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

Daya malar F = (−5, −25, −20) N bertindak pada sesuatu objek semasa ia bergerak dalam garis lurus dari titik A(1, −3, −2) ke titik B(3, −4, 0). Koordinat dalam meter. Cari kerja W yang dilakukan oleh daya itu.

F = (−5, −25, −20) NA(1, −3, −2) mB(3, −4, 0) m

W = J

2.Vektor: hasil darab titik & silangSukar

Vektor unit n̂ berserenjang dengan kedua-dua a = (−1, 1, −4) dan b = (−4, −1, 5) dan mempunyai komponen-z positif. Cari komponen-ynya n̂_y.

a = (−1, 1, −4)b = (−4, −1, 5)n̂_z > 0

n̂_y =

3.Tindak balas penyokong rasukSederhana

Rasuk itu mempunyai pin di A dan penggelek di B, 3 m dari A, dan menjulur melepasi B hingga hujung bebas C. Cari tindak balas menegak R_A, dengan ke atas sebagai positif.

AB = 3 mAC = 5 mP₁ = 25 kN pada 2 mP₂ = 80 kN pada 5 m

R_A = 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 = 6 mP = 55 kN pada 2.5 mw = 5 kN/m dari 2 hingga 5 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 = 8 mtinggi = 2 mB ialah 5 m dari Abeban tegak = 30 kN

F_AB = kN

6.Kekuda: kaedah sambunganSukar

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

rentang = 4 mtinggi = 2 mB ialah 3 m dari Abeban tegak = 40 kNbeban mengufuk = 5 kN ←

F_AC = kN

7.Rangka & mesinSederhana

Rasuk mengufuk AB dipin pada dinding di A dan ditopang oleh topang CD, dipin pada dinding di C, 0.5 m di bawah A. Beban 8 kN tergantung pada B. Abaikan berat. Cari magnitud daya pin A pada rasuk di A.

P = 8 kNAD = 1 mAB = 2 mAC = 0.5 m

A = kN

8.Rangka & mesinSukar

Bum seragam mengufuk AB berberat 3 kN dipin pada dinding di A dan ditahan oleh kabel dari B ke titik C pada dinding, 4 m di atas A. Beban 2 kN tergantung pada B. Cari magnitud tindak balas pin A.

W = 2 kNW_b = 3 kNAB = 4 mAC = 4 m

A = kN

9.Daya ricih & momen lenturSederhana

Rasuk disokong mudah itu membawa sepasang daya ikut arah jam M₀ = 20 kN·m pada x = 3 m dari A, dan tiada beban lain. Cari momen lentur M_x sejurus di sebelah kanan pasangan daya itu. Gunakan momen sagging sebagai positif dan daya ricih ke atas pada muka kiri sebagai positif.

L = 4 mM₀ = 20 kN·m ikut arah jam, pada 3 m

M_x = kN·m

10.Daya ricih & momen lenturSukar

Rasuk itu bertumpu pada pin di A dan penggelek di B serta menjulur melepasi B sejauh 2.5 m hingga hujung bebas C. Beban teragih seragam w bertindak sepanjang keseluruhan panjang A–C. Cari momen lentur sagging maksimum M_max di antara penyokong.

L = 10.5 mw = 2 kN/m dari 0 hingga 10.5 mpenyokong pada x = 0 dan x = 8 m

M_max = kN·m

11.Sentroid & momen luas keduaSederhana

Plat 120 mm × 150 mm mempunyai lubang bulat berdiameter 60 mm pada garis tengah menegaknya, dengan pusatnya 90 mm di atas bahagian bawah. Cari momen luas kedua I_x pada paksi mengufuk melalui sentroid.

b = 120 mmh = 150 mmd = 60 mmpusat lubang: y = 90 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.Sentroid & momen luas keduaSukar

Plat 100 mm × 240 mm mempunyai potongan segi empat tepat selebar 30 mm dan setinggi 30 mm, berpusat pada garis tengah menegak dengan pusatnya 84 mm di atas bahagian bawah. Cari momen luas kedua I_x pada paksi mengufuk melalui sentroid.

b = 100 mmh = 240 mmpotongan: 30 × 30 mmpusat lubang: y = 84 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3Larutan

1.Vektor: hasil darab titik & silang

Jawapan: W = −25 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.

Sesaran

d = B − A = (3, −4, 0) − (1, −3, −2) = (2, −1, 2) m

Kerja

W = F·d = (−5)·2 + (−25)·(−1) + (−20)·2 = −25 J

Jawapan

W = −25 J

Kerja negatif: daya bertindak kebanyakannya melawan gerakan.

2.Vektor: hasil darab titik & silang

Jawapan: n̂_y = 0.9718

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 = 1·5 − (−4)·(−1) = 1

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = (−4)·(−4) − (−1)·5 = 21

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = (−1)·(−1) − 1·(−4) = 5

Normalkan

Komponen-z bagi a × b sudah positif.

|a × b| = √(1² + 21² + 5²) = 21.61

n̂ = (1, 21, 5)/21.61 = (0.04627, 0.9718, 0.2314)

n̂_y = 0.9718

Jawapan

n̂_y = 0.9718

3.Tindak balas penyokong rasuk

Jawapan: R_A = −45 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.

Momen pada A

Lawan arah jam positif.

ΣM_A = 0: R_B·3 = 25·2 + 80·5

R_B = 450/3 = 150 kN

Keseimbangan menegak

R_A = 25 + 80 − 150 = −45 kN

Jawapan

R_A = −45 kN

R_A negatif: pin di A perlu menahan rasuk ke bawah.

4.Tindak balas penyokong rasuk

Jawapan: R_A = 38.33 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 = 5·3 = 15 kN, bertindak pada x̄ = 3.5 m

ΣM_A = 0: R_B·6 = 55·2.5 + 5·3·3.5

R_B = 190/6 = 31.67 kN

ΣF_y = 0: R_A = 70 − 31.67 = 38.33 kN

Jawapan

R_A = 38.33 kN

5.Kekuda: kaedah sambungan

Jawapan: F_AB = −30.29 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·8 = 30·5 → C_y = 18.75 kN

ΣF_y = 0: A_y = 30 − 18.75 = 11.25 kN

Sambungan A

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

sin α = 2/5.385 = 0.3714

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −11.25/0.3714 = −30.29 kN

Jawapan

F_AB = −30.29 kN (mampatan)

6.Kekuda: kaedah sambungan

Jawapan: F_AC = 13.75 kN

Tindak balas penyokong

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

ΣM_A = 0: C_y·4 = 40·3 − 5·2 → C_y = 27.5 kN

ΣF_y = 0: A_y = 40 − 27.5 = 12.5 kN

ΣF_x = 0: A_x = 5 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 = 2/2.236 = 0.8944, cos γ = 1/2.236 = 0.4472

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −27.5/0.8944 = −30.75 kN

ΣF_x = 0: −F_AC − F_BC·cos γ = 0 → F_AC = −(−30.75)·0.4472 = 13.75 kN

Jawapan

F_AC = 13.75 kN (tegangan)

7.Rangka & mesin

Jawapan: A = 32.98 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.

Daya topang

F_CD = 8·2/(0.4472·1) = 35.78 kN

Komponen di A

A_x = F_CD·cos α = 32 kN (ke arah dinding)

A_y = 8 − F_CD·sin α = −8 kN

Magnitud

A = √(32² + −8²) = 32.98 kN

Jawapan

A = 32.98 kN

A_y negatif bermaksud dinding menarik rasuk ke bawah di A.

8.Rangka & mesin

Jawapan: A = 3.808 kN

Tegangan kabel

T = (2 + 3/2)/0.7071 = 4.95 kN

Komponen di A

A_x = T·cos β = 3.5 kN

A_y = 2 + 3 − T·sin β = 1.5 kN

Magnitud

A = √(3.5² + 1.5²) = 3.808 kN

Jawapan

A = 3.808 kN

9.Daya ricih & momen lentur

Jawapan: M_x = 5 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. Pasangan daya yang dikenakan menyebabkan gambar rajah momen lentur melompat sebanyak magnitud pasangan daya itu.

Tindak balas penyokong

Momen pada A, lawan arah jam positif: R_B·L − M₀ = 0. Keseimbangan menegak: R_A + R_B = 0.

R_B = M₀/L = 20/4 = 5 kN (ke atas)

R_A = −R_B = −5 kN (ke bawah)

Keratan sejurus di sebelah kanan pasangan daya

Bahagian kiri kini mengandungi R_A dan pasangan daya.

M_x = R_A·a + M₀ = −5·3 + 20 = 5 kN·m

Jawapan

M_x = 5 kN·m

10.Daya ricih & momen lentur

Jawapan: M_max = 13.03 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, termasuk beban pada juluran.

Paduan UDL: W = w·ℓ = 2·10.5 = 21 kN, bertindak pada x̄ = 5.25 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 2·10.5·5.25

R_B = 110.3/8 = 13.78 kN

ΣF_y = 0: R_A = 21 − 13.78 = 7.219 kN

Daya ricih sifar

R_A − w·x₀ = 0 → x₀ = 7.219/2 = 3.609 m

Momen sagging maksimum

M_max = R_A·x₀ − w·x₀²/2 = R_A²/(2w) = 7.219²/(2·2) = 13.03 kN·m

Jawapan

M_max = 13.03 kN·m

11.Sentroid & momen luas kedua

Jawapan: I_x = 32.36 × 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 = (18000·75 − 2827·90)/(18000 − 2827) = 72.2 mm

Plat penuh pada ȳ

120·150³/12 + 18000·2.795² = 33.89 × 10⁶ mm⁴

Lubang pada ȳ

π·60⁴/64 + 2827·17.8² = 1.532 × 10⁶ mm⁴

Tolak

I_x = 32.36 × 10⁶ mm⁴

Jawapan

I_x = 32.36 × 10⁶ mm⁴

12.Sentroid & momen luas kedua

Jawapan: I_x = 113.9 × 10⁶ mm⁴

Sentroid

ȳ = (24000·120 − 900·84)/(24000 − 900) = 121.4 mm

Plat penuh pada ȳ

100·240³/12 + 24000·−1.403² = 115.2 × 10⁶ mm⁴

Lubang pada ȳ

30·30³/12 + 900·−37.4² = 1.327 × 10⁶ mm⁴

Tolak

I_x = 113.9 × 10⁶ mm⁴

Jawapan

I_x = 113.9 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics