Statika: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 12 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniai Atgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Modulis: |a| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
Vienetinis vektorius: û = a/|a|
Komponentės pagal kampą: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
Skaliarinė sandauga: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
a skaliarinė projekcija į b: a·b/|b|
Darbas: W = F·d
Vektorinė sandauga: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
Plotai: lygiagretainis |a × b|, trikampis ½|a × b|
Momentas taško O atžvilgiu: M_O = r × F, r = A − O
Gretasienio tūris: V = |a·(b × c)|

Metodas

Kiekvieną vektorių užrašykite komponentėmis; jėgai, pateiktai moduliu ir kampu, naudokite F·cos θ ir F·sin θ.
Ilgiams ir kryptims naudokite modulį √(x² + y² + z²) ir vienetinį vektorių a/|a|.
Skaliarinę sandaugą naudokite kampams, projekcijoms, statmenumui ir darbui: a·b = |a||b|cos θ.
Vektorinę sandaugą naudokite statmeniems vektoriams, plotams ir momentams: atidžiai užrašykite tris komponentes, išlaikydami tvarką a × b.

Sijų atramų reakcijos

Pusiausvyra: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
Tolygi apkrova: atstojamoji w·L apkrovos viduryje
Momentas: M = F·d

Metodas

Nubraižykite laisvojo kūno diagramą ir kiekvieną atramą pakeiskite jos reakcijomis.
Kiekvieną išskirstytąją apkrovą pakeiskite viena jėga, veikiančia jos svorio centre.
Momentų lygtį užrašykite vienos atramos atžvilgiu ir raskite kitos atramos reakciją.
Likusiai reakcijai rasti naudokite ΣF_y = 0 ir patikrinkite antrąja momentų lygtimi.

Santvara: mazgų metodas

Mazgų metodas: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
Pjūvių metodas: ΣM = 0 about a cut point
Strypo jėga: teigiama = tempimas, neigiama = gniuždymas

Metodas

Raskite visos santvaros atramų reakcijas.
Mazgų metodas: pradėkite nuo mazgo, kuriame ne daugiau kaip dvi nežinomos strypų jėgos, ir naudokite ΣF_x = 0 ir ΣF_y = 0.
Pjūvių metodas: perpjaukite per reikiamą strypą ir užrašykite momentų lygtį taško, kuriame susikerta kiti nežinomi strypai, atžvilgiu.
Tarkite, kad strypas tempiamas; neigiamas atsakymas reiškia gniuždymą.

Rėmai ir mechanizmai

Kiekvieno strypo pusiausvyra: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
Dviejų jėgų strypas: jėga veikia tiese, einančia per jo du šarnyrus
Šarnyro jėga: vienodo didumo ir priešingos jėgos dviem sujungiamiems strypams
Šarnyro jėgos modulis: F = √(F_x² + F_y²)
Svertas, replės, kampinis svertas: F_in·a = F_out·b
Alkūninis mechanizmas: F_link = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Tolygi apkrova: atstojamoji w·L apkrovos viduryje

Metodas

Nubraižykite visą konstrukciją ir raskite atramų reakcijas, jei nežinomųjų ne daugiau kaip trys.
Raskite dviejų jėgų strypus: apkrauti tik dviejuose šarnyruose, jų jėga veikia tiese tarp tų šarnyrų.
Išardykite rėmą ir nubraižykite kiekvieną strypą atskirai; kur strypai susijungia, šarnyrų jėgos vienodo didumo ir priešingos krypties.
Kiekvienam strypui imkite momentus šarnyro, kuriame veikia nežinomos jėgos, atžvilgiu, tada naudokite ΣF_x = 0 ir ΣF_y = 0; komponentes į modulį sujunkite pačioje pabaigoje.

Skersinė jėga ir lenkimo momentas

Skersinė jėga ir momentas: V = ΣF vienoje pusėje, M = ΣF·d vienoje pusėje
Lenkimo įtempis: σ = M·y/I
Stačiakampis: I = bh³/12
Atsparumo momentas: W = I/y_max
Laisvai atremta, tolygi apkrova: M_max = wL²/8

Metodas

Atramų reakcijas raskite iš visos sijos pusiausvyros.
Perpjaukite siją reikiamame pjūvyje ir palikite vieną pusę.
Skersinė jėga: tos pusės vertikaliųjų jėgų suma. Lenkimo momentas: jų momentų pjūvio atžvilgiu suma.
Didžiausiam momentui rasti nustatykite, kur skersinė jėga lygi nuliui.

Svorio centras ir inercijos momentas

Svorio centras: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
Stačiakampis: I = bh³/12
Šteinerio teorema: I = I_c + A·d²
Sudėtinis skerspjūvis: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

2Uždaviniai

1.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaVidutinis

Raskite vektorių a = (−5, 5, −1) ir b = (0, 3, 5) skaliarinę sandaugą a·b.

a = (−5, 5, −1)b = (0, 3, 5)

a·b =

2.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus

Kai a = (−1, −3, 2) ir b = (−5, 0, −3), raskite vektorinės sandaugos a × b z komponentę (a × b)_z.

a = (−1, −3, 2)b = (−5, 0, −3)

(a × b)_z =

3.Sijų atramų reakcijosVidutinis

Laisvai atremta sija turi šarnyrinę atramą A ir ritininę atramą B. Raskite vertikaliąją atramos reakciją R_A.

L = 8 mP₁ = 50 kN ties 6 mP₂ = 15 kN ties 7 m

R_A = kN

4.Sijų atramų reakcijosSunkus

Gembinė sija taške A įtvirtinta sienoje. Ją veikia tiesiškai kintanti apkrova, kuri ties siena lygi nuliui ir didėja iki 12 kN/m laisvajame gale B, bei sutelktoji jėga P, esanti 2 m atstumu nuo sienos. Raskite reakcijos momento sienoje didumą M_A.

L = 5 mw₀ = 12 kN/mP = 15 kN ties 2 m

M_A = kN·m

5.Santvara: mazgų metodasVidutinis

Tiksliai vienas šios santvaros elementas neneša jėgos esant šioms apkrovoms. Kuris yra nulinės jėgos elementas? Spustelėkite jį diagramoje.

B: 15 kN ↓C: 30 kN ↓F: 10 kN ↓G: 10 kN ↓H: 35 kN ↓

1elementas AB
2elementas BC
3elementas CD
4elementas DE
5elementas FG
6elementas GH
7elementas AF
8elementas HE
9elementas BF
10elementas CG
11elementas DH
12elementas FC
13elementas HC

6.Santvara: mazgų metodasSunkus

Mazgų metodu raskite jėgą F_BC strype BC. Tempimą nurodykite teigiamu, gniuždymą – neigiamu.

tarpatramis = 4 maukštis = 2 mB yra 1 m nuo Avertikalioji apkrova = 15 kNhorizontalioji apkrova = 25 kN ←

F_BC = kN

7.Rėmai ir mechanizmaiVidutinis

Parodytas A formos rėmas stovi ant šarnyrinės atramos A ir ritininės atramos B, nutolusių 4,8 m. Kojos susitinka šarnyre C, 2 m aukštyje, o horizontalus ryšys DE yra 1 m virš žemės. Taške C veikia 20 kN apkrova. Raskite jėgos C, kuria šarnyras C veikia koją BC, didumą.

P = 20 kNAB = 4,8 mC aukštis = 2 mDE aukštis = 1 m

C = kN

8.Rėmai ir mechanizmaiSunkus

Parodytas rėmas turi šarnyrus A, B ir C; A ir C pritvirtinti prie žemės 5 m atstumu, o B yra 2 m aukštyje ir 3 m į dešinę nuo A. Strypas AB neša vertikalią 4 kN apkrovą taške K, 2,25 m (horizontaliai) nuo A, o taške B strypą AB veikia horizontali 10 kN apkrova į dešinę. Raskite horizontaliosios reakcijos A_x taške A didumą.

P = 4 kNQ = 10 kNL = 5 mH = 2 mhorizontalus atstumas nuo A iki B = 3 mhorizontalus atstumas nuo A iki K = 2,25 m

A_x = kN

9.Skersinė jėga ir lenkimo momentasVidutinis

Gembė įtvirtinta taške A. Ją visu ilgiu veikia tolygiai išskirstyta apkrova w ir sutelktoji jėga P, esanti 2,5 m atstumu nuo A. Raskite lenkimo momentą M_x pjūvyje x = 2 m nuo įtvirtinimo A. Teigiamais laikykite momentus, tempiančius apatinius sluoksnius, ir aukštyn nukreiptą skersinę jėgą kairiajame paviršiuje.

L = 4 mP = 25 kN ties 2,5 mw = 12 kN/m nuo 0 iki 4 mx = 2 m

M_x = kN·m

10.Skersinė jėga ir lenkimo momentasSunkus

Raskite lenkimo momentą M_x pjūvyje x = 1 m nuo atramos A. Teigiamais laikykite momentus, tempiančius apatinius sluoksnius, ir aukštyn nukreiptą skersinę jėgą kairiajame paviršiuje.

L = 10 mP = 20 kN ties 6 mw = 2 kN/m nuo 0 iki 10 mx = 1 m

M_x = kN·m

11.Svorio centras ir inercijos momentasVidutinis

150 mm × 300 mm plokštė turi apvalią 40 mm skersmens skylę vertikalioje simetrijos ašyje, kurios centras yra 180 mm virš apačios. Raskite ploto inercijos momentą I_x horizontaliosios ašies, einančios per svorio centrą, atžvilgiu.

b = 150 mmh = 300 mmd = 40 mmskylės centras: y = 180 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.Svorio centras ir inercijos momentasSunkus

Suvirinto dvitėjo skerspjūvio viršutinė lentyna yra 140 × 22 mm, sienelė 400 mm aukščio ir 8 mm storio, o apatinė lentyna 220 × 14 mm (plotis × storis). Raskite jo inercijos momentą I_x horizontaliosios ašies x, einančios per svorio centrą, atžvilgiu.

viršutinė lentyna: 140 × 22 mmsienelė: 8 × 400 mmapatinė lentyna: 220 × 14 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3Tirpalai

1.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Atsakymas: a·b = 10

Dot product: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |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.

Sudauginkite atitinkamas komponentes ir sudėkite

a·b = (−5)·0 + 5·3 + (−1)·5 = 0 + 15 + (−5) = 10

Atsakymas

a·b = 10

Teigiama: kampas tarp vektorių mažesnis nei 90°.

2.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Atsakymas: (a × b)_z = −15

Cross product: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) 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 M_O = r × F, with r = A − O.

Vektorinė sandauga komponentėmis

(a × b)_x = a_yb_z − a_zb_y = (−3)·(−3) − 2·0 = 9

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = 2·(−5) − (−1)·(−3) = −13

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = (−1)·0 − (−3)·(−5) = −15

Prašoma komponentė

(a × b)_z = −15

Atsakymas

(a × b)_z = −15

Patikra: a × b yra statmena abiem vektoriams, todėl jos skaliarinė sandauga su a ir su b lygi nuliui.

3.Sijų atramų reakcijos

Atsakymas: R_A = 14,38 kN

Statinė pusiausvyra: rimties būsenos kūnui ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 ir ΣM = 0 bet kurio taško atžvilgiu. Imant momentus vienos atramos atžvilgiu, tos atramos reakcija dingsta iš lygties.

Laisvojo kūno diagrama

Atramas pakeiskite reakcijos jėgomis. Ritininė atrama duoda vieną vertikaliąją reakciją; kai apkrovos tik vertikalios, šarnyrinė atrama taip pat duoda vieną vertikaliąją reakciją.

Pusiausvyra

Momentai A atžvilgiu, teigiami prieš laikrodžio rodyklę. Tada vertikaliųjų jėgų pusiausvyra.

ΣM_A = 0: R_B·8 = 50·6 + 15·7

R_B = 405/8 = 50,63 kN

ΣF_y = 0: R_A = 65 − 50,63 = 14,38 kN

Atsakymas

R_A = 14,38 kN

4.Sijų atramų reakcijos

Atsakymas: M_A = 130 kN·m

Gembės pusiausvyra: įtvirtinimas gali stumti aukštyn ir priešintis posūkiui, todėl jame atsiranda vertikalioji reakcija R_A ir reakcijos momentas M_A. ΣF_y = 0 duoda R_A, o momentai sienos atžvilgiu duoda M_A = Σ(apkrova × atstumas nuo sienos). Išskirstytoji apkrova veikia kaip jos atstojamoji apkrovos diagramos svorio centre.

Trikampės apkrovos atstojamoji

W = ½·12·5 = 30 kN

x̄ = 2L/3 = 3,333 m

Momentas sienos atžvilgiu

M_A = W·x̄ + P·a = 30·3,333 + 15·2 = 130 kN·m

Atsakymas

M_A = 130 kN·m

5.Santvara: mazgų metodas

Atsakymas: elementas DH

Nulinės jėgos elementai: mazge jėgos turi atsvirti visomis kryptimis. Jei mazgas neturi apkrovos ir atramos, o du iš trijų jo elementų yra vienoje linijoje, tai pusiausvyra skersai tos linijos apima tik trečiąjį elementą, todėl jo jėga lygi nuliui. Jei neapkrautame mazge susitinka tik du elementai ir jie nėra vienoje linijoje, abu yra nulis.

Mazgas D

CD ir DE yra vienoje tiesėje, o mazgas neapkrautas. Subalansavus jėgas skersai tos linijos lieka tik DH.

ΣF⊥ = 0 → F_DH = 0

Patikrinkite mazgų metodu

Išsprendus visus mazgus gaunamos šios elementų jėgos (T = tempimas, C = gniuždymas).

AB: 63,33 kN (T), BC: 63,33 kN (T), CD: 70 kN (T), DE: 70 kN (T), FG: 93,33 kN (C), GH: 93,33 kN (C), AF: 79,17 kN (C), HE: 87,5 kN (C), BF: 15 kN (T), CG: 10 kN (C), DH: 0, FC: 37,5 kN (T), HC: 29,17 kN (T)

Atsakymas

Nulinės jėgos elementas: DH

6.Santvara: mazgų metodas

Atsakymas: F_BC = 15,77 kN

Mazgų metodas: kiekvienas santvaros mazgas yra pusiausvyroje, todėl kiekviename mazge ΣF_x = 0 ir ΣF_y = 0. Pradėkite nuo mazgo, kuriame ne daugiau kaip dvi nežinomos strypų jėgos. Neigiamas rezultatas reiškia, kad strypas gniuždomas.

Atramų reakcijos

Visos santvaros pusiausvyra. Momentai A atžvilgiu, teigiami prieš laikrodžio rodyklę.

ΣM_A = 0: C_y·4 = 15·1 − 25·2 → C_y = −8,75 kN

ΣF_y = 0: A_y = 15 − −8,75 = 23,75 kN

ΣF_x = 0: A_x = 25 kN

Mazgas C

Ritininė atrama duoda tik vertikaliąją reakciją, todėl mazge C yra tik dvi nežinomos strypų jėgos. Tarkite, kad abu tempiami.

sin γ = 2/3,606 = 0,5547, cos γ = 3/3,606 = 0,8321

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −−8,75/0,5547 = 15,77 kN

Atsakymas

F_BC = 15,77 kN (tempimas)

7.Rėmai ir mechanizmai

Atsakymas: C = 26 kN

Rėmai ir mechanizmai: skirtingai nei santvara, rėmas turi bent vieną strypą, kuris apkrautas daugiau nei dviejuose taškuose arba turi apkrovą tarp šarnyrų. Pirmiausia ieškokite dviejų jėgų strypų: strypo, apkrauto tik dviejuose šarnyruose, jėga veikia tiese per juos, todėl jis prideda vieną nežinomąjį, o ne du. Tada atramų reakcijoms naudokite visą konstrukciją, jei nežinomųjų ne daugiau kaip trys. Galiausiai išardykite rėmą: kiekvieną strypą nubraižykite atskirai, su vienodo didumo ir priešingomis šarnyrų jėgomis dviem juos jungiantiems strypams, ir užrašykite jam ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 ir ΣM = 0. Imant momentus šarnyro atžvilgiu, abi to šarnyro jėgos komponentės iš lygties iškrenta.

Ryšio jėga iš kojos BC

B_y = 10 kN

T = 10·2,4/1 = 24 kN

Šarnyro jėgos komponentės, veikiančios BC

C_x = T = 24 kN, C_y = −B_y = −10 kN

Modulis

C = √(24² + 10²) = 26 kN

Atsakymas

C = 26 kN

8.Rėmai ir mechanizmai

Atsakymas: A_x = 4,2 kN

BC kryptis

BC = 2,828 m, cos = 0,7071, sin = 0,7071

Visas rėmas: momentai taško A atžvilgiu

F_BC·0,7071·5 = 4·2,25 + 10·2

F_BC = 8,202 kN

Horizontalioji pusiausvyra

A_x + 10 − 8,202·0,7071 = 0

A_x = −4,2 kN → |A_x| = 4,2 kN

Atsakymas

A_x = 4,2 kN

Minuso ženklas reiškia, kad A_x nukreiptas į kairę.

9.Skersinė jėga ir lenkimo momentas

Atsakymas: M_x = −36,5 kN·m

Pjūvių metodas: perpjaukite siją ten, kur norite rasti vidines jėgas, ir palikite vieną pusę. Skersinė jėga V atsveria tos pusės vertikaliąsias jėgas, o lenkimo momentas M – jų momentus pjūvio atžvilgiu.

Palikite dalį su laisvuoju galu

P: −25·0,5 = −12,5 kN·m

w: −12·2²/2 = −24 kN·m

M_x = −12,5 − 24 = −36,5 kN·m

Atsakymas

M_x = −36,5 kN·m

Neigiamas reiškia neigiamą lenkimą: tempiami viršutiniai sluoksniai.

10.Skersinė jėga ir lenkimo momentas

Atsakymas: M_x = 17 kN·m

Atramų reakcijos

Visos sijos pusiausvyra.

Išskirstytosios apkrovos atstojamoji: W = w·ℓ = 2·10 = 20 kN, veikianti taške x̄ = 5 m

ΣM_A = 0: R_B·10 = 20·6 + 2·10·5

R_B = 220/10 = 22 kN

ΣF_y = 0: R_A = 40 − 22 = 18 kN

Perpjaukite ties x = 1 m ir palikite kairiąją dalį

Įskaitomos tik jėgos kairiau pjūvio. Išskirstytosios apkrovos dalis veikia kaip viena jėga tos dalies viduryje.

M = R_A·x − (kiekviena apkrova kairiau pjūvio × jos atstumas iki pjūvio)

M_x = 18·1 − 2·1·0,5 = 17 kN·m

Atsakymas

M_x = 17 kN·m

11.Svorio centras ir inercijos momentas

Atsakymas: I_x = 336,2 × 10⁶ mm⁴

Pjūviai su skylėmis: skylę traktuokite kaip neigiamą plotą. Svorio centras yra ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), kai A₁, y₁ – pilnos plokštės, o A₂, y₂ – skylės. Ploto inercijos momentui centrinės ašies atžvilgiu kiekvienai daliai taikykite lygiagrečiųjų ašių (Šteinerio) teoremą ir skylę atimkite: I = (I_c1 + A₁d₁²) − (I_c2 + A₂d₂²), kur d yra atstumas nuo kiekvienos dalies savojo svorio centro iki ašies, einančios per ȳ. Stačiakampio I_c = bh³/12, o skritulio I_c = πd⁴/64.

Svorio centras

ȳ = (45000·150 − 1257·180)/(45000 − 1257) = 149,1 mm

Pilna plokštė ȳ atžvilgiu

150·300³/12 + 45000·0,8618² = 337,5 × 10⁶ mm⁴

Skylė ȳ atžvilgiu

π·40⁴/64 + 1257·30,86² = 1,323 × 10⁶ mm⁴

Atimkite

I_x = 336,2 × 10⁶ mm⁴

Atsakymas

I_x = 336,2 × 10⁶ mm⁴

12.Svorio centras ir inercijos momentas

Atsakymas: I_x = 311,9 × 10⁶ mm⁴

Sudėtiniai skerspjūviai: padalykite skerspjūvį į stačiakampius. Svorio centras yra plotais svertinis vidurkis ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Inercijos momentas centrinės ašies atžvilgiu sumuoja kiekvienos dalies nuosavą bh³/12 ir Šteinerio narį A·d², kur d – atstumas nuo dalies svorio centro iki bendro svorio centro. Lenkimo įtempis σ = M·y/I.

Padalykite į tris stačiakampius

Kiekvieną y matuokite nuo apatinio krašto.

viršutinė lentyna: A = 3080 mm², y = 425 mm

sienelė: A = 3200 mm², y = 214 mm

apatinė lentyna: A = 3080 mm², y = 7 mm

Svorio centras

ȳ = (3080·425 + 3200·214 + 3080·7)/9360 = 215,3 mm

Šteinerio teorema

viršutinė lentyna: 140·22³/12 + 3080·209,7² = 1,355 × 10⁸ mm⁴

sienelė: 8·400³/12 + 3200·1,316² = 4,267 × 10⁷ mm⁴

apatinė lentyna: 220·14³/12 + 3080·208,3² = 1,337 × 10⁸ mm⁴

I_x = 1,355 × 10⁸ + 4,267 × 10⁷ + 1,337 × 10⁸

I_x = 3,119 × 10⁸ mm⁴ = 311,9 × 10⁶ mm⁴

Atsakymas

I_x = 311,9 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics