정역학: 벼락치기 팩

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

새 문제강의로 돌아가기

인쇄 창에서 “PDF로 저장”을 선택하면 기기에 사본을 보관할 수 있습니다.

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 = (−4, −1, 3)와 b = (4, k, −2)가 서로 수직이 되는 k의 값을 구하시오.

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

a = (5, 0, 2), b = (4, 2, −1)일 때 외적 a × b의 y성분 (a × b)y을(를) 구하시오.

a = (5, 0, 2)b = (4, 2, −1)
(a × b)y =
3.보의 지점 반력보통
P1​ = 35 kNP2​ = 25 kNABRA​RB​ = ?1 m2.5 m2.5 m

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

L = 6 mP1 = 35 kN 위치 1 mP2 = 25 kN 위치 3.5 m
RB = kN
4.보의 지점 반력어려움
P = 20 kN, 45°Q = 35 kNABRA​ = ?2 m2 m1 m

단순보는 A에 힌지, B에 롤러 지점이 있다. A에서 4 m 떨어진 곳에 수평과 45°를 이루는 하중 P가, A에서 2 m 떨어진 곳에 연직 하중 Q가 작용한다. 힌지 A의 전체 반력 크기 RA을(를) 구하시오.

L = 5 mP = 20 kN 위치 4 m, θ = 45°Q = 35 kN 위치 2 m
RA = kN
5.트러스: 절점법보통
ABBCACACB50 kN6 m4 m4 m

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

경간 = 6 m높이 = 4 mB는 A에서 4 m연직 하중 = 50 kN
FBC = kN
6.트러스: 절점법어려움
ABBCACACB55 kN10 kN6 m4 m2 m

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

경간 = 6 m높이 = 2 mB는 A에서 4 m연직 하중 = 55 kN수평 하중 = 10 kN →
FBC = kN
7.프레임과 기계보통
8 kN0.75 m1.75 m0.75 mABCD

수평 보 AB가 A에서 벽에 핀으로 연결되어 있고, A보다 0.75 m 아래의 C에서 벽에 핀으로 연결된 지주 CD가 받치고 있습니다. B에 8 kN의 하중이 매달려 있습니다. 자중은 무시합니다. A에서 보에 작용하는 핀 힘의 크기 A을(를) 구하시오.

P = 8 kNAD = 0.75 mAB = 2.5 mAC = 0.75 m
A = kN
8.프레임과 기계어려움
8 kN4 m0.6 m1.9 mABCDE

그림의 A형 프레임은 A의 핀과 B의 롤러 위에 서 있으며 둘 사이는 4 m입니다. 두 다리는 높이 2.5 m의 핀 C에서 만나고, 높이 0.6 m의 수평 막대 DE로 묶여 있습니다. C에 오른쪽으로 향하는 8 kN의 수평 힘이 작용합니다. 타이의 장력 T을(를) 구하시오.

P = 8 kNAB = 4 mC의 높이 = 2.5 mDE의 높이 = 0.6 m
T = kN
9.전단력과 휨 모멘트보통
w = 5 kN/mAB단면2 m3 m

지점 A에서 x = 2 m인 단면의 휨 모멘트 Mx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.

L = 5 mw = 5 kN/m, 0부터 5 m까지x = 2 m
Mx = kN·m
10.전단력과 휨 모멘트어려움
w = 5 kN/mABC6 m2 m

보는 A의 힌지와 B의 롤러 위에 놓여 있고, B에서 자유단 C까지 2 m만큼 내밀어져 있다. 전체 길이 A–C에 등분포 하중 w가 작용한다. A에서 지점 사이의 반곡점(휨 모멘트의 부호가 바뀌는 점)까지의 거리 xc을(를) 구하시오.

L = 8 mw = 5 kN/m, 0부터 8 m까지x = 0과 x = 6 m에 지점
xc = m
11.도심과 단면 2차 모멘트보통
1402014018x치수 단위: mm

T형 단면의 도심을 지나는 수평축 x에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.

bf = 140 mmtf = 20 mmtw = 18 mmhw = 140 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트어려움
300201608xM = 20 kN·m치수 단위: mm

T형 단면을 플랜지가 위로 가도록 보로 사용하며, 양의 휨 모멘트 20 kN·m을(를) 받는다. 아래 가장자리의 휨 응력 σ아래을(를) 구하시오.

bf = 300 mmtf = 20 mmtw = 8 mmhw = 160 mmM = 20 kN·m
σ아래 = MPa

3용액

1.벡터: 내적과 외적

답: k = −22

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.

내적이 0

a·b = (−4)·4 + (−1)·k + 3·(−2) = 0
−22 + (−1)·k = 0

k 구하기

k = −(−22)/(−1) = −22

답

k = −22
2.벡터: 내적과 외적

답: (a × b)y = 13

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 = 0·(−1) − 2·2 = −4
(a × b)y = azbx − axbz = 2·4 − 5·(−1) = 13
(a × b)z = axby − aybx = 5·2 − 0·4 = 10

요청된 성분

(a × b)y = 13

답

(a × b)y = 13

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

3.보의 지점 반력

답: RB = 20.42 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.

P1​ = 35 kNP2​ = 25 kNABRA​RB​1 m2.5 m2.5 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.

ΣMA = 0: RB·6 = 35·1 + 25·3.5
RB = 122.5/6 = 20.42 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 20.42 = 39.58 kN

답

RB = 20.42 kN
4.보의 지점 반력

답: RA = 27.71 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.

P의 성분

Pv = 20·sin 45° = 14.14 kN
Ph = 20·cos 45° = 14.14 kN

반력

ΣMA = 0: RB·5 = 14.14·4 + 35·2 → RB = 25.31 kN
Ay = 14.14 + 35 − 25.31 = 23.83 kN
Ax = Ph = 14.14 kN

A의 합력

RA = √(14.14² + 23.83²) = 27.71 kN

답

RA = 27.71 kN
5.트러스: 절점법

답: FBC = −37.27 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·6 = 50·4 → Cy = 33.33 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 33.33 = 16.67 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 = −33.33/0.8944 = −37.27 kN

답

FBC = −37.27 kN (압축)
6.트러스: 절점법

답: FBC = −56.57 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.

ABBCACACB55 kN10 kNAy​Cy​Ax​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·6 = 55·4 + 10·2 → Cy = 40 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 40 = 15 kN
ΣFx = 0: Ax = −10 kN

절점 C

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

sin γ = 2/2.828 = 0.7071, cos γ = 2/2.828 = 0.7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −40/0.7071 = −56.57 kN

답

FBC = −56.57 kN (압축)
7.프레임과 기계

답: A = 32.55 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.

지주의 힘

FCD = 8·2.5/(0.7071·0.75) = 37.71 kN

A에서의 성분

Ax = FCD·cos α = 26.67 kN (벽 쪽으로)
Ay = 8 − FCD·sin α = −18.67 kN

크기

A = √(26.67² + −18.67²) = 32.55 kN

답

A = 32.55 kN

Ay가 음수이면 벽이 A에서 보를 아래로 당긴다는 뜻입니다.

8.프레임과 기계

답: T = 5.263 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.

프레임 전체: A에 대한 모멘트

By·4 = 8·2.5
By = 5 kN

다리 BC: C에 대한 모멘트

5·2 = T·1.9
T = 5.263 kN

답

T = 5.263 kN

T가 양수이면 타이는 가정한 대로 인장을 받습니다.

9.전단력과 휨 모멘트

답: Mx = 15 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 = 5·5 = 25 kN, 작용점 x̄ = 2.5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 5·5·2.5
RB = 62.5/5 = 12.5 kN
ΣFy = 0: RA = 25 − 12.5 = 12.5 kN
w = 5 kN/mABRA​ = 12.5RB​ = 12.5단면2 m3 m

x = 2 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 = 12.5·2 − 5·2·1 = 15 kN·m

답

Mx = 15 kN·m
10.전단력과 휨 모멘트

답: xc = 5.333 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

내민 부분의 하중을 포함한 보 전체의 평형입니다.

분포 하중의 합력: W = w·ℓ = 5·8 = 40 kN, 작용점 x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·6 = 5·8·4
RB = 160/6 = 26.67 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 26.67 = 13.33 kN

모멘트 0

지점 사이에서 M(x) = RA·x − w·x²/2. x = 0을 제외하면 x = 2RA/w에서 0이 됩니다.

RA·xc − w·xc²/2 = 0
xc = 2·13.33/5 = 5.333 m

답

xc = 5.333 m
11.도심과 단면 2차 모멘트

답: Ix = 12.7 × 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.

두 직사각형으로 나누기

모든 y는 아래 가장자리에서 잽니다.

플랜지: Af = 140·20 = 2800 mm², yf = 140 + 20/2 = 150 mm
웨브: Aw = 18·140 = 2520 mm², yw = 140/2 = 70 mm

도심

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2800·150 + 2520·70)/5320 = 112.1 mm

평행축 정리

플랜지: 140·20³/12 + 2800·(150 − 112.1)² = 4.114 × 10⁶ mm⁴
웨브: 18·140³/12 + 2520·(70 − 112.1)² = 8.584 × 10⁶ mm⁴
Ix = 4.114 × 10⁶ + 8.584 × 10⁶ = 1.27 × 10⁷ mm⁴ = 12.7 × 10⁶ mm⁴

답

Ix = 12.7 × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트

답: σ아래 = 268.7 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 = 300·20 = 6000 mm², yf = 160 + 20/2 = 170 mm
웨브: Aw = 8·160 = 1280 mm², yw = 160/2 = 80 mm

도심

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (6000·170 + 1280·80)/7280 = 154.2 mm

평행축 정리

플랜지: 300·20³/12 + 6000·(170 − 154.2)² = 1.702 × 10⁶ mm⁴
웨브: 8·160³/12 + 1280·(80 − 154.2)² = 9.773 × 10⁶ mm⁴
Ix = 1.702 × 10⁶ + 9.773 × 10⁶ = 1.148 × 10⁷ mm⁴

휨 응력

아래 가장자리는 축에서 ȳ 떨어져 있습니다.

y = 154.2 mm
σ = M·y/I = 2 × 10⁷·154.2/1.148 × 10⁷ = 268.7 MPa

답

σ아래 = 268.7 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics