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 sudut θ antara vektor a = (6, 2, −3) dan b = (−4, 3, 3), dalam darjah.

a = (6, 2, −3)b = (−4, 3, 3)

θ = °

2.Vektor: hasil darab titik & silangSukar

Vektor unit n̂ berserenjang dengan kedua-dua a = (−5, −5, −5) dan b = (−2, 1, −3) dan mempunyai komponen-z positif. Cari komponen-xnya n̂_x.

a = (−5, −5, −5)b = (−2, 1, −3)n̂_z > 0

n̂_x =

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 4 kN/m di B. Beban titik P juga bertindak pada 6 m dari A. Cari tindak balas penyokong menegak R_A.

L = 8 mw₀ = 4 kN/mP = 30 kN pada 6 m

R_A = kN

4.Tindak balas penyokong rasukSukar

Rasuk disokong mudah itu mempunyai pin di A dan penggelek di B. Beban P bertindak pada 1 m dari A, condong pada 30° kepada garis mengufuk, dan beban menegak Q bertindak pada 3 m dari A. Cari magnitud daya tindak balas jumlah R_A pada pin A.

L = 8 mP = 45 kN pada 1 m, θ = 30°Q = 20 kN pada 3 m

R_A = kN

5.Kekuda: kaedah sambunganSederhana

Tepat satu anggota kekuda ini tidak membawa daya di bawah beban ini. Yang manakah anggota daya sifar? Klik padanya dalam rajah.

D: 25 kN ↓F: 35 kN ↓G: 25 kN ↓

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

6.Kekuda: kaedah sambunganSukar

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

rentang = 4 mtinggi = 4 mB ialah 3 m dari Abeban tegak = 25 kNbeban mengufuk = 15 kN ←

F_AB = kN

7.Rangka & mesinSederhana

Rangka yang ditunjukkan mempunyai pin di A, B dan C; A dan C dipasang pada tanah berjarak 4 m, dan B setinggi 2.5 m dari tanah dan 0.6 m di sebelah kanan A. Beban menegak 15 kN bertindak pada anggota AB di K, 0.45 m (secara mengufuk) dari A. Cari daya F_BC dalam anggota BC.

P = 15 kNL = 4 mH = 2.5 mjarak mengufuk A ke B = 0.6 mjarak mengufuk A ke K = 0.45 m

F_BC = kN

8.Rangka & mesinSukar

Penekan togol mempunyai dua penghubung yang sama AB dan BC, setiap satu sepanjang 150 mm antara pin. Sambungan B berada 20 mm di atas garis AC. Daya ke bawah F yang manakah pada B menghasilkan daya penekan mengufuk 3000 N pada penggelongsor C? Abaikan geseran dan berat.

Q = 3000 NAB = BC = 150 mmh = 20 mm

F = N

9.Daya ricih & momen lenturSederhana

Cari momen lentur M_x pada keratan x = 1 m dari penyokong A. Gunakan momen lenturan positif jika melendut ke bawah (sagging) dan ricih ke atas pada muka kiri positif.

L = 5 mw = 8 kN/m dari 0 hingga 5 mx = 1 m

M_x = kN·m

10.Daya ricih & momen lenturSukar

Cari momen lentur M_x pada keratan x = 4.5 m dari penyokong A. Gunakan momen lenturan positif jika melendut ke bawah (sagging) dan ricih ke atas pada muka kiri positif.

L = 5 mP = 55 kN pada 2.5 mw = 12 kN/m dari 0 hingga 5 mx = 4.5 m

M_x = kN·m

11.Sentroid & momen luas keduaSederhana

Cari momen luas kedua I_x keratan-T pada paksi mengufuk x yang melalui sentroidnya.

b_f = 180 mmt_f = 20 mmt_w = 20 mmh_w = 140 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 20 kN·m. Cari magnitud tegasan lenturan σ_atas pada tepi atas.

b_f = 180 mmt_f = 20 mmt_w = 10 mmh_w = 100 mmM = 20 kN·m

σ_atas = MPa

3Larutan

1.Vektor: hasil darab titik & silang

Jawapan: θ = 131.4 °

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

a·b = 6·(−4) + 2·3 + (−3)·3 = −27

Magnitud

|a| = √(6² + 2² + (−3)²) = 7

|b| = √((−4)² + 3² + 3²) = 5.831

Sudut

cos θ = −27/(7·5.831) = −0.6615

θ = arccos(−0.6615) = 131.4°

Jawapan

θ = 131.4°

2.Vektor: hasil darab titik & silang

Jawapan: n̂_x = −0.7845

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) − (−5)·1 = 20

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

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = (−5)·1 − (−5)·(−2) = −15

Normalkan

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

|a × b| = √(20² + (−5)² + (−15)²) = 25.5

n̂ = −(20, −5, −15)/25.5 = (−0.7845, 0.1961, 0.5883)

n̂_x = −0.7845

Jawapan

n̂_x = −0.7845

3.Tindak balas penyokong rasuk

Jawapan: R_A = 12.83 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 = ½·4·8 = 16 kN

x̄ = 2L/3 = 5.333 m

Keseimbangan

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

ΣM_A = 0: R_B·8 = 16·5.333 + 30·6

R_B = 33.17 kN

R_A = 46 − 33.17 = 12.83 kN

Jawapan

R_A = 12.83 kN

4.Tindak balas penyokong rasuk

Jawapan: R_A = 50.54 kN

Komponen P

P_v = 45·sin 30° = 22.5 kN

P_h = 45·cos 30° = 38.97 kN

Tindak balas

ΣM_A = 0: R_B·8 = 22.5·1 + 20·3 → R_B = 10.31 kN

A_y = 22.5 + 20 − 10.31 = 32.19 kN

A_x = P_h = 38.97 kN

Paduan pada A

R_A = √(38.97² + 32.19²) = 50.54 kN

Jawapan

R_A = 50.54 kN

5.Kekuda: kaedah sambungan

Jawapan: anggota BF

Anggota daya sifar: pada sendi, daya mesti seimbang dalam setiap arah. Jika sendi tidak mempunyai beban dan tiada penyokong, dan dua daripada tiga anggotanya segaris, maka imbangan merentasi garisan itu hanya melibatkan anggota ketiga, jadi dayanya sifar. Jika hanya dua anggota bertemu pada sendi tanpa beban dan keduanya tidak segaris, kedua-duanya sifar.

Sendi B

AB dan BC terletak pada satu garis lurus dan sendi tidak membawa beban. Mengimbangkan daya merentasi garisan itu meninggalkan hanya BF.

ΣF⊥ = 0 → F_BF = 0

Semak dengan kaedah sendi

Menyelesaikan semua sendi memberikan daya anggota ini (T = tegangan, C = mampatan).

AB: 60 kN (T), BC: 60 kN (T), CD: 53.33 kN (T), DE: 53.33 kN (T), FG: 73.33 kN (C), GH: 73.33 kN (C), AF: 75 kN (C), HE: 66.67 kN (C), BF: 0, CG: 25 kN (C), DH: 25 kN (T), FC: 16.67 kN (T), HC: 25 kN (T)

Jawapan

Anggota daya sifar: BF

6.Kekuda: kaedah sambungan

Jawapan: F_AB = −26.56 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·4 = 25·3 − 15·4 → C_y = 3.75 kN

ΣF_y = 0: A_y = 25 − 3.75 = 21.25 kN

ΣF_x = 0: A_x = 15 kN

Sambungan A

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

sin α = 4/5 = 0.8

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −21.25/0.8 = −26.56 kN

Jawapan

F_AB = −26.56 kN (mampatan)

7.Rangka & mesin

Jawapan: F_BC = 2.849 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.

Anggota dua daya BC

BC = √(3.4² + 2.5²) = 4.22 m

Seluruh rangka: momen pada A

Tanah menolak BC pada C sepanjang CB; komponen mengufuknya melalui A, hanya yang menegak mempunyai momen.

F_BC·(2.5/4.22)·4 = 15·0.45

F_BC = 2.849 kN (mampatan)

Jawapan

F_BC = 2.849 kN

8.Rangka & mesin

Jawapan: F = 807.2 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).

Sudut penghubung

sin θ = 20/150 = 0.1333, θ = 7.662°

Daya penghubung

F_link = Q/cos θ = 3027 N

Daya pada B

F = 2·F_link·sin θ = 2·3000·tan θ = 807.2 N

Jawapan

F = 807.2 N

9.Daya ricih & momen lentur

Jawapan: M_x = 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.

Tindak balas penyokong

Keseimbangan seluruh rasuk.

Paduan UDL: W = w·ℓ = 8·5 = 40 kN, bertindak pada x̄ = 2.5 m

ΣM_A = 0: R_B·5 = 8·5·2.5

R_B = 100/5 = 20 kN

ΣF_y = 0: R_A = 40 − 20 = 20 kN

Potong pada x = 1 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 = 20·1 − 8·1·0.5 = 16 kN·m

Jawapan

M_x = 16 kN·m

10.Daya ricih & momen lentur

Jawapan: M_x = 27.25 kN·m

Tindak balas penyokong

Keseimbangan seluruh rasuk.

Paduan UDL: W = w·ℓ = 12·5 = 60 kN, bertindak pada x̄ = 2.5 m

ΣM_A = 0: R_B·5 = 55·2.5 + 12·5·2.5

R_B = 287.5/5 = 57.5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 115 − 57.5 = 57.5 kN

Potong pada x = 4.5 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 = 57.5·4.5 − 55·(4.5 − 2.5) − 12·4.5·2.25 = 27.25 kN·m

Jawapan

M_x = 27.25 kN·m

11.Sentroid & momen luas kedua

Jawapan: I_x = 14.77 × 10⁶ mm⁴

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 = 180·20 = 3600 mm², y_f = 140 + 20/2 = 150 mm

web: A_w = 20·140 = 2800 mm², y_w = 140/2 = 70 mm

Sentroid

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (3600·150 + 2800·70)/6400 = 115 mm

Teorem paksi selari

bebibir: 180·20³/12 + 3600·(150 − 115)² = 4.53 × 10⁶ mm⁴

web: 20·140³/12 + 2800·(70 − 115)² = 1.024 × 10⁷ mm⁴

I_x = 4.53 × 10⁶ + 1.024 × 10⁷ = 1.477 × 10⁷ mm⁴ = 14.77 × 10⁶ mm⁴

Jawapan

I_x = 14.77 × 10⁶ mm⁴

12.Sentroid & momen luas kedua

Jawapan: σ_atas = 122.2 MPa

Bahagikan kepada dua segi empat tepat

Ukur setiap y dari tepi bawah.

bebibir: A_f = 180·20 = 3600 mm², y_f = 100 + 20/2 = 110 mm

web: A_w = 10·100 = 1000 mm², y_w = 100/2 = 50 mm

Sentroid

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (3600·110 + 1000·50)/4600 = 96.96 mm

Teorem paksi selari

bebibir: 180·20³/12 + 3600·(110 − 96.96)² = 732476 mm⁴

web: 10·100³/12 + 1000·(50 − 96.96)² = 3.038 × 10⁶ mm⁴

I_x = 732476 + 3.038 × 10⁶ = 3.771 × 10⁶ mm⁴

Tegasan lenturan

Tepi atas berjarak h − ȳ dari paksi.

y = 120 − 96.96 = 23.04 mm

σ = M·y/I = 2 × 10⁷·23.04/3.771 × 10⁶ = 122.2 MPa

Jawapan

σ_atas = 122.2 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics