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

Pastovi jėga F = (25, 5, 0) N veikia kūną, kuris tiesiai juda iš taško A(−4, 0, −4) į tašką B(3, 4, 3). Koordinatės pateiktos metrais. Raskite jėgos atliktą darbą W.

F = (25, 5, 0) NA(−4, 0, −4) mB(3, 4, 3) m

W = J

2.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandaugaSunkus

Raskite trikampio, kurio viršūnės A(−4, 3, −3), B(−3, −3, −3) ir C(1, 3, −2), plotą A. Koordinatės pateiktos metrais.

A(−4, 3, −3)B(−3, −3, −3)C(1, 3, −2)

A = m²

3.Sijų atramų reakcijosVidutinis

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

L = 5 mP₁ = 35 kN ties 1 mP₂ = 25 kN ties 2,5 m

R_B = kN

4.Sijų atramų reakcijosSunkus

Gembinė sija taške A įtvirtinta sienoje. Ją veikia tiesiškai kintanti apkrova, kuri ties siena lygi 15 kN/m ir mažėja iki nulio laisvajame gale B, bei sutelktoji jėga P, esanti 6 m atstumu nuo sienos. Raskite reakcijos momento sienoje didumą M_A.

L = 6 mw₀ = 15 kN/mP = 70 kN ties 6 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: 40 kN ↓F: 15 kN ↓H: 10 kN ↓

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

6.Santvara: mazgų metodasSunkus

Mazgų metodu raskite jėgą F_AB strype AB. Tempimą nurodykite teigiamu, gniuždymą – neigiamu.

tarpatramis = 4 maukštis = 3 mB yra 3 m nuo Avertikalioji apkrova = 15 kNhorizontalioji apkrova = 30 kN →

F_AB = kN

7.Rėmai ir mechanizmaiVidutinis

Parodytame alkūniniame spaustuve dvi vienodos jungtys AB ir BC sujungtos šarnyru B, ir kiekviena su tiese AC sudaro 20° kampą. Taške B veikia žemyn nukreipta 150 N jėga. Slankiklis C spaudžia ruošinį. Nepaisydami trinties ir svorių, raskite horizontaliąją spaudimo jėgą Q.

F = 150 Nθ = 20°

Q = N

8.Rėmai ir mechanizmaiSunkus

Tolygi horizontali strėlė AB, sverianti 0,5 kN, šarnyru pritvirtinta prie sienos taške A ir laikoma lyno nuo B iki sienos taško C, 2,5 m virš A. Taške B kabo 4 kN apkrova. Raskite šarnyro reakcijos didumą A.

W = 4 kNW_b = 0,5 kNAB = 6 mAC = 2,5 m

A = kN

9.Skersinė jėga ir lenkimo momentasVidutinis

Laisvai atremta sija apkrauta dviem sutelktosiomis jėgomis. Raskite didžiausią sijos lenkimo momentą M_max.

L = 4 mP₁ = 50 kN ties 1 mP₂ = 70 kN ties 2,5 m

M_max = kN·m

10.Skersinė jėga ir lenkimo momentasSunkus

Sija remiasi į šarnyrinę atramą A ir ritininę atramą B, o už B tęsiasi 1 m ilgio konsolė iki laisvojo galo C. Visą ilgį A–C veikia tolygiai išskirstyta apkrova w. Raskite didžiausią teigiamą lenkimo momentą M_max tarp atramų.

L = 9 mw = 10 kN/m nuo 0 iki 9 matramos ties x = 0 ir x = 8 m

M_max = kN·m

11.Svorio centras ir inercijos momentasVidutinis

Tuščiavidurio stačiakampio (dėžinio) skerspjūvio išorinis plotis B = 100 mm, išorinis aukštis H = 400 mm, o sienelių storis vienodas t = 12 mm. Raskite jo inercijos spindulį r horizontaliosios centrinės ašies atžvilgiu.

B = 100 mmH = 400 mmt = 12 mm

r = mm

12.Svorio centras ir inercijos momentasSunkus

Suvirinto dvitėjo skerspjūvio viršutinė lentyna yra 150 × 10 mm, sienelė 300 mm aukščio ir 10 mm storio, o apatinė lentyna 300 × 16 mm (plotis × storis). Raskite jo inercijos momentą I_x horizontaliosios ašies x, einančios per svorio centrą, atžvilgiu.

viršutinė lentyna: 150 × 10 mmsienelė: 10 × 300 mmapatinė lentyna: 300 × 16 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3Tirpalai

1.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Atsakymas: W = 195 J

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.

Poslinkis

d = B − A = (3, 4, 3) − (−4, 0, −4) = (7, 4, 7) m

Darbas

W = F·d = 25·7 + 5·4 + 0·7 = 195 J

Atsakymas

W = 195 J

2.Vektoriai: skaliarinė ir vektorinė sandauga

Atsakymas: A = 15,31 m²

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.

Kraštinių vektoriai

AB = B − A = (1, −6, 0)

AC = C − A = (5, 0, 1)

Vektorinė sandauga

(AB × AC)_x = AB_yAC_z − AB_zAC_y = (−6)·1 − 0·0 = −6

(AB × AC)_y = AB_zAC_x − AB_xAC_z = 0·5 − 1·1 = −1

(AB × AC)_z = AB_xAC_y − AB_yAC_x = 1·0 − (−6)·5 = 30

|AB × AC| = √((−6)² + (−1)² + 30²) = 30,61

Trikampio plotas

A = ½·30,61 = 15,31 m²

Atsakymas

A = 15,31 m²

3.Sijų atramų reakcijos

Atsakymas: R_B = 19,5 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·5 = 35·1 + 25·2,5

R_B = 97,5/5 = 19,5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 60 − 19,5 = 40,5 kN

Atsakymas

R_B = 19,5 kN

4.Sijų atramų reakcijos

Atsakymas: M_A = 510 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 = ½·15·6 = 45 kN

x̄ = L/3 = 2 m

Momentas sienos atžvilgiu

M_A = W·x̄ + P·a = 45·2 + 70·6 = 510 kN·m

Atsakymas

M_A = 510 kN·m

5.Santvara: mazgų metodas

Atsakymas: elementas CG

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 C

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

ΣF⊥ = 0 → F_CG = 0

Patikrinkite mazgų metodu

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

AB: 32,81 kN (T), BC: 24,38 kN (T), CD: 24,38 kN (T), DE: 15,94 kN (T), FG: 32,81 kN (C), GH: 15,94 kN (C), AF: 54,69 kN (C), HE: 26,56 kN (C), BF: 28,75 kN (T), CG: 0, DH: 11,25 kN (T), BG: 14,06 kN (T), DG: 14,06 kN (C)

Atsakymas

Nulinės jėgos elementas: CG

6.Santvara: mazgų metodas

Atsakymas: F_AB = 26,52 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 = 15·3 + 30·3 → C_y = 33,75 kN

ΣF_y = 0: A_y = 15 − 33,75 = −18,75 kN

ΣF_x = 0: A_x = −30 kN

Mazgas A

Tarkite, kad kiekvienas strypas tempiamas (traukia nuo mazgo). Tik AB turi vertikaliąją dedamąją mazge A.

sin α = 3/4,243 = 0,7071

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −−18,75/0,7071 = 26,52 kN

Atsakymas

F_AB = 26,52 kN (tempimas)

7.Rėmai ir mechanizmai

Atsakymas: Q = 206,1 N

Mechanizmai: replės, svertai, jungčių sistemos ir spaustuvai įėjimo jėgą paverčia didesne ar kitos krypties išėjimo jėga. Vieną dalį nubraižykite kaip laisvąjį kūną ir imkite momentus jos sukimosi ašies atžvilgiu: šarnyro jėga iškrenta, o F_in·a = F_out·b duoda mechaninį išlošį a/b. Šarnyro jėgą tada gaunate iš ΣF = 0 tai pačiai daliai. Alkūniniame mechanizme dvi jungtys susitinka mažu kampu θ; kiekviena jungtis yra dviejų jėgų strypas, todėl maža jėga F sandūroje sukuria dideles jungčių jėgas F/(2 sin θ) ir spaudimo jėgą F/(2 tan θ).

Šarnyro B pusiausvyra

2·F_link·sin 20° = 150

F_link = 219,3 N

Spaudimo jėga

Q = F_link·cos 20° = 150/(2·tan 20°) = 206,1 N

Atsakymas

Q = 206,1 N

Jėgų santykis Q/F = 1,374 auga neribotai, jungtims tiesėjant.

8.Rėmai ir mechanizmai

Atsakymas: A = 10,2 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.

Lyno įtempimas

T = (4 + 0,5/2)/0,3846 = 11,05 kN

Komponentės taške A

A_x = T·cos β = 10,2 kN

A_y = 4 + 0,5 − T·sin β = 0,25 kN

Modulis

A = √(10,2² + 0,25²) = 10,2 kN

Atsakymas

A = 10,2 kN

9.Skersinė jėga ir lenkimo momentas

Atsakymas: M_max = 84,38 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. Didžiausias momentas: kadangi dM/dx = V, lenkimo momentas didžiausias ten, kur skersinė jėga eina per nulį – sutelktosios jėgos vietoje arba išskirstytosios apkrovos ruože.

Atramų reakcijos

Visos sijos pusiausvyra.

ΣM_A = 0: R_B·4 = 50·1 + 70·2,5

R_B = 225/4 = 56,25 kN

ΣF_y = 0: R_A = 120 − 56,25 = 63,75 kN

Momentas po kiekviena apkrova

Palikite dalį kairiau kiekvienos apkrovos.

po P₁: M = R_A·1 = 63,75·1 = 63,75 kN·m

po P₂: M = R_B·1,5 = 56,25·1,5 = 84,38 kN·m

Didžiausia reikšmė

M_max = 84,38 kN·m (po P₂)

Atsakymas

M_max = 84,38 kN·m

10.Skersinė jėga ir lenkimo momentas

Atsakymas: M_max = 77,52 kN·m

Atramų reakcijos

Visos sijos pusiausvyra, įskaitant konsolės apkrovą.

Išskirstytosios apkrovos atstojamoji: W = w·ℓ = 10·9 = 90 kN, veikianti taške x̄ = 4,5 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 10·9·4,5

R_B = 405/8 = 50,63 kN

ΣF_y = 0: R_A = 90 − 50,63 = 39,38 kN

Nulinė skersinė jėga

R_A − w·x₀ = 0 → x₀ = 39,38/10 = 3,938 m

Didžiausias teigiamas momentas

M_max = R_A·x₀ − w·x₀²/2 = R_A²/(2w) = 39,38²/(2·10) = 77,52 kN·m

Atsakymas

M_max = 77,52 kN·m

11.Svorio centras ir inercijos momentas

Atsakymas: r = 131,2 mm

Inercijos momentas: stačiakampio inercijos momentas jo centrinės ašies atžvilgiu I = bh³/12, o pagrindo atžvilgiu bh³/3 (Šteinerio teorema I = I_c + A·d²). Angą įskaitykite atimdami jos I, jei abi dalys turi tą pačią ašį. Tamprusis atsparumo momentas S = I/c, kur c – atstumas iki kraštinio sluoksnio. Inercijos spindulys r = √(I/A) yra atstumas, kuriame sutelktas visas plotas duotų tą patį I; jis naudojamas kolonų klupumo skaičiavimuose.

Grynasis plotas ir inercijos momentas

b = 76 mm, h = 376 mm

A = BH − bh = 100·400 − 76·376 = 11424 mm²

I = (BH³ − bh³)/12 = 1,967 × 10⁸ mm⁴

Inercijos spindulys

r = √(I/A) = √(1,967 × 10⁸/11424) = 131,2 mm

Atsakymas

r = 131,2 mm

12.Svorio centras ir inercijos momentas

Atsakymas: I_x = 148,7 × 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 = 1500 mm², y = 321 mm

sienelė: A = 3000 mm², y = 166 mm

apatinė lentyna: A = 4800 mm², y = 8 mm

Svorio centras

ȳ = (1500·321 + 3000·166 + 4800·8)/9300 = 109,5 mm

Šteinerio teorema

viršutinė lentyna: 150·10³/12 + 1500·211,5² = 6,714 × 10⁷ mm⁴

sienelė: 10·300³/12 + 3000·56,55² = 3,209 × 10⁷ mm⁴

apatinė lentyna: 300·16³/12 + 4800·101,5² = 4,951 × 10⁷ mm⁴

I_x = 6,714 × 10⁷ + 3,209 × 10⁷ + 4,951 × 10⁷

I_x = 1,487 × 10⁸ mm⁴ = 148,7 × 10⁶ mm⁴

Atsakymas

I_x = 148,7 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics