Statica: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 12 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Vectoren: inwendig en uitwendig product

Grootte
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Eenheidsvector
û = a/|a|
Componenten uit een hoek
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Inwendig product
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Scalaire projectie van a op b
a·b/|b|
Arbeid
W = F·d
Uitwendig product
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Oppervlakken
parallellogram |a × b|, driehoek ½|a × b|
Moment om O
MO = r × F, r = A − O
Volume van een parallellepipedum
V = |a·(b × c)|

Methode

  1. Schrijf elke vector in componenten; voor een kracht gegeven door een grootte en een hoek gebruik je F·cos θ en F·sin θ.
  2. Gebruik voor lengtes en richtingen de grootte √(x² + y² + z²) en de eenheidsvector a/|a|.
  3. Gebruik het inwendig product voor hoeken, projecties, loodrechte stand en arbeid: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Gebruik het uitwendig product voor loodrechte vectoren, oppervlakten en momenten: schrijf de drie componenten zorgvuldig uit en houd de volgorde a × b aan.

Oplegreacties van balken

Evenwicht
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Gelijkmatig verdeelde belasting
resultante w·L in het midden van de belasting
Moment
M = F·d

Methode

  1. Teken een vrijlichaamsschema en vervang elke oplegging door haar reactiekrachten.
  2. Vervang elke verdeelde belasting door één kracht in haar zwaartepunt.
  3. Neem momenten om één oplegging om de reactiekracht in de andere te vinden.
  4. Gebruik ΣFy = 0 om de overige reactiekracht te vinden, en controleer met een tweede momentenvergelijking.

Vakwerk: knopenmethode

Knopenmethode
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Snedemethode
ΣM = 0 about a cut point
Staafkracht
positief = trek, negatief = druk

Methode

  1. Bepaal de oplegreacties van het hele vakwerk.
  2. Knopenmethode: begin bij een knoop met hooguit twee onbekende staafkrachten en gebruik ΣFx = 0 en ΣFy = 0.
  3. Snedemethode: snijd door de staaf die je nodig hebt en neem momenten om een punt waar de andere onbekende staven samenkomen.
  4. Neem trek aan; een negatief antwoord betekent druk.

Raamwerken en machines

Evenwicht van elke staaf
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Tweekrachtsstaaf
kracht langs de lijn door zijn twee scharnierpennen
Pennenkracht
gelijk en tegengesteld op de twee staven die hij verbindt
Grootte van een pennenkracht
F = √(Fx² + Fy²)
Hefboom, tang, hoekhefboom
Fin·a = Fout·b
Kniehefboom
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Gelijkmatig verdeelde belasting
resultante w·L in het midden van de belasting

Methode

  1. Teken de hele constructie en bepaal de oplegreacties als er niet meer dan drie onbekenden zijn.
  2. Herken de tweekrachtsstaven: ze zijn alleen in twee scharnierpunten belast, dus hun kracht werkt langs de lijn tussen die punten.
  3. Haal het raamwerk uit elkaar en teken elke staaf apart, met gelijke en tegengestelde pennenkrachten waar staven samenkomen.
  4. Neem voor elke staaf de momenten om een scharnierpunt met onbekende krachten, en gebruik dan ΣFx = 0 en ΣFy = 0; combineer de componenten pas aan het eind tot een grootte.

Dwarskracht en buigend moment

Dwarskracht en moment
V = ΣF aan één kant, M = ΣF·d aan één kant
Buigspanning
σ = M·y/I
Rechthoek
I = bh³/12
Weerstandsmoment
W = I/ymax
Ligger op twee steunpunten, gelijkmatige belasting
Mmax = wL²/8

Methode

  1. Bepaal de oplegreacties uit het evenwicht van de hele balk.
  2. Snijd de balk door in de doorsnede die je nodig hebt en houd één kant over.
  3. Dwarskracht: de som van de verticale krachten op die kant. Buigend moment: de som van hun momenten om de snede.
  4. Zoek voor het maximale moment de plek waar de dwarskracht nul is.

Zwaartepunt en traagheidsmoment

Zwaartepunt
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Rechthoek
I = bh³/12
Stelling van Steiner
I = Ic + A·d²
Samengestelde doorsnede
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

2Oefenopgaven

1.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld
xyzab

Bepaal de scalaire projectie compb a van a = (3, −1, 6) op b = (0, 2, 1), dat wil zeggen de component van a in de richting van b.

a = (3, −1, 6)b = (0, 2, 1)
compb a =
2.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzab

Bepaal de oppervlakte A van het parallellogram opgespannen door a = (3, −5, 6) en b = (4, −2, −4).

a = (3, −5, 6)b = (4, −2, −4)
A =
3.Oplegreacties van balkenGemiddeld
P1​ = 25 kNP2​ = 10 kNABRA​RB​ = ?2 m2,5 m1,5 m

De vrij opgelegde balk heeft een scharnier in A en een rol in B. Vind de verticale oplegreactie RB.

L = 6 mP1 = 25 kN op 2 mP2 = 10 kN op 4,5 m
RB = kN
4.Oplegreacties van balkenMoeilijk
P = 60 kN, 45°Q = 20 kNABRA​ = ?3 m4 m1 m

De vrij opgelegde balk heeft een scharnier in A en een rol in B. Een last P werkt op 3 m van A, onder een hoek van 45° met de horizontaal, en een verticale last Q werkt op 7 m van A. Vind de grootte van de totale reactiekracht RA in het scharnier A.

L = 8 mP = 60 kN op 3 m, θ = 45°Q = 20 kN op 7 m
RA = kN
5.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld
ABBCACACB30 kN4 m3 m3 m

Gebruik de knopenmethode om de kracht FAB in staaf AB te vinden. Geef trek als positief en druk als negatief.

overspanning = 4 mhoogte = 3 mB ligt 3 m van Averticale belasting = 30 kN
FAB = kN
6.Vakwerk: knopenmethodeMoeilijk
ABCDEFGH20 kN10 kN40 kN35 kN10 kN4 × 4 m4 m

Precies één staaf van dit vakwerk draagt onder deze belastingen geen kracht. Welke is de nulstaaf? Klik erop in het diagram.

B: 20 kN ↓D: 10 kN ↓G: 40 kN ↓H: 35 kN ↓H: 10 kN ←
  1. 1staaf AB
  2. 2staaf BC
  3. 3staaf CD
  4. 4staaf DE
  5. 5staaf FG
  6. 6staaf GH
  7. 7staaf AF
  8. 8staaf HE
  9. 9staaf BF
  10. 10staaf CG
  11. 11staaf DH
  12. 12staaf BG
  13. 13staaf DG
7.Raamwerken en machinesGemiddeld
300 NQ = ?25°ABC

In de getoonde kniehefboomklem zijn twee gelijke schakels AB en BC in B scharnierend verbonden, en elk maakt 25° met de lijn AC. In B wordt een neerwaartse kracht van 300 N uitgeoefend. De schuif C drukt op een werkstuk. Bepaal, zonder wrijving en gewichten, de horizontale klemkracht Q.

F = 300 Nθ = 25°
Q = N
8.Raamwerken en machinesMoeilijk
4 kN3 m1,5 m1 m0,6 mABCDEK

Het getoonde A-frame staat op een scharnier in A en een rol in B, 3 m uit elkaar, met de topscharnier C op 2,5 m hoogte en de horizontale trekstang DE 1,5 m boven de grond. Een verticale belasting van 4 kN werkt op poot AC in K, 0,6 m (horizontaal) van A. Bepaal de grootte van de kracht C die de pen C op poot BC uitoefent.

P = 4 kNAB = 3 mhoogte van C = 2,5 mhoogte van DE = 1,5 mhorizontale afstand A tot K = 0,6 m
C = kN
9.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
w = 12 kN/mABdoorsnede0,5 m9,5 m

Vind het buigend moment Mx in de doorsnede x = 0,5 m vanaf oplegging A. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.

L = 10 mw = 12 kN/m van 0 tot 10 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
10.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
w = 5 kN/mP = 15 kNABdoorsnede4 m2 m4 m

Vind het buigend moment Mx in de doorsnede x = 4 m vanaf oplegging A. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.

L = 10 mP = 15 kN op 6 mw = 5 kN/m van 0 tot 10 mx = 4 m
Mx = kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmomentGemiddeld
1602524012xafmetingen in mm

Vind het traagheidsmoment Ix van het T-profiel om de horizontale as x door het zwaartepunt.

bf = 160 mmtf = 25 mmtw = 12 mmhw = 240 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmomentMoeilijk
120 mm240 mm96 mm80 × 50xIx​ = ?

Een plaat van 120 mm × 240 mm heeft een rechthoekige uitsparing van 80 mm breed en 50 mm hoog, gecentreerd op de verticale hartlijn met zijn middelpunt 96 mm boven de onderkant. Bepaal het kwadratisch oppervlaktemoment Ix om de horizontale as door het zwaartepunt.

b = 120 mmh = 240 mmuitsparing: 80 × 50 mmmiddelpunt van het gat: y = 96 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Oplossingen

1.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: compb a = 1,789

Inwendig product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, een scalar. Het geeft de hoek tussen twee vectoren, cos θ = a·b/(|a|·|b|), en het is nul als ze loodrecht op elkaar staan. De scalaire projectie van a op b is a·b/|b|, en een constante kracht F die over een verplaatsing d werkt, verricht arbeid W = F·d.

Inwendig product

a·b = 3·0 + (−1)·2 + 6·1 = 4

Lengte van b

|b| = √(0² + 2² + 1²) = 2,236

Scalaire projectie

compb a = a·b/|b| = 4/2,236 = 1,789

Antwoord

compb a = 1,789
2.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: A = 50,16

Uitwendig product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) staat loodrecht op beide vectoren, en |a × b| = |a|·|b|·sin θ is de oppervlakte van het parallellogram dat ze opspannen (de driehoek is de helft daarvan). De volgorde doet ertoe: b × a = −(a × b). Het moment van een kracht F die op punt A werkt, om punt O is MO = r × F, met r = A − O.

Uitwendig product

(a × b)x = aybz − azby = (−5)·(−4) − 6·(−2) = 32
(a × b)y = azbx − axbz = 6·4 − 3·(−4) = 36
(a × b)z = axby − aybx = 3·(−2) − (−5)·4 = 14

Oppervlak

A = |a × b| = √(32² + 36² + 14²) = 50,16

Antwoord

A = 50,16
3.Oplegreacties van balken

Antwoord: RB = 15,83 kN

Statisch evenwicht: een lichaam in rust heeft ΣFx = 0, ΣFy = 0 en ΣM = 0 om elk punt. Momenten nemen om één oplegging haalt de reactie van die oplegging uit de vergelijking.

P1​ = 25 kNP2​ = 10 kNABRA​RB​2 m2,5 m1,5 m

Vrijlichaamsschema

Vervang de opleggingen door reactiekrachten. Een rol geeft één verticale reactie; met alleen verticale belastingen geeft het scharnier ook één verticale reactie.

Evenwicht

Momenten om A, tegen de klok in positief. Daarna het verticale krachtenevenwicht.

ΣMA = 0: RB·6 = 25·2 + 10·4,5
RB = 95/6 = 15,83 kN
ΣFy = 0: RA = 35 − 15,83 = 19,17 kN

Antwoord

RB = 15,83 kN
4.Oplegreacties van balken

Antwoord: RA = 51,4 kN

Statisch evenwicht: een lichaam in rust heeft ΣFx = 0, ΣFy = 0 en ΣM = 0 om elk punt. Vervang elke verdeelde belasting door haar resultante (de oppervlakte) die aangrijpt in het zwaartepunt van het belastingsdiagram, en neem momenten om een oplegging om de reactie van die oplegging uit de vergelijking te halen.

Componenten van P

Pv = 60·sin 45° = 42,43 kN
Ph = 60·cos 45° = 42,43 kN

Reacties

ΣMA = 0: RB·8 = 42,43·3 + 20·7 → RB = 33,41 kN
Ay = 42,43 + 20 − 33,41 = 29,02 kN
Ax = Ph = 42,43 kN

Resultante in A

RA = √(42,43² + 29,02²) = 51,4 kN

Antwoord

RA = 51,4 kN
5.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: FAB = −10,61 kN

Knopenmethode: elke knoop van een vakwerk is in evenwicht, dus ΣFx = 0 en ΣFy = 0 in elke knoop. Begin bij een knoop met hoogstens twee onbekende staafkrachten. Een negatief resultaat betekent dat de staaf op druk staat.

ABBCACACB30 kNAy​Cy​

Oplegreacties

Evenwicht van het hele vakwerk. Momenten om A, tegen de klok in positief.

ΣMA = 0: Cy·4 = 30·3 → Cy = 22,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 22,5 = 7,5 kN

Knoop A

Neem aan dat elke staaf op trek staat (trekt van de knoop af). Alleen AB heeft een verticale component in A.

sin α = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −7,5/0,7071 = −10,61 kN

Antwoord

FAB = −10,61 kN (druk)
6.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: staaf CG

Nulstaven: in een knooppunt moeten de krachten in elke richting in evenwicht zijn. Als een knooppunt geen belasting en geen oplegging heeft, en twee van zijn drie staven op één lijn liggen, dan betrekt het evenwicht dwars op die lijn alleen de derde staaf, dus haar kracht is nul. Als er maar twee staven samenkomen in een onbelast knooppunt en ze niet op één lijn liggen, zijn beide nul.

Knooppunt C

BC en CD liggen op één rechte lijn en het knooppunt draagt geen belasting. Het krachtenevenwicht dwars op die lijn laat alleen CG over.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Controleer met de knooppuntenmethode

Het oplossen van alle knooppunten geeft deze staafkrachten (T = trek, C = druk).

AB: 38,75 kN (T), BC: 67,5 kN (T), CD: 67,5 kN (T), DE: 56,25 kN (T), FG: 48,75 kN (C), GH: 66,25 kN (C), AF: 68,94 kN (C), HE: 79,55 kN (C), BF: 48,75 kN (T), CG: 0, DH: 21,25 kN (T), BG: 40,66 kN (C), DG: 15,91 kN (C)

Antwoord

Nulstaaf: CG
7.Raamwerken en machines

Antwoord: Q = 321,7 N

Machines: tangen, hefbomen, schakelwerk en klemmen zetten een ingaande kracht om in een grotere of anders gerichte uitgaande kracht. Teken één onderdeel als vrij lichaam en neem momenten om zijn draaipunt: de pennenkracht valt weg, en Fin·a = Fuit·b geeft het mechanisch voordeel a/b. De pennenkracht volgt dan uit ΣF = 0 voor hetzelfde onderdeel. In een kniehefboom komen twee schakels onder een kleine hoek θ samen; elke schakel is een tweekrachtsstaaf, dus een kleine kracht F in het gewricht veroorzaakt grote schakelkrachten F/(2 sin θ) en een klemkracht F/(2 tan θ).

Evenwicht van pen B

2·Flink·sin 25° = 300
Flink = 354,9 N

Klemkracht

Q = Flink·cos 25° = 300/(2·tan 25°) = 321,7 N

Antwoord

Q = 321,7 N

De krachtverhouding Q/F = 1,072 groeit onbeperkt als de schakels strekken.

8.Raamwerken en machines

Antwoord: C = 1,442 kN

Raamwerken en machines: anders dan een vakwerk bevat een raamwerk minstens één staaf die op meer dan twee punten krachten draagt, of een belasting tussen zijn scharnierpunten. Zoek eerst de tweekrachtsstaven: een staaf die alleen in twee scharnierpunten is belast, heeft zijn kracht langs de lijn door die punten, dus hij voegt één onbekende toe, geen twee. Gebruik dan de hele constructie voor de oplegreacties als er niet meer dan drie onbekenden zijn. Haal ten slotte het raamwerk uit elkaar: teken elke staaf apart, met pennenkrachten die gelijk en tegengesteld zijn op de twee staven die ze verbinden, en schrijf ΣFx = 0, ΣFy = 0 en ΣM = 0 ervoor op. Momenten nemen om een scharnierpen haalt beide componenten van die pennenkracht uit de vergelijking.

Oplegreactie in B

By = 4·0,6/3 = 0,8 kN

Trekstangkracht

T = 0,8·1,5/1 = 1,2 kN

Pennenkracht op BC

Cx = 1,2 kN, Cy = −0,8 kN
C = √(1,2² + 0,8²) = 1,442 kN

Antwoord

C = 1,442 kN
9.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: Mx = 28,5 kN·m

Snedemethode: snijd de balk door waar je de inwendige krachten wilt weten en houd één kant over. De dwarskracht V houdt de verticale krachten op die kant in evenwicht, en het buigend moment M hun momenten om de snede.

Oplegreacties

Evenwicht van de hele balk.

Resultante van de verdeelde belasting: W = w·ℓ = 12·10 = 120 kN, aangrijpend op x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 12·10·5
RB = 600/10 = 60 kN
ΣFy = 0: RA = 120 − 60 = 60 kN
w = 12 kN/mABRA​ = 60RB​ = 60doorsnede0,5 m9,5 m

Snijd bij x = 0,5 m en houd het linkerdeel over

Alleen krachten links van de snede tellen mee. Een stuk verdeelde belasting werkt als één kracht in het midden van dat stuk.

M = RA·x − (elke belasting links van de snede × de afstand tot de snede)
Mx = 60·0,5 − 12·0,5·0,25 = 28,5 kN·m

Antwoord

Mx = 28,5 kN·m
10.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: Mx = 84 kN·m

Snedemethode: snijd de balk door waar je de inwendige krachten wilt weten en houd één kant over. De dwarskracht V houdt de verticale krachten op die kant in evenwicht, en het buigend moment M hun momenten om de snede.

Oplegreacties

Evenwicht van de hele balk.

Resultante van de verdeelde belasting: W = w·ℓ = 5·10 = 50 kN, aangrijpend op x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 15·6 + 5·10·5
RB = 340/10 = 34 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 34 = 31 kN
w = 5 kN/mP = 15 kNABRA​ = 31RB​ = 34doorsnede4 m2 m4 m

Snijd bij x = 4 m en houd het linkerdeel over

Alleen krachten links van de snede tellen mee. Een stuk verdeelde belasting werkt als één kracht in het midden van dat stuk.

M = RA·x − (elke belasting links van de snede × de afstand tot de snede)
Mx = 31·4 − 5·4·2 = 84 kN·m

Antwoord

Mx = 84 kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: Ix = 43,43 × 10⁶ mm⁴

Samengestelde doorsneden: verdeel de doorsnede in rechthoeken. Het zwaartepunt is het oppervlaktegewogen gemiddelde ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Het traagheidsmoment om de zwaartepuntsas telt voor elk deel de eigen bh³/12 en de Steinerterm A·d² op, waarbij d de afstand is van het zwaartepunt van het deel tot het totale zwaartepunt. De buigspanning is σ = M·y/I.

Verdeel in twee rechthoeken

Meet elke y vanaf de onderrand.

flens: Af = 160·25 = 4000 mm², yf = 240 + 25/2 = 252,5 mm
lijf: Aw = 12·240 = 2880 mm², yw = 240/2 = 120 mm

Zwaartepunt

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4000·252,5 + 2880·120)/6880 = 197 mm

Stelling van Steiner

flens: 160·25³/12 + 4000·(252,5 − 197)² = 1,251 × 10⁷ mm⁴
lijf: 12·240³/12 + 2880·(120 − 197)² = 3,091 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,251 × 10⁷ + 3,091 × 10⁷ = 4,343 × 10⁷ mm⁴ = 43,43 × 10⁶ mm⁴

Antwoord

Ix = 43,43 × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: Ix = 134,7 × 10⁶ mm⁴

Doorsneden met gaten: behandel een gat als een negatief oppervlak. Het zwaartepunt is ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), met A₁, y₁ voor de volle plaat en A₂, y₂ voor het gat. Gebruik voor het kwadratisch oppervlaktemoment om de zwaartelijn de stelling van Steiner voor elk deel en trek het gat af: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), waarbij d de afstand is van het eigen zwaartepunt van elk deel tot de as door ȳ. Een rechthoek heeft Ic = bh³/12 en een cirkel Ic = πd⁴/64.

Zwaartepunt

ȳ = (28800·120 − 4000·96)/(28800 − 4000) = 123,9 mm

Volle plaat om ȳ

120·240³/12 + 28800·−3,871² = 138,7 × 10⁶ mm⁴

Gat om ȳ

80·50³/12 + 4000·−27,87² = 3,94 × 10⁶ mm⁴

Trek af

Ix = 134,7 × 10⁶ mm⁴

Antwoord

Ix = 134,7 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics