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 waarde van k waarvoor de vectoren a = (3, 4, −6) en b = (−3, k, 2) loodrecht op elkaar staan.

a = (3, 4, −6)b = (−3, k, 2)
k =
2.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk
xyzrFOA

Een kracht F = (−30, 60, −10) N werkt in punt A(2, 1, −4). Coördinaten zijn in meter. Bepaal de grootte |M| van het moment van de kracht om punt O(−2, 2, −1).

F = (−30, 60, −10) NA(2, 1, −4) mO(−2, 2, −1) m
|M| = N·m
3.Oplegreacties van balkenGemiddeld
P1​ = 20 kNP2​ = 60 kNABRA​ = ?RB​2,5 m0,5 m2 m

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

L = 5 mP1 = 20 kN op 2,5 mP2 = 60 kN op 3 m
RA = kN
4.Oplegreacties van balkenMoeilijk
w = 2 kN/mP = 35 kNABRA​ = ?RB​1,5 m1,5 m1 m1 m

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

L = 5 mP = 35 kN op 1,5 mw = 2 kN/m van 3 tot 4 m
RA = kN
5.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld
ABBCACACB25 kN6 m1 m3 m

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

overspanning = 6 mhoogte = 3 mB ligt 1 m van Averticale belasting = 25 kN
FAC = kN
6.Vakwerk: knopenmethodeMoeilijk
ABBCACACB60 kN20 kN5 m4 m4 m

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

overspanning = 5 mhoogte = 4 mB ligt 4 m van Averticale belasting = 60 kNhorizontale belasting = 20 kN →
FAC = kN
7.Raamwerken en machinesGemiddeld
OAB50 NQ150 mm60 mmFO​ = ?

De getoonde hoekhefboom draait om de pen O. Een verticale kracht van 50 N in A (150 mm van O) wordt in evenwicht gehouden door een horizontale kracht in B (60 mm boven O). Bepaal de grootte van de penreactie FO.

F = 50 NOA = 150 mmOB = 60 mm
FO = N
8.Raamwerken en machinesMoeilijk
8 kN1,5 kN3 m1 mABC

Een homogene horizontale giek AB met een gewicht van 1,5 kN is in A scharnierend aan een muur bevestigd en wordt vastgehouden door een kabel van B naar het punt C op de muur, 1 m boven A. In B hangt een last van 8 kN. Bepaal de grootte van de penreactie A.

W = 8 kNWb = 1,5 kNAB = 3 mAC = 1 m
A = kN
9.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld
w = 10 kN/mP = 35 kNAB5 m

De uitkragende ligger is ingeklemd in A. Hij draagt een gelijkmatig verdeelde belasting w over de hele lengte en een puntlast P op 5 m vanaf A. Vind het buigend moment MA bij de inklemming A. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.

L = 5 mP = 35 kN op 5 mw = 10 kN/m van 0 tot 5 m
MA = kN·m
10.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk
6 kN/m40 kN50 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

De markeringen A tot en met G verdelen de balk in zes gelijke delen. Bij welke markering is het buigend moment het grootst in absolute waarde, positief of negatief? Klik erop in het diagram.

40 kN @ 0 m50 kN @ 12 m6 kN/m, 2–10 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
11.Zwaartepunt en traagheidsmomentGemiddeld
120 mm200 mm60 mmØ40xIx​ = ?

Een plaat van 120 mm × 200 mm heeft een rond gat met een diameter van 40 mm op de verticale hartlijn, met zijn middelpunt 60 mm boven de onderkant. Bepaal het kwadratisch oppervlaktemoment Ix om de horizontale as door het zwaartepunt.

b = 120 mmh = 200 mmd = 40 mmmiddelpunt van het gat: y = 60 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmomentMoeilijk
2403016012xopbuigend Mafmetingen in mm

Een gietijzeren balk heeft het getekende T-profiel, met de flens boven. De toelaatbare spanningen zijn 50 MPa op trek en 120 MPa op druk. Vind het grootste opbuigende (hogging) moment Mallow dat de balk kan dragen (geef de grootte).

bf = 240 mmtf = 30 mmtw = 12 mmhw = 160 mmσt,allow = 50 MPaσc,allow = 120 MPa
Mallow = kN·m

3Oplossingen

1.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: k = 5,25

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |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.

Inwendig product is gelijk aan nul

a·b = 3·(−3) + 4·k + (−6)·2 = 0
−21 + 4·k = 0

Los op naar k

k = −(−21)/4 = 5,25

Antwoord

k = 5,25
2.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: |M| = 311,6 N·m

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) 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 MO = r × F, with r = A − O.

Plaatsvector van O naar A

r = A − O = (2, 1, −4) − (−2, 2, −1) = (4, −1, −3) m

Moment M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = (−1)·(−10) − (−3)·60 = 190 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−3)·(−30) − 4·(−10) = 130 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 4·60 − (−1)·(−30) = 210 N·m

Grootte

|M| = √(190² + 130² + 210²) = 311,6 N·m

Antwoord

|M| = 311,6 N·m
3.Oplegreacties van balken

Antwoord: RA = 34 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​ = 20 kNP2​ = 60 kNABRA​RB​2,5 m0,5 m2 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·5 = 20·2,5 + 60·3
RB = 230/5 = 46 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 46 = 34 kN

Antwoord

RA = 34 kN
4.Oplegreacties van balken

Antwoord: RA = 25,1 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.

w = 2 kN/mP = 35 kNABRA​RB​1,5 m1,5 m1 m1 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.

Resultante van de verdeelde belasting: W = w·ℓ = 2·1 = 2 kN, aangrijpend op x̄ = 3,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 35·1,5 + 2·1·3,5
RB = 59,5/5 = 11,9 kN
ΣFy = 0: RA = 37 − 11,9 = 25,1 kN

Antwoord

RA = 25,1 kN
5.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: FAC = 6,944 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.

ABBCACACB25 kNAy​Cy​

Oplegreacties

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 25·1 → Cy = 4,167 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 4,167 = 20,83 kN

Knoop C

De rol geeft alleen een verticale reactie, dus knoop C heeft maar twee onbekende staafkrachten. Neem aan dat beide op trek staan.

sin γ = 3/5,831 = 0,5145, cos γ = 5/5,831 = 0,8575
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −4,167/0,5145 = −8,099 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−8,099)·0,8575 = 6,944 kN

Antwoord

FAC = 6,944 kN (trek)
6.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: FAC = 16 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.

ABBCACACB60 kN20 kNAy​Cy​Ax​

Oplegreacties

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 60·4 + 20·4 → Cy = 64 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 64 = −4 kN
ΣFx = 0: Ax = −20 kN

Knoop C

De rol geeft alleen een verticale reactie, dus knoop C heeft maar twee onbekende staafkrachten. Neem aan dat beide op trek staan.

sin γ = 4/4,123 = 0,9701, cos γ = 1/4,123 = 0,2425
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −64/0,9701 = −65,97 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−65,97)·0,2425 = 16 kN

Antwoord

FAC = 16 kN (trek)
7.Raamwerken en machines

Antwoord: FO = 134,6 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).

Kracht in B

Q = 50·150/60 = 125 N

Penreactie

Ox = 125 N, Oy = 50 N
FO = √(125² + 50²) = 134,6 N

Antwoord

FO = 134,6 N
8.Raamwerken en machines

Antwoord: A = 26,26 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.

Kabelspanning

T = (8 + 1,5/2)/0,3162 = 27,67 kN

Componenten in A

Ax = T·cos β = 26,25 kN
Ay = 8 + 1,5 − T·sin β = 0,75 kN

Grootte

A = √(26,25² + 0,75²) = 26,26 kN

Antwoord

A = 26,26 kN
9.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: MA = −300 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.

Houd het deel met het vrije uiteinde over

P: −35·5 = −175 kN·m
w: −10·5²/2 = −125 kN·m
MA = −175 − 125 = −300 kN·m

Antwoord

MA = −300 kN·m

Negatief betekent opbuigend (hogging): trek aan de bovenzijde.

10.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: F (x = 10 m)

Grootste buigend moment: M verandert van helling overal waar de dwarskracht verandert, dus de pieken liggen waar de dwarskracht door nul gaat: onder een puntlast, binnen een verdeelde last, of boven een oplegging van een uitkragende balk. Bij een ingeklemde oplegging van een console is het moment het grootst bij de wand. Vergelijk de grootte van M op die plaatsen, positief (doorbuigend) of negatief (opbuigend).

Oplegreacties

Neem momenten om één oplegging en gebruik dan het verticale krachtenevenwicht.

R1 = 61,5 kN, R2 = 76,5 kN

Buigend moment bij elke markering

Tel de momenten van alle krachten aan één kant van de snede op. Een doorbuigend moment is positief, een opbuigend moment negatief.

MA = 0, MB = −80, MC = −49, MD = −42, ME = −59, MF = −100 kN·m, MG = 0

Antwoord

Markering F: MF = −100 kN·m
11.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: Ix = 77,75 × 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 = (24000·100 − 1257·60)/(24000 − 1257) = 102,2 mm

Volle plaat om ȳ

120·200³/12 + 24000·−2,21² = 80,12 × 10⁶ mm⁴

Gat om ȳ

π·40⁴/64 + 1257·−42,21² = 2,365 × 10⁶ mm⁴

Trek af

Ix = 77,75 × 10⁶ mm⁴

Antwoord

Ix = 77,75 × 10⁶ mm⁴
12.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: Mallow = 14,18 kN·m

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.

Zwaartepunt

ȳ = (7200·175 + 1920·80)/9120 = 155 mm
bovenrand: c = 190 − 155 = 35 mm

Traagheidsmoment

I = 240·30³/12 + 7200·20² + 12·160³/12 + 1920·75² = 1,832 × 10⁷ mm⁴

Toelaatbaar moment per rand

Opbuigend: de bovenkant staat op trek, de onderkant op druk.

bovenrand: M = 50·1,832 × 10⁷/35 = 26,17 kN·m
onderrand: M = 120·1,832 × 10⁷/155 = 14,18 kN·m

Maatgevende waarde

Mallow = min = 14,18 kN·m (onderrand)

Antwoord

Mallow = 14,18 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics