Statik: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 12 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

Vektor: hasil darab titik & silang

Magnitud: |a| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
Vektor unit: û = a/|a|
Komponen daripada sudut: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
Hasil darab titik: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
Unjuran skalar a pada b: a·b/|b|
Kerja: W = F·d
Hasil darab silang: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
Luas: segi empat selari |a × b|, segi tiga ½|a × b|
Momen pada O: M_O = r × F, r = A − O
Isi padu parallelepiped: V = |a·(b × c)|

Kaedah

Tulis setiap vektor dalam komponen; bagi daya yang diberikan oleh magnitud dan sudut, gunakan F·cos θ dan F·sin θ.
Untuk panjang dan arah gunakan magnitud √(x² + y² + z²) dan vektor unit a/|a|.
Gunakan hasil darab titik untuk sudut, unjuran, keserenjangan dan kerja: a·b = |a||b|cos θ.
Gunakan hasil darab silang untuk vektor berserenjang, luas dan momen: tulis ketiga-tiga komponen dengan teliti, dan kekalkan susunan a × b.

Tindak balas penyokong rasuk

Keseimbangan: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
Beban seragam: paduan w·L di tengah beban
Momen: M = F·d

Kaedah

Lukis gambar rajah jasad bebas dan gantikan setiap penyokong dengan tindak balasnya.
Gantikan setiap beban teragih dengan satu daya pada sentroidnya.
Ambil momen pada satu penyokong untuk mencari tindak balas pada penyokong yang lain.
Gunakan ΣF_y = 0 untuk mencari tindak balas yang tinggal, dan semak dengan persamaan momen kedua.

Kekuda: kaedah sambungan

Kaedah sambungan: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
Kaedah keratan: ΣM = 0 about a cut point
Daya anggota: positif = tegangan, negatif = mampatan

Kaedah

Cari tindak balas penyokong bagi keseluruhan kekuda.
Kaedah sambungan: mulakan pada sambungan dengan paling banyak dua daya anggota yang tidak diketahui dan gunakan ΣF_x = 0 dan ΣF_y = 0.
Kaedah keratan: potong melalui anggota yang anda perlukan dan ambil momen pada titik di mana anggota tidak diketahui yang lain bertemu.
Andaikan tegangan; jawapan negatif bermaksud mampatan.

Rangka & mesin

Keseimbangan setiap anggota: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
Anggota dua daya: daya sepanjang garis melalui kedua-dua pinnya
Daya pin: sama besar dan bertentangan arah pada kedua-dua anggota yang disambungnya
Magnitud daya pin: F = √(F_x² + F_y²)
Tuil, playar, engkol loceng: F_in·a = F_out·b
Togol: F_link = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Beban seragam: paduan w·L di tengah beban

Kaedah

Lukis seluruh struktur dan cari tindak balas penyokong jika ketakdiketahuinya tidak lebih daripada tiga.
Kenal pasti anggota dua daya: dibebani hanya pada dua pin, dayanya bertindak sepanjang garis antara pin.
Pisahkan rangka dan lukis setiap anggota secara berasingan, dengan daya pin yang sama besar dan bertentangan arah di mana anggota bertemu.
Untuk setiap anggota, ambil momen pada pin yang mempunyai daya tidak diketahui, kemudian gunakan ΣF_x = 0 dan ΣF_y = 0; gabungkan komponen menjadi magnitud pada akhirnya.

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)

2Soalan latihan

1.Vektor: hasil darab titik & silangSederhana

Cari nilai k supaya vektor a = (−5, −6, 3) dan b = (1, k, −5) berserenjang.

a = (−5, −6, 3)b = (1, k, −5)

k =

2.Vektor: hasil darab titik & silangSukar

Vektor unit n̂ berserenjang dengan kedua-dua a = (−5, 5, −3) dan b = (4, 0, 3) dan mempunyai komponen-z positif. Cari komponen-ynya n̂_y.

a = (−5, 5, −3)b = (4, 0, 3)n̂_z > 0

n̂_y =

3.Tindak balas penyokong rasukSederhana

Rasuk disokong mudah (pin di A, penggelek di B) membawa beban yang berubah secara linear, naik daripada sifar di A kepada 15 kN/m di B. Beban titik P juga bertindak pada 3.5 m dari A. Cari tindak balas penyokong menegak R_B.

L = 6 mw₀ = 15 kN/mP = 50 kN pada 3.5 m

R_B = kN

4.Tindak balas penyokong rasukSukar

Rasuk disokong mudah itu mempunyai penyokong pin di A dan penyokong penggelek di B. Cari tindak balas penyokong tegak R_A.

L = 8 mP = 35 kN pada 3 mw = 12 kN/m dari 0 hingga 8 m

R_A = kN

5.Kekuda: kaedah sambunganSederhana

Gunakan kaedah sambungan untuk mencari daya F_AB dalam anggota AB. Berikan tegangan sebagai positif dan mampatan sebagai negatif.

rentang = 6 mtinggi = 4 mB ialah 5 m dari Abeban tegak = 30 kN

F_AB = kN

6.Kekuda: kaedah sambunganSukar

Gunakan kaedah sambungan untuk mencari daya F_BC dalam anggota BC. Berikan tegangan sebagai positif dan mampatan sebagai negatif.

rentang = 6 mtinggi = 3 mB ialah 2 m dari Abeban tegak = 40 kNbeban mengufuk = 30 kN ←

F_BC = kN

7.Rangka & mesinSederhana

Engkol loceng yang ditunjukkan berputar pada pin O. Daya menegak 50 N pada A (100 mm dari O) diimbangi oleh daya mengufuk pada B (80 mm di atas O). Cari magnitud tindak balas pin F_O.

F = 50 NOA = 100 mmOB = 80 mm

F_O = N

8.Rangka & mesinSukar

Rangka yang ditunjukkan mempunyai pin di A, B dan C; A dan C dipasang pada tanah berjarak 4 m, dan B setinggi 2 m dan 0.6 m di sebelah kanan A. Anggota AB membawa beban menegak 10 kN pada K, 0.15 m (secara mengufuk) dari A, dan beban mengufuk 8 kN ke kanan bertindak pada B pada anggota AB. Cari saiz tindak balas mengufuk A_x di A.

P = 10 kNQ = 8 kNL = 4 mH = 2 mjarak mengufuk A ke B = 0.6 mjarak mengufuk A ke K = 0.15 m

A_x = kN

9.Daya ricih & momen lenturSederhana

Julur itu terikat tetap pada A. Ia membawa beban teragih seragam w sepanjang keseluruhan panjangnya dan beban titik P pada 3.5 m dari A. Cari momen lentur M_A pada penyokong tetap A. Gunakan momen sagging sebagai positif dan daya ricih ke atas pada muka kiri sebagai positif.

L = 5 mP = 65 kN pada 3.5 mw = 10 kN/m dari 0 hingga 5 m

M_A = kN·m

10.Daya ricih & momen lenturSukar

Rasuk disokong mudah itu membawa beban teragih seragam pada sebahagian rentangnya. Cari momen lentur maksimum M_max dalam rasuk.

L = 4 mw = 20 kN/m dari 1 hingga 4 m

M_max = kN·m

11.Sentroid & momen luas keduaSederhana

Keratan I simetri mempunyai bebibir selebar 160 mm dan setebal 12 mm, kedalaman keseluruhan 220 mm dan web setebal 12 mm. Cari momen luas keduanya I_x pada paksi sentroid mengufuk x.

B = 160 mmH = 220 mmt_f = 12 mmt_w = 12 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.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 = 240 mmt_f = 10 mmt_w = 12 mmh_w = 300 mmM = 50 kN·m

σ_bawah = MPa

3Larutan

1.Vektor: hasil darab titik & silang

Jawapan: k = −3.333

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.

Hasil darab titik sama dengan sifar

a·b = (−5)·1 + (−6)·k + 3·(−5) = 0

−20 + (−6)·k = 0

Selesaikan untuk k

k = −(−20)/(−6) = −3.333

Jawapan

k = −3.333

2.Vektor: hasil darab titik & silang

Jawapan: n̂_y = −0.1191

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.

Hasil darab silang

(a × b)_x = a_yb_z − a_zb_y = 5·3 − (−3)·0 = 15

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = (−3)·4 − (−5)·3 = 3

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = (−5)·0 − 5·4 = −20

Normalkan

Komponen-z bagi a × b negatif, maka gunakan −(a × b).

|a × b| = √(15² + 3² + (−20)²) = 25.18

n̂ = −(15, 3, −20)/25.18 = (−0.5957, −0.1191, 0.7943)

n̂_y = −0.1191

Jawapan

n̂_y = −0.1191

3.Tindak balas penyokong rasuk

Jawapan: R_B = 59.17 kN

Keseimbangan statik: jasad yang pegun mempunyai ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 dan ΣM = 0 pada mana-mana titik. Gantikan setiap beban teragih dengan daya paduannya (luasnya) yang bertindak pada sentroid gambar rajah beban, dan ambil momen pada satu penyokong untuk menghapuskan tindak balas penyokong itu daripada persamaan.

