = 0: RA = 135 − 69 = 66 kN
w = 12 kN/mP = 15 kNABRA​ = 66RB​ = 69단면3 m3 m4 m

x = 3 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 = 66·3 − 12·3·1.5 = 144 kN·m

답

Mx = 144 kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트

답: Ix = 101.7 × 10⁶ mm⁴

단면 2차 모멘트: 직사각형의 도심축에 대한 값은 I = bh³/12, 밑변에 대한 값은 bh³/3입니다(평행축 정리 I = Ic + A·d²). 구멍은 두 부분이 같은 축을 공유하는 한 그 I를 빼서 처리합니다. 탄성 단면 계수는 S = I/c이며, c는 최외단 섬유까지의 거리입니다.

바깥 직사각형 빼기 양옆의 빈 부분 두 개

두 빈 부분을 합치면 폭 (B − tw), 높이 hw = H − 2tf이며, 축 x를 공유합니다.

hw = 280 − 2·12 = 256 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (210·280³ − 202·256³)/12
Ix = 1.017 × 10⁸ mm⁴ = 101.7 × 10⁶ mm⁴

답

Ix = 101.7 × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트

답: σ아래 = 354.4 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 = 200·15 = 3000 mm², yf = 180 + 15/2 = 187.5 mm
웨브: Aw = 8·180 = 1440 mm², yw = 180/2 = 90 mm

도심

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3000·187.5 + 1440·90)/4440 = 155.9 mm

평행축 정리

플랜지: 200·15³/12 + 3000·(187.5 − 155.9)² = 3.056 × 10⁶ mm⁴
웨브: 8·180³/12 + 1440·(90 − 155.9)² = 1.014 × 10⁷ mm⁴
Ix = 3.056 × 10⁶ + 1.014 × 10⁷ = 1.319 × 10⁷ mm⁴

휨 응력

아래 가장자리는 축에서 ȳ 떨어져 있습니다.

y = 155.9 mm
σ = M·y/I = 3 × 10⁷·155.9/1.319 × 10⁷ = 354.4 MPa

답

σ아래 = 354.4 MPa

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