Mekanik Bahan: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 14 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharu Kembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Tegasan & terikan paksi

Tegasan normal: σ = F/A
Terikan: ε = ΔL/L
Hukum Hooke: σ = E·ε
Pemanjangan: ΔL = FL/(EA)
Terikan terma: ε_T = α·ΔT

Kilasan aci

Tegasan ricih: τ = T·r/J
Aci pejal: J = πd⁴/32
Aci berongga: J = π(D⁴ − d⁴)/32
Sudut piuhan: φ = TL/(GJ)
Kuasa: P = T·ω = 2πnT/60

Kaedah

Cari momen luas kutub: J = πd⁴/32 untuk aci pejal.
Tegasan ricih pada permukaan: τ = T·r/J, dengan r ialah jejari luar.
Sudut piuhan: φ = TL/(GJ) dalam radian.
Jika kuasa diberi, cari tork dahulu dengan P = T·ω, ω = 2πn/60.

Daya ricih & momen lentur

Ricih dan momen: V = ΣF pada satu sisi, M = ΣF·d pada satu sisi
Tegasan lenturan: σ = M·y/I
Segi empat tepat: I = bh³/12
Modulus keratan: W = I/y_max
Disokong mudah, beban seragam: M_max = wL²/8

Kaedah

Cari tindak balas penyokong daripada keseimbangan seluruh rasuk.
Potong rasuk pada keratan yang anda perlukan dan simpan satu sebelah.
Daya ricih: hasil tambah daya tegak pada sebelah itu. Momen lentur: hasil tambah momennya pada potongan.
Untuk momen maksimum, cari di mana daya ricih ialah sifar.

Sentroid & momen luas kedua

Sentroid: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
Segi empat tepat: I = bh³/12
Teorem paksi selari: I = I_c + A·d²
Keratan gubahan: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

Bulatan Mohr & transformasi tegasan

Pusat: C = (σ_x + σ_y)/2
Jejari: R = √(((σ_x − σ_y)/2)² + τ_xy²)
Tegasan utama: σ_1,2 = C ± R
Arah utama: tan 2θ_p = 2τ_xy/(σ_x − σ_y)
Satah condong: σ_θ = C + (σ_x − σ_y)/2·cos 2θ + τ_xy·sin 2θ

Kaedah

Kira pusat bulatan Mohr: C = (σx + σy)/2.
Kira jejari: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
Tegasan utama ialah C ± R dan tegasan ricih dalam satah terbesar ialah R.
Sudut pada bulatan adalah dua kali ganda sudut pada unsur: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Pesongan rasuk

Beban titik pada pertengahan rentang: δ = PL³/(48EI)
Beban seragam, disokong mudah: δ = 5wL⁴/(384EI)
Julur, beban hujung: δ = PL³/(3EI)
Julur, beban seragam: δ = wL⁴/(8EI)
Superposisi: δ = δ₁ + δ₂

Lengkokan tiang

Beban Euler: P_cr = π²EI/(KL)²
Faktor panjang berkesan: K = 1 pin–pin, 0.5 tetap–tetap, 0.7 tetap–pin, 2 tetap–bebas
Tegasan kritikal: σ_cr = P_cr/A
Kelangsingan: λ = KL/r, r = √(I/A)

2Soalan latihan

1.Tegasan & terikan paksiSederhana

Cari pemanjangan δ bagi bar aluminium di bawah beban paksi itu.

P = 20 kNd = 10 mmL = 1.5 mE = 70 GPa

δ = mm

2.Tegasan & terikan paksiSukar

Bar berperingkat itu dipasang tetap pada dinding dan dibebankan pada hujung bebasnya. Cari jumlah pemanjangan δ.

P = 100 kNsegmen 1: Ø30 mm, 1 m, loyang (E = 100 GPa)segmen 2: Ø16 mm, 1.5 m, kuprum (E = 117 GPa)

δ = mm

3.Kilasan aciSederhana

Aci aluminium berongga (diameter luar 80 mm, diameter dalam 40 mm, panjang 1.2 m) terikat pada satu hujung dan dipiuh oleh tork 2000 N·m pada hujung yang satu lagi. Cari sudut kilasan φ dalam darjah.