Daya paduan beban segi tiga

W = ½·15·6 = 45 kN

x̄ = 2L/3 = 4 m

Keseimbangan

Momen pada A, lawan arah jam positif. Kemudian keseimbangan daya tegak.

ΣM_A = 0: R_B·6 = 45·4 + 50·3.5

R_B = 59.17 kN

R_A = 95 − 59.17 = 35.83 kN

Jawapan

R_B = 59.17 kN

4.Tindak balas penyokong rasuk

Jawapan: R_A = 69.88 kN

Keseimbangan statik: jasad yang pegun mempunyai ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 dan ΣM = 0 pada sebarang titik. Mengambil momen pada satu penyokong menyingkirkan tindak balas penyokong itu daripada persamaan.

Gambar rajah jasad bebas

Gantikan penyokong dengan daya tindak balas. Penggelek memberikan satu tindak balas tegak; dengan beban tegak sahaja, pin juga memberikan satu tindak balas tegak.

Keseimbangan

Momen pada A, lawan arah jam positif. Kemudian keseimbangan daya tegak.

Paduan UDL: W = w·ℓ = 12·8 = 96 kN, bertindak pada x̄ = 4 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 35·3 + 12·8·4

R_B = 489/8 = 61.13 kN

ΣF_y = 0: R_A = 131 − 61.13 = 69.88 kN

Jawapan

R_A = 69.88 kN

5.Kekuda: kaedah sambungan

Jawapan: F_AB = −8.004 kN

Kaedah sambungan: setiap pin kekuda berada dalam keseimbangan, jadi ΣF_x = 0 dan ΣF_y = 0 pada setiap sambungan. Mulakan pada sambungan dengan paling banyak dua daya anggota yang tidak diketahui. Hasil negatif bermaksud anggota berada dalam mampatan.

Tindak balas penyokong

Keseimbangan seluruh kekuda. Momen pada A, lawan arah jam positif.

ΣM_A = 0: C_y·6 = 30·5 → C_y = 25 kN

ΣF_y = 0: A_y = 30 − 25 = 5 kN

Sambungan A

Andaikan setiap anggota berada dalam tegangan (menarik menjauhi sambungan). Hanya AB mempunyai komponen tegak pada A.

sin α = 4/6.403 = 0.6247

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −5/0.6247 = −8.004 kN

Jawapan

F_AB = −8.004 kN (mampatan)

6.Kekuda: kaedah sambungan

Jawapan: F_BC = 2.778 kN

Tindak balas penyokong

Keseimbangan seluruh kekuda. Momen pada A, lawan arah jam positif.

ΣM_A = 0: C_y·6 = 40·2 − 30·3 → C_y = −1.667 kN

ΣF_y = 0: A_y = 40 − −1.667 = 41.67 kN

ΣF_x = 0: A_x = 30 kN

Sambungan C

Penggelek hanya memberikan tindak balas tegak, jadi sambungan C hanya mempunyai dua daya anggota yang tidak diketahui. Andaikan kedua-duanya dalam tegangan.

sin γ = 3/5 = 0.6, cos γ = 4/5 = 0.8

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −−1.667/0.6 = 2.778 kN

Jawapan

F_BC = 2.778 kN (tegangan)

7.Rangka & mesin

Jawapan: F_O = 80.04 N

Mesin: playar, tuil, penghubung dan pengapit menukarkan daya input kepada daya output yang lebih besar atau berarah berbeza. Lukis satu bahagian sebagai jasad bebas dan ambil momen pada pivotnya: daya pin hilang, dan F_in·a = F_out·b memberikan kelebihan mekanikal a/b. Daya pin kemudian diperoleh daripada ΣF = 0 pada bahagian yang sama. Dalam togol, dua penghubung bertemu pada sudut cetek θ; setiap penghubung ialah anggota dua daya, jadi daya kecil F pada sambungan menghasilkan daya penghubung yang besar F/(2 sin θ) dan daya pengapitan F/(2 tan θ).

Daya pada B

Q = 50·100/80 = 62.5 N

Tindak balas pin

O_x = 62.5 N, O_y = 50 N

F_O = √(62.5² + 50²) = 80.04 N

Jawapan

F_O = 80.04 N

8.Rangka & mesin

Jawapan: A_x = 0.5625 kN

Rangka dan mesin: tidak seperti kekuda, rangka mengandungi sekurang-kurangnya satu anggota yang membawa daya pada lebih daripada dua titik, atau beban di antara pinnya. Pertama cari anggota dua daya: anggota yang dibebani hanya pada dua pin mempunyai dayanya sepanjang garis melalui keduanya, jadi ia menambah satu ketakdiketahuan, bukan dua. Kemudian gunakan seluruh struktur untuk tindak balas penyokong apabila ketakdiketahuan tidak lebih daripada tiga. Akhirnya pisahkan rangka: lukis setiap anggota secara berasingan, dengan daya pin yang sama besar dan bertentangan arah pada kedua-dua anggota yang disambungnya, dan tulis ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 dan ΣM = 0 untuknya. Mengambil momen pada pin menyingkirkan kedua-dua komponen daya pin itu daripada persamaan.

Arah BC

BC = 3.945 m, cos = 0.8619, sin = 0.507

Seluruh rangka: momen pada A

F_BC·0.507·4 = 10·0.15 + 8·2

F_BC = 8.629 kN

Imbangan mengufuk

A_x + 8 − 8.629·0.8619 = 0

A_x = −0.5625 kN → |A_x| = 0.5625 kN

Jawapan

A_x = 0.5625 kN

Tanda tolak bermaksud A_x menuju ke kiri.

9.Daya ricih & momen lentur

Jawapan: M_A = −352.5 kN·m

Simpan bahagian hujung bebas

P: −65·3.5 = −227.5 kN·m

w: −10·5²/2 = −125 kN·m

M_A = −227.5 − 125 = −352.5 kN·m

Jawapan

M_A = −352.5 kN·m

Negatif bermaksud hogging: tegangan pada muka atas.

10.Daya ricih & momen lentur

Jawapan: M_max = 35.16 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. Momen maksimum: kerana dM/dx = V, momen lentur mencapai puncak di mana daya ricih melalui sifar, sama ada pada beban titik atau di dalam beban teragih.

Tindak balas penyokong

Keseimbangan seluruh rasuk.

Paduan UDL: W = w·ℓ = 20·3 = 60 kN, bertindak pada x̄ = 2.5 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 20·3·2.5

R_B = 150/4 = 37.5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 60 − 37.5 = 22.5 kN

Daya ricih sifar

Daya ricih bermula pada R_A, kekal malar pada sebarang bahagian yang tidak dibebani dan menurun dengan kecerunan w di dalam beban.

R_A − w·(x₀ − 1) = 0

x₀ = 1 + 22.5/20 = 2.125 m

Momen maksimum

M_max = R_A·x₀ − w·(x₀ − 1)²/2 = 22.5·2.125 − 20·1.125²/2 = 35.16 kN·m

Jawapan

M_max = 35.16 kN·m

11.Sentroid & momen luas kedua

Jawapan: I_x = 49.11 × 10⁶ mm⁴

Momen luas kedua: bagi segi empat tepat pada paksi sentroidnya sendiri I = bh³/12, dan pada tapaknya bh³/3 (teorem paksi selari I = I_c + A·d²). Lubang dikendalikan dengan menolak I-nya, selagi kedua-dua bahagian berkongsi paksi yang sama. Modulus keratan kenyal ialah S = I/c, dengan c ialah jarak ke gentian paling luar.

Segi empat tepat luar tolak dua potongan sisi

Kedua-dua potongan bersama selebar (B − t_w) dan setinggi h_w = H − 2t_f, dan berkongsi paksi x.

h_w = 220 − 2·12 = 196 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (160·220³ − 148·196³)/12

I_x = 4.911 × 10⁷ mm⁴ = 49.11 × 10⁶ mm⁴

Jawapan

I_x = 49.11 × 10⁶ mm⁴

12.Sentroid & momen luas kedua

Jawapan: σ_bawah = 172 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 = 240·10 = 2400 mm², y_f = 300 + 10/2 = 305 mm

web: A_w = 12·300 = 3600 mm², y_w = 300/2 = 150 mm

Sentroid

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (2400·305 + 3600·150)/6000 = 212 mm

Teorem paksi selari

bebibir: 240·10³/12 + 2400·(305 − 212)² = 2.078 × 10⁷ mm⁴

web: 12·300³/12 + 3600·(150 − 212)² = 4.084 × 10⁷ mm⁴

I_x = 2.078 × 10⁷ + 4.084 × 10⁷ = 6.162 × 10⁷ mm⁴

Tegasan lenturan

Tepi bawah berjarak ȳ dari paksi.

y = 212 mm

σ = M·y/I = 5 × 10⁷·212/6.162 × 10⁷ = 172 MPa

Jawapan

σ_bawah = 172 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics