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 = (−6, 2, −1)와 b = (−7, −3, 4)의 내적 a·b을(를) 구하시오.

a = (−6, 2, −1)b = (−7, −3, 4)
a·b =
2.벡터: 내적과 외적어려움
xyzab

단위 벡터 n̂은(는) a = (1, −1, 4)와 b = (−3, 1, 1)에 모두 수직이고 z성분이 양수이다. 그 x성분 n̂x을(를) 구하시오.

a = (1, −1, 4)b = (−3, 1, 1)n̂z > 0
n̂x =
3.보의 지점 반력보통
P1​ = 30 kNP2​ = 35 kNABCRB​ = ?3 m3 m2 m

보는 A에 힌지, A에서 6 m 떨어진 B에 롤러가 있고, B에서 자유단 C까지 내밀어져 있다. 위쪽을 양으로 하여 연직 반력 RB을(를) 구하시오.

AB = 6 mAC = 8 mP1 = 30 kN 위치 3 mP2 = 35 kN 위치 8 m
RB = kN
4.보의 지점 반력어려움
P = 25 kN, 50°Q = 20 kNABα = ?1 m1.5 m1.5 m

단순보는 A에 힌지, B에 롤러 지점이 있다. A에서 2.5 m 떨어진 곳에 수평과 50°를 이루는 하중 P가, A에서 1 m 떨어진 곳에 연직 하중 Q가 작용한다. 힌지 A의 전체 반력이 수평과 이루는 각 α을(를) 구하시오.

L = 4 mP = 25 kN 위치 2.5 m, θ = 50°Q = 20 kN 위치 1 m
α = °
5.트러스: 절점법보통
ABCDEFGH20 kN4 × 3 m4 m

이 트러스의 부재 하나는 이 하중에서 힘을 받지 않습니다. 영력 부재는 어느 것입니까? 그림에서 클릭하세요.

F: 20 kN ↓
  1. 1부재 AB
  2. 2부재 BC
  3. 3부재 CD
  4. 4부재 DE
  5. 5부재 FG
  6. 6부재 GH
  7. 7부재 AF
  8. 8부재 HE
  9. 9부재 BF
  10. 10부재 CG
  11. 11부재 DH
  12. 12부재 BG
  13. 13부재 DG
6.트러스: 절점법어려움
ABBCACACB20 kN10 kN4 m3 m4 m

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

경간 = 4 m높이 = 4 mB는 A에서 3 m연직 하중 = 20 kN수평 하중 = 10 kN →
FAB = kN
7.프레임과 기계보통
20 kN3.2 m1 m1.5 mABCDE

그림의 A형 프레임은 A의 핀과 B의 롤러 위에 서 있으며 둘 사이는 3.2 m입니다. 두 다리는 높이 2.5 m의 핀 C에서 만나고, 수평 타이 DE는 지면 위 1 m에 있습니다. C에 20 kN의 하중이 작용합니다. 핀 C가 다리 BC에 가하는 힘의 크기 C을(를) 구하시오.

P = 20 kNAB = 3.2 mC의 높이 = 2.5 mDE의 높이 = 1 m
C = kN
8.프레임과 기계어려움
F = ?5000 N30 mmABC

토글 프레스에 핀 사이 길이가 각각 80 mm인 같은 링크 AB와 BC가 있습니다. 이음부 B는 선 AC 위 30 mm에 있습니다. 슬라이더 C에서 5000 N의 수평 압력을 내려면 B에 가하는 아래 방향 힘 F은(는) 얼마여야 합니까? 마찰과 자중은 무시합니다.

Q = 5000 NAB = BC = 80 mmh = 30 mm
F = N
9.전단력과 휨 모멘트보통
w = 3 kN/mP = 35 kNAB1 m2 m

캔틸레버는 A에서 고정되어 있다. 전체 길이에 등분포 하중 w가 작용하고, A에서 1 m 떨어진 곳에 집중 하중 P가 작용한다. 고정 지점 A에서 휨 모멘트 MA을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.

L = 3 mP = 35 kN 위치 1 mw = 3 kN/m, 0부터 3 m까지
MA = kN·m
10.전단력과 휨 모멘트어려움
12 kN/m40 kN20 kN45 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

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

40 kN @ 0 m20 kN @ 6 m45 kN @ 4 m12 kN/m, 1–5 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
11.도심과 단면 2차 모멘트보통
1603028014x치수 단위: mm

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

bf = 160 mmtf = 30 mmtw = 14 mmhw = 280 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트어려움
160420126xM = 40 kN·m치수 단위: mm

대칭 I형 단면의 플랜지는 폭 160 mm, 두께 12 mm이고, 전체 높이는 420 mm, 웨브 두께는 6 mm이다. 축 x에 대해 휨 모멘트 40 kN·m을(를) 받는다. 단면의 최대 휨 응력 크기 σmax을(를) 구하시오.

B = 160 mmH = 420 mmtf = 12 mmtw = 6 mmM = 40 kN·m
σmax = MPa

3용액

1.벡터: 내적과 외적

답: a·b = 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.

대응하는 성분끼리 곱하여 더하기

a·b = (−6)·(−7) + 2·(−3) + (−1)·4 = 42 + (−6) + (−4) = 32

답

a·b = 32

양수: 두 벡터 사이의 각도가 90°보다 작습니다.

2.벡터: 내적과 외적

답: n̂x = 0.3553

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 = (−1)·1 − 4·1 = −5
(a × b)y = azbx − axbz = 4·(−3) − 1·1 = −13
(a × b)z = axby − aybx = 1·1 − (−1)·(−3) = −2

정규화

a × b의 z성분이 음수이므로 −(a × b)를 사용하세요.

|a × b| = √((−5)² + (−13)² + (−2)²) = 14.07
n̂ = −(−5, −13, −2)/14.07 = (0.3553, 0.9239, 0.1421)
n̂x = 0.3553

답

n̂x = 0.3553
3.보의 지점 반력

답: RB = 61.67 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·6 = 30·3 + 35·8
RB = 370/6 = 61.67 kN

연직 방향 평형

RA = 30 + 35 − 61.67 = 3.333 kN

답

RB = 61.67 kN
4.보의 지점 반력

답: α = 54.08 °

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 = 25·sin 50° = 19.15 kN
Ph = 25·cos 50° = 16.07 kN

반력

ΣMA = 0: RB·4 = 19.15·2.5 + 20·1 → RB = 16.97 kN
Ay = 19.15 + 20 − 16.97 = 22.18 kN
Ax = Ph = 16.07 kN

A에서의 방향

α = atan(Ay/Ax) = atan(22.18/16.07) = 54.08°

답

α = 54.08°
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 C

BC과 CD은 한 직선 위에 있고 절점에는 하중이 없습니다. 그 직선에 수직인 방향으로 힘의 평형을 잡으면 CG만 남습니다.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

절점법으로 확인하기

모든 절점을 풀면 다음 부재력이 나옵니다(T = 인장, C = 압축).

AB: 11.25 kN (T), BC: 7.5 kN (T), CD: 7.5 kN (T), DE: 3.75 kN (T), FG: 11.25 kN (C), GH: 3.75 kN (C), AF: 18.75 kN (C), HE: 6.25 kN (C), BF: 5 kN (C), CG: 0, DH: 5 kN (T), BG: 6.25 kN (T), DG: 6.25 kN (C)

답

영력 부재: CG
6.트러스: 절점법

답: FAB = 6.25 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.

ABBCACACB20 kN10 kNAy​Cy​Ax​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·4 = 20·3 + 10·4 → Cy = 25 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 25 = −5 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 = 0.8
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −−5/0.8 = 6.25 kN

답

FAB = 6.25 kN (인장)
7.프레임과 기계

답: C = 14.62 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 = 10 kN
T = 10·1.6/1.5 = 10.67 kN

BC에 작용하는 핀 힘의 성분

Cx = T = 10.67 kN, Cy = −By = −10 kN

크기

C = √(10.67² + 10²) = 14.62 kN

답

C = 14.62 kN
8.프레임과 기계

답: F = 4045 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 = 30/80 = 0.375, θ = 22.02°

링크 힘

Flink = Q/cos θ = 5394 N

B에서의 힘

F = 2·Flink·sin θ = 2·5000·tan θ = 4045 N

답

F = 4045 N
9.전단력과 휨 모멘트

답: MA = −48.5 kN·m

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

자유단 쪽 부분을 남긴다

P: −35·1 = −35 kN·m
w: −3·3²/2 = −13.5 kN·m
MA = −35 − 13.5 = −48.5 kN·m

답

MA = −48.5 kN·m

음수는 부모멘트, 즉 윗면이 인장이라는 뜻입니다.

10.전단력과 휨 모멘트

답: B (x = 1 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 = 80.25 kN, R2 = 72.75 kN

모든 표시점에서의 굽힘 모멘트

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

MA = 0, MB = −40 kN·m, MC = −5.75, MD = 16.5, ME = 26.75, MF = −20, MG = 0

답

표시점 B: MB = −40 kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트

답: Ix = 77.81 × 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 = 160·30 = 4800 mm², yf = 280 + 30/2 = 295 mm
웨브: Aw = 14·280 = 3920 mm², yw = 280/2 = 140 mm

도심

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4800·295 + 3920·140)/8720 = 225.3 mm

평행축 정리

플랜지: 160·30³/12 + 4800·(295 − 225.3)² = 2.366 × 10⁷ mm⁴
웨브: 14·280³/12 + 3920·(140 − 225.3)² = 5.415 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2.366 × 10⁷ + 5.415 × 10⁷ = 7.781 × 10⁷ mm⁴ = 77.81 × 10⁶ mm⁴

답

Ix = 77.81 × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트

답: σmax = 44 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.

바깥 직사각형 빼기 양옆의 빈 부분 두 개

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

hw = 420 − 2·12 = 396 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (160·420³ − 154·396³)/12
Ix = 1.909 × 10⁸ mm⁴

휨 응력

y = 210 mm
σ = M·y/I = 4 × 10⁷·210/1.909 × 10⁸ = 44 MPa

답

σmax = 44 MPa

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