T = 2000 N·md_o = 80 mmd_i = 40 mmL = 1.2 mG = 26 GPa

φ = °

4.Kilasan aciSukar

Aci berongga mesti memindahkan 15 kW pada 3000 rpm. Diameter dalamnya ialah 0.6 kali diameter luarnya, dan tegasan ricih tidak boleh melebihi 60 MPa. Cari diameter luar terkecil d_o.

P = 15 kWN = 3000 rpmd_i/d_o = 0.6τ_allow = 60 MPa

d_o = mm

5.Daya ricih & momen lenturSederhana

Rasuk itu bertumpu pada pin di A dan penggelek di B serta menjulur melepasi B sejauh 1.5 m hingga hujung bebas C. Ia membawa beban titik P₁ di antara penyokong dan beban titik P₂ pada C. Cari momen lentur M_B pada penyokong B. Gunakan momen sagging sebagai positif dan daya ricih ke atas pada muka kiri sebagai positif.

L = 7.5 mP₁ = 80 kN pada 3.5 mP₂ = 20 kN pada 7.5 mpenyokong pada x = 0 dan x = 6 m

M_B = kN·m

6.Daya ricih & momen lenturSukar

Cari momen lentur M_x pada keratan x = 2.5 m dari penyokong A. Gunakan momen lenturan positif jika melendut ke bawah (sagging) dan ricih ke atas pada muka kiri positif.

L = 6 mP = 45 kN pada 4 mw = 6 kN/m dari 0 hingga 6 mx = 2.5 m

M_x = kN·m

7.Sentroid & momen luas keduaSederhana

Plat 150 mm × 150 mm mempunyai lubang bulat berdiameter 30 mm pada garis tengah menegaknya, dengan pusatnya 97.5 mm di atas bahagian bawah. Cari momen luas kedua I_x pada paksi mengufuk melalui sentroid.

b = 150 mmh = 150 mmd = 30 mmpusat lubang: y = 97.5 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

8.Sentroid & momen luas keduaSukar

Keratan-T digunakan sebagai rasuk dengan bebibir di atas dan membawa momen lentur melendut ke bawah sebanyak 50 kN·m. Cari tegasan lenturan σ_bawah pada tepi bawah.

b_f = 120 mmt_f = 25 mmt_w = 8 mmh_w = 280 mmM = 50 kN·m

σ_bawah = MPa

9.Bulatan Mohr & transformasi tegasanSederhana

Satu titik dalam bahagian yang dibebankan mempunyai σₓ = 100 MPa, σᵧ = 120 MPa dan τₓᵧ = −40 MPa (tegangan positif). Cari sudut θ_p dari paksi-x ke arah tegasan utama terbesar, antara −90° dan 90°.

σ_x = 100 MPaσ_y = 120 MPaτ_xy = −40 MPa

θ_p = °

10.Bulatan Mohr & transformasi tegasanSukar

Satu titik dalam bahagian yang dibebankan mempunyai σₓ = −70 MPa, σᵧ = −40 MPa dan τₓᵧ = 20 MPa (tegangan positif). Cari tegasan normal σ_θ pada satah yang normalnya diputar 45° ikut arah jam dari paksi-x.

σ_x = −70 MPaσ_y = −40 MPaτ_xy = 20 MPaθ = -45°

σ_θ = MPa

11.Pesongan rasukSederhana

Rasuk disokong mudah membawa beban titik P pada a = 3 m dari penyokong A. Cari pesongan δ_P di bawah beban.

P = 24 kNa = 3 mL = 8 mE = 200 GPa (keluli)I = 57 × 10⁶ mm⁴

δ_P = mm

12.Pesongan rasukSukar

Satu rasuk disokong mudah membawa beban teragih seragam w. Pesongannya tidak boleh melebihi rentang/360. Cari momen luas kedua terkecil I_req yang memenuhi had ini.

w = 6 kN/mL = 8 mE = 11 GPa (kayu balak)

I_req = × 10⁶ mm⁴

13.Lengkokan tiangSederhana

Satu tiang sepanjang L diperbuat daripada keluli dan tetap pada kedua-dua hujung. Dengan formula Euler, cari beban lengkokan kritikal P_crnya.

