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
xyzdFAB

일정한 힘 F = (5, 15, −25) N이 물체에 작용하는 동안, 물체가 점 A(3, 4, 5)에서 점 B(−4, 2, −1)까지 직선으로 움직인다. 좌표의 단위는 미터이다. 이 힘이 한 일 W을(를) 구하시오.

F = (5, 15, −25) NA(3, 4, 5) mB(−4, 2, −1) m
W = J
2.벡터: 내적과 외적어려움
xyzab

a = (5, −2, −6), b = (3, −5, 5)일 때 외적 a × b의 y성분 (a × b)y을(를) 구하시오.

a = (5, −2, −6)b = (3, −5, 5)
(a × b)y =
3.보의 지점 반력보통
P1​ = 75 kNP2​ = 30 kNABCRB​ = ?1 m3.5 m1.5 m

보는 A에 힌지, A에서 4.5 m 떨어진 B에 롤러가 있고, B에서 자유단 C까지 내밀어져 있다. 위쪽을 양으로 하여 연직 반력 RB을(를) 구하시오.

AB = 4.5 mAC = 6 mP1 = 75 kN 위치 1 mP2 = 30 kN 위치 6 m
RB = kN
4.보의 지점 반력어려움
w = 4 kN/mP = 35 kNABCRB​ = ?2 m2 m2 m4 m

보는 A에 힌지, A에서 6 m 떨어진 B에 롤러가 있고, B에서 자유단 C까지 내밀어져 있다. A에서 2 m 떨어진 곳에 집중 하중 P가, 4 m에서 10 m의 자유단까지 등분포 하중 w가 작용한다. 위쪽을 양으로 하여 연직 반력 RB을(를) 구하시오.

AB = 6 mAC = 10 mP = 35 kN 위치 2 mw = 4 kN/m, 4부터 10 m까지
RB = kN
5.트러스: 절점법보통
ABBCACACB30 kN6 m2 m4 m

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

경간 = 6 m높이 = 4 mB는 A에서 2 m연직 하중 = 30 kN
FAB = kN
6.트러스: 절점법어려움
ABBCACACB10 kN15 kN5 m1 m4 m

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

경간 = 5 m높이 = 4 mB는 A에서 1 m연직 하중 = 10 kN수평 하중 = 15 kN ←
FBC = kN
7.프레임과 기계보통
10 kN8 m2 m1.2 mABCK

그림의 프레임에는 A, B, C에 핀이 있습니다. A와 C는 8 m 떨어져 지면에 고정되어 있고, B는 지면 위 2 m, A의 오른쪽 1.2 m에 있습니다. 부재 AB 위의 K에 10 kN의 수직 하중이 작용하며 K는 A에서 (수평으로) 0.72 m 떨어져 있습니다. 부재 BC의 힘 FBC을(를) 구하시오.

P = 10 kNL = 8 mH = 2 mA에서 B까지의 수평 거리 = 1.2 mA에서 K까지의 수평 거리 = 0.72 m
FBC = kN
8.프레임과 기계어려움
8 kN6 m1.2 m1.2 mABCDE

그림의 A형 프레임은 A의 핀과 B의 롤러 위에 서 있으며 둘 사이는 6 m입니다. 두 다리는 높이 2.4 m의 핀 C에서 만나고, 높이 1.2 m의 수평 막대 DE로 묶여 있습니다. C에 오른쪽으로 향하는 8 kN의 수평 힘이 작용합니다. 타이의 장력 T을(를) 구하시오.

P = 8 kNAB = 6 mC의 높이 = 2.4 mDE의 높이 = 1.2 m
T = kN
9.전단력과 휨 모멘트보통
w = 3 kN/mAB단면9.5 m0.5 m

지점 A에서 x = 9.5 m인 단면의 전단력 Vx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.

L = 10 mw = 3 kN/m, 0부터 10 m까지x = 9.5 m
Vx = kN
10.전단력과 휨 모멘트어려움
w = 4 kN/mP = 20 kNAB단면1.5 m4.5 m

지점 A에서 x = 1.5 m인 단면의 휨 모멘트 Mx을(를) 구하시오. 아래쪽이 인장되는 휨 모멘트를 양으로, 왼쪽 면에서 위쪽 전단력을 양으로 한다.

L = 6 mP = 20 kN 위치 1.5 mw = 4 kN/m, 0부터 6 m까지x = 1.5 m
Mx = kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트보통
1802524020x치수 단위: mm

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

bf = 180 mmtf = 25 mmtw = 20 mmhw = 240 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트어려움
150 mm200 mm80 mm60 × 30xIx​ = ?

150 mm × 200 mm 판에 폭 60 mm, 높이 30 mm의 직사각형 절취부가 수직 중심선 위에 있고 그 중심은 아래에서 80 mm 위에 있습니다. 도심을 지나는 수평축에 대한 단면 2차 모멘트 Ix을(를) 구하시오.

b = 150 mmh = 200 mm절취부: 60 × 30 mm구멍 중심: y = 80 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3용액

1.벡터: 내적과 외적

답: W = 85 J

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.

변위

d = B − A = (−4, 2, −1) − (3, 4, 5) = (−7, −2, −6) m

일

W = F·d = 5·(−7) + 15·(−2) + (−25)·(−6) = 85 J

답

W = 85 J
2.벡터: 내적과 외적

답: (a × b)y = −43

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.

성분별로 구하는 외적

(a × b)x = aybz − azby = (−2)·5 − (−6)·(−5) = −40
(a × b)y = azbx − axbz = (−6)·3 − 5·5 = −43
(a × b)z = axby − aybx = 5·(−5) − (−2)·3 = −19

요청된 성분

(a × b)y = −43

답

(a × b)y = −43

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

3.보의 지점 반력

답: RB = 56.67 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·4.5 = 75·1 + 30·6
RB = 255/4.5 = 56.67 kN

연직 방향 평형

RA = 75 + 30 − 56.67 = 48.33 kN

답

RB = 56.67 kN
4.보의 지점 반력

답: RB = 39.67 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.

분포 하중의 합력

W = 4·6 = 24 kN, x̄ = (4 + 10)/2 = 7 m

평형

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

ΣMA = 0: RB·6 = 35·2 + 24·7
RB = 238/6 = 39.67 kN
RA = 59 − 39.67 = 19.33 kN

답

RB = 39.67 kN
5.트러스: 절점법

답: FAB = −22.36 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.

ABBCACACB30 kNAy​Cy​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·6 = 30·2 → Cy = 10 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 10 = 20 kN

절점 A

모든 부재가 인장(절점에서 멀어지는 방향으로 당김)이라고 가정합니다. A에서 연직 성분이 있는 것은 AB뿐입니다.

sin α = 4/4.472 = 0.8944
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −20/0.8944 = −22.36 kN

답

FAB = −22.36 kN (압축)
6.트러스: 절점법

답: FBC = 14.14 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.

ABBCACACB10 kN15 kNAy​Cy​Ax​

지점 반력

트러스 전체의 평형. A에 대한 모멘트, 반시계 방향이 양.

ΣMA = 0: Cy·5 = 10·1 − 15·4 → Cy = −10 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − −10 = 20 kN
ΣFx = 0: Ax = 15 kN

절점 C

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

sin γ = 4/5.657 = 0.7071, cos γ = 4/5.657 = 0.7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −−10/0.7071 = 14.14 kN

답

FBC = 14.14 kN (인장)
7.프레임과 기계

답: FBC = 3.19 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.

2력 부재 BC

BC = √(6.8² + 2²) = 7.088 m

프레임 전체: A에 대한 모멘트

지면은 C에서 CB를 따라 BC를 밉니다. 그 수평 성분은 A를 지나므로 수직 성분만 모멘트를 가집니다.

FBC·(2/7.088)·8 = 10·0.72
FBC = 3.19 kN (압축)

답

FBC = 3.19 kN
8.프레임과 기계

답: T = 8 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·6 = 8·2.4
By = 3.2 kN

다리 BC: C에 대한 모멘트

3.2·3 = T·1.2
T = 8 kN

답

T = 8 kN

T가 양수이면 타이는 가정한 대로 인장을 받습니다.

9.전단력과 휨 모멘트

답: Vx = −13.5 kN

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 = 3·10 = 30 kN, 작용점 x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 3·10·5
RB = 150/10 = 15 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 15 = 15 kN
w = 3 kN/mABRA​ = 15RB​ = 15단면9.5 m0.5 m

x = 9.5 m에서 자르고 왼쪽 부분을 남기기

절단면 왼쪽의 힘만 고려합니다. 분포 하중의 일부는 그 부분 중앙에 작용하는 하나의 힘으로 봅니다.

V = RA − (절단면 왼쪽의 모든 아래 방향 하중)
Vx = 15 − 3·9.5 = −13.5 kN

답

Vx = −13.5 kN
10.전단력과 휨 모멘트

답: Mx = 36 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 = 4·6 = 24 kN, 작용점 x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 20·1.5 + 4·6·3
RB = 102/6 = 17 kN
ΣFy = 0: RA = 44 − 17 = 27 kN
w = 4 kN/mP = 20 kNABRA​ = 27RB​ = 17단면1.5 m4.5 m

x = 1.5 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 = 27·1.5 − 4·1.5·0.75 = 36 kN·m

답

Mx = 36 kN·m
11.도심과 단면 2차 모멘트

답: Ix = 64.05 × 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 = 180·25 = 4500 mm², yf = 240 + 25/2 = 252.5 mm
웨브: Aw = 20·240 = 4800 mm², yw = 240/2 = 120 mm

도심

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4500·252.5 + 4800·120)/9300 = 184.1 mm

평행축 정리

플랜지: 180·25³/12 + 4500·(252.5 − 184.1)² = 2.128 × 10⁷ mm⁴
웨브: 20·240³/12 + 4800·(120 − 184.1)² = 4.277 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2.128 × 10⁷ + 4.277 × 10⁷ = 6.405 × 10⁷ mm⁴ = 64.05 × 10⁶ mm⁴

답

Ix = 64.05 × 10⁶ mm⁴
12.도심과 단면 2차 모멘트

답: Ix = 99.1 × 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 = (30000·100 − 1800·80)/(30000 − 1800) = 101.3 mm

ȳ에 대한 전체 판

150·200³/12 + 30000·−1.277² = 100 × 10⁶ mm⁴

ȳ에 대한 구멍

60·30³/12 + 1800·−21.28² = 0.9498 × 10⁶ mm⁴

빼기

Ix = 99.1 × 10⁶ mm⁴

답

Ix = 99.1 × 10⁶ mm⁴

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