L = 1.5 mE = 200 GPa (keluli)b × h = 20 × 40 mm

P_cr = kN

14.Lengkokan tiangSukar

Satu tiang sepanjang L diperbuat daripada aluminium dan dengan pangkal tetap dan bahagian atas berpin. Cari kelangsingannya dan tegasan lengkokan kritikal σ_cr daripada formula Euler.

L = 3 mE = 70 GPa (aluminium)d = 80 mm

σ_cr = MPa

3Larutan

1.Tegasan & terikan paksi

Jawapan: δ = 5.457 mm

Hukum Hooke: dalam julat kenyal σ = E·ε. Menggabungkannya dengan σ = P/A dan ε = δ/L memberikan δ = PL/(AE).

Tegasan

A = π·10²/4 = 78.54 mm²

σ = P/A = 20·1000/78.54 = 254.6 MPa

Terikan (hukum Hooke)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 254.6/70000 = 0.003638 = 3638 µε

Pemanjangan

δ = ε·L = 0.003638·1500 mm = 5.457 mm

Jawapan

δ = 5.457 mm

2.Tegasan & terikan paksi

Jawapan: δ = 7.791 mm

Anggota dibebankan secara paksi: setiap segmen prismatik mematuhi δ = PL/(AE). Bagi anggota secara bersiri, pemanjangan ditambah.

Daya yang sama dalam kedua-dua segmen

Hujung bebas membawa P, jadi setiap keratan bar membawa daya paksi P yang sama. Hanya luas dan bahan yang berubah.

A₁ = π·30²/4 = 706.9 mm², A₂ = π·16²/4 = 201.1 mm²

σ₁ = 141.5 MPa

σ₂ = 497.4 MPa

Tambah pemanjangan segmen

δ₁ = σ₁L₁/E₁ = 141.5·1000/100000 = 1.415 mm

δ₂ = σ₂L₂/E₂ = 497.4·1500/117000 = 6.376 mm

δ = δ₁ + δ₂ = 7.791 mm

Jawapan

δ = 7.791 mm

3.Kilasan aci

Jawapan: φ = 1.403 °

Kilasan aci bulat: tegasan ricih bertambah secara linear daripada sifar di pusat kepada τ_max = T·r/J pada permukaan, dengan J = πd⁴/32 bagi aci pejal dan J = π(d_o⁴ − d_i⁴)/32 bagi aci berongga. Sudut piuhan ialah φ = TL/(GJ) dalam radian. Kuasa dan tork dihubungkan oleh P = T·ω.

Momen luas kutub kedua

J = π(80⁴ − 40⁴)/32 = 3.77 × 10⁶ mm⁴

Sudut piuhan

T = 2000 N·m = 2 × 10⁶ N·mm

L = 1.2 m = 1200 mm

G = 26 GPa = 26000 MPa

φ = TL/(GJ) = 2 × 10⁶·1200/(26000·3.77 × 10⁶) = 0.02449 rad

φ = 0.02449·180/π = 1.403°

Jawapan

φ = 1.403°

4.Kilasan aci

Jawapan: d_o = 16.7 mm

Tork

ω = 2πN/60 = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s

T = P/ω = 15000/314.2 = 47.75 N·m

Diameter luar daripada tegasan yang dibenarkan

T = 47.75 N·m = 47746 N·mm

1 − k⁴ = 1 − 0.6⁴ = 0.8704

d_o = ∛(16T/(π·τ_allow·(1 − k⁴))) = ∛(16·47746/(π·60·0.8704)) = 16.7 mm

d_i = 0.6·16.7 = 10.02 mm

Jawapan

d_o = 16.7 mm

Aci pepejal memerlukan d = 15.94 mm; yang berongga sedikit lebih besar tetapi jauh lebih ringan.

5.Daya ricih & momen lentur

Jawapan: M_B = −30 kN·m

Kaedah keratan: potong rasuk di tempat yang anda mahu mencari daya dalaman dan simpan satu sebelah. Daya ricih V mengimbangi daya tegak pada sebelah itu, dan momen lentur M mengimbangi momennya pada potongan.

Tindak balas penyokong

Keseimbangan seluruh rasuk. Beban juluran juga bertindak pada A.

ΣM_A = 0: R_B·6 = 80·3.5 + 20·7.5

R_B = 430/6 = 71.67 kN

ΣF_y = 0: R_A = 100 − 71.67 = 28.33 kN

Keratan pada B dan simpan juluran

Hanya P₂ bertindak pada juluran, dengan lengan tuas a. Ia melenturkan rasuk ke atas di atas penyokong (hogging).

M_B = −P₂·a = −20·1.5 = −30 kN·m

Jawapan

M_B = −30 kN·m

6.Daya ricih & momen lentur

Jawapan: M_x = 63.75 kN·m

Tindak balas penyokong

Keseimbangan seluruh rasuk.

Paduan UDL: W = w·ℓ = 6·6 = 36 kN, bertindak pada x̄ = 3 m

ΣM_A = 0: R_B·6 = 45·4 + 6·6·3

R_B = 288/6 = 48 kN

ΣF_y = 0: R_A = 81 − 48 = 33 kN

Potong pada x = 2.5 m dan simpan bahagian kiri

Hanya daya di kiri potongan yang muncul. Bahagian UDL bertindak sebagai satu daya di tengah bahagian itu.

M = R_A·x − (setiap beban di kiri keratan × jaraknya ke keratan)

M_x = 33·2.5 − 6·2.5·1.25 = 63.75 kN·m

Jawapan

M_x = 63.75 kN·m

7.Sentroid & momen luas kedua

Jawapan: I_x = 41.78 × 10⁶ mm⁴

Keratan dengan lubang: anggap lubang sebagai luas negatif. Sentroidnya ialah ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), dengan A₁, y₁ untuk plat penuh dan A₂, y₂ untuk lubang. Untuk momen luas kedua pada paksi sentroid, gunakan teorem paksi selari bagi setiap bahagian dan tolak lubang: I = (I_c1 + A₁d₁²) − (I_c2 + A₂d₂²), dengan d jarak dari sentroid setiap bahagian ke paksi melalui ȳ. Segi empat tepat mempunyai I_c = bh³/12 dan bulatan I_c = πd⁴/64.

Sentroid

ȳ = (22500·75 − 706.9·97.5)/(22500 − 706.9) = 74.27 mm

Plat penuh pada ȳ

150·150³/12 + 22500·0.7298² = 42.2 × 10⁶ mm⁴

Lubang pada ȳ

π·30⁴/64 + 706.9·23.23² = 0.4212 × 10⁶ mm⁴

Tolak

I_x = 41.78 × 10⁶ mm⁴

Jawapan

I_x = 41.78 × 10⁶ mm⁴

8.Sentroid & momen luas kedua

Jawapan: σ_bawah = 254.7 MPa

Luas gubahan: bahagikan keratan kepada segi empat tepat. Sentroid ialah purata berwajaran luas ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Momen luas kedua pada paksi sentroid menambah bh³/12 setiap bahagian dan sebutan paksi selari A·d²nya, dengan d ialah jarak dari sentroid bahagian itu ke sentroid keseluruhan. Tegasan lenturan ialah σ = M·y/I.

Bahagikan kepada dua segi empat tepat

Ukur setiap y dari tepi bawah.

bebibir: A_f = 120·25 = 3000 mm², y_f = 280 + 25/2 = 292.5 mm

web: A_w = 8·280 = 2240 mm², y_w = 280/2 = 140 mm

Sentroid

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (3000·292.5 + 2240·140)/5240 = 227.3 mm

Teorem paksi selari

bebibir: 120·25³/12 + 3000·(292.5 − 227.3)² = 1.291 × 10⁷ mm⁴

web: 8·280³/12 + 2240·(140 − 227.3)² = 3.171 × 10⁷ mm⁴

I_x = 1.291 × 10⁷ + 3.171 × 10⁷ = 4.462 × 10⁷ mm⁴

Tegasan lenturan

Tepi bawah berjarak ȳ dari paksi.

y = 227.3 mm

σ = M·y/I = 5 × 10⁷·227.3/4.462 × 10⁷ = 254.7 MPa

Jawapan

σ_bawah = 254.7 MPa

9.Bulatan Mohr & transformasi tegasan

Jawapan: θ_p = −52.02 °

Transformasi tegasan satah: pada satah yang diputar sebanyak θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Bulatan Mohr menunjukkan semua satah sekali gus: pusatnya pada C = (σₓ + σᵧ)/2 dan jejarinya R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Tegasan utama ialah C ± R, dan tegasan ricih dalam satah terbesar ialah R.

Sudut pada bulatan

Titik x berada pada sudut 2θp dari paksi-σ pada bulatan Mohr; sukuan diperoleh daripada tanda σₓ − σᵧ dan τₓᵧ.

2θ_p = atan2(2·−40, 100 − 120) = −104°

Sudut pada unsur

θ_p = −52.02°

Jawapan

θ_p = −52.02°

Sudut positif ialah lawan arah jam.

10.Bulatan Mohr & transformasi tegasan

Jawapan: σ_θ = −75 MPa

Persamaan transformasi

σ_θ = −55 + −15·0 + 20·−1 = −75 MPa

Jawapan

σ_θ = −75 MPa

11.Pesongan rasuk

Jawapan: δ_P = 19.74 mm

Pesongan rasuk: pesongan diperoleh daripada pengamiran kelengkungan M/(EI) dua kali. Kes piawai telah dijadualkan, contohnya PL³/(3EI) bagi julur dengan beban hujung dan 5wL⁴/(384EI) bagi rasuk disokong mudah di bawah beban seragam penuh. Pesongan daripada beban yang berasingan ditambah (superposisi).

Unit yang konsisten

Bekerja dalam N dan mm: P dalam N, w dalam N/mm (kN/m = N/mm), L dalam mm, E dalam N/mm² (GPa × 1000), I dalam mm⁴.

P = 24000 N, a = 3000 mm, b = 5000 mm, L = 8000 mm

EI = 1.14 × 10¹³ N·mm²

Pesongan di bawah beban

δ_P = Pa²b²/(3EIL) = 24000·3000²·5000²/(3·1.14 × 10¹³·8000) = 19.74 mm

Jawapan

δ_P = 19.74 mm

12.Pesongan rasuk

Jawapan: I_req = 1309 × 10⁶ mm⁴

Had pesongan

δ_allow = L/360 = 8000/360 = 22.22 mm

Momen luas kedua yang diperlukan

I = 5wL⁴/(384·E·δ_allow) = 5·6·8000⁴/(384·11000·22.22) = 1.309 × 10⁹ mm⁴

I_req = 1309 × 10⁶ mm⁴

Jawapan

I_req = 1309 × 10⁶ mm⁴

13.Lengkokan tiang

Jawapan: P_cr = 93.58 kN

Lengkokan Euler: tiang langsing menjadi tidak stabil pada P_cr = π²EI/(KL)², dengan KL ialah panjang berkesan: K = 1 bagi pin–pin, 2 bagi tetap–bebas, 0.7 bagi tetap–pin dan 0.5 bagi tetap–tetap. Ia melengkok pada paksi yang mempunyai I terkecil. Formula ini sah bagi tiang langsing, yang tegasan kritikalnya kekal di bawah tegasan alah.

Momen luas kedua terkecil

Segi empat tepat melengkok pada paksi lemahnya, menggunakan dimensi yang lebih kecil dikuasa tiga.

I_min = h·b³/12 = 40·20³/12 = 26667 mm⁴

Panjang berkesan

KL = 0.5·1500 = 750 mm

Beban kritikal

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·200000·26667/750² = 93578 N = 93.58 kN

Jawapan

P_cr = 93.58 kN

14.Lengkokan tiang

Jawapan: σ_cr = 62.66 MPa

Momen luas kedua terkecil

Keratan bulat mempunyai I yang sama pada setiap paksi.

I = πd⁴/64 = π·80⁴/64 = 2.011 × 10⁶ mm⁴

Jejari legaran dan kelangsingan

A = 5027 mm²

r = √(I/A) = √(2.011 × 10⁶/5027) = 20 mm

KL = 0.7·3000 = 2100 mm

KL/r = 2100/20 = 105

Tegasan kritikal

σ_cr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/105² = 62.66 MPa

Jawapan

σ_cr = 62.66 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechanics-of-materials