Statica: samenvattingspakket

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

Nieuwe opgaven Terug 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| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
Eenheidsvector: û = a/|a|
Componenten uit een hoek: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
Inwendig product: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
Scalaire projectie van a op b: a·b/|b|
Arbeid: W = F·d
Uitwendig product: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
Oppervlakken: parallellogram |a × b|, driehoek ½|a × b|
Moment om O: M_O = r × F, r = A − O
Volume van een parallellepipedum: V = |a·(b × c)|

Methode

Schrijf elke vector in componenten; voor een kracht gegeven door een grootte en een hoek gebruik je F·cos θ en F·sin θ.
Gebruik voor lengtes en richtingen de grootte √(x² + y² + z²) en de eenheidsvector a/|a|.
Gebruik het inwendig product voor hoeken, projecties, loodrechte stand en arbeid: a·b = |a||b|cos θ.
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: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
Gelijkmatig verdeelde belasting: resultante w·L in het midden van de belasting
Moment: M = F·d

Methode

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

Vakwerk: knopenmethode

Knopenmethode: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
Snedemethode: ΣM = 0 about a cut point
Staafkracht: positief = trek, negatief = druk

Methode

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

Raamwerken en machines

Evenwicht van elke staaf: ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 = √(F_x² + F_y²)
Hefboom, tang, hoekhefboom: F_in·a = F_out·b
Kniehefboom: F_link = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Gelijkmatig verdeelde belasting: resultante w·L in het midden van de belasting

Methode

Teken de hele constructie en bepaal de oplegreacties als er niet meer dan drie onbekenden zijn.
Herken de tweekrachtsstaven: ze zijn alleen in twee scharnierpunten belast, dus hun kracht werkt langs de lijn tussen die punten.
Haal het raamwerk uit elkaar en teken elke staaf apart, met gelijke en tegengestelde pennenkrachten waar staven samenkomen.
Neem voor elke staaf de momenten om een scharnierpunt met onbekende krachten, en gebruik dan ΣF_x = 0 en ΣF_y = 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/y_max
Ligger op twee steunpunten, gelijkmatige belasting: M_max = wL²/8

Methode

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

Zwaartepunt en traagheidsmoment

Zwaartepunt: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
Rechthoek: I = bh³/12
Stelling van Steiner: I = I_c + A·d²
Samengestelde doorsnede: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

2Oefenopgaven

1.Vectoren: inwendig en uitwendig productGemiddeld

Bepaal de waarde van k waarvoor de vectoren a = (1, −2, −5) en b = (−1, k, 4) loodrecht op elkaar staan.

a = (1, −2, −5)b = (−1, k, 4)

k =

2.Vectoren: inwendig en uitwendig productMoeilijk

Bepaal de oppervlakte A van de driehoek met hoekpunten A(3, 4, 1), B(4, −3, 3) en C(4, −1, 0). Coördinaten zijn in meter.

A(3, 4, 1)B(4, −3, 3)C(4, −1, 0)

A = m²

3.Oplegreacties van balkenGemiddeld

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

L = 10 mP₁ = 30 kN op 6 mP₂ = 50 kN op 9 m

R_B = kN

4.Oplegreacties van balkenMoeilijk

De vrij opgelegde balk heeft een scharnier in A en een rol in B. Een last P werkt op 0,5 m van A, onder een hoek van 30° met de horizontaal, en een verticale last Q werkt op 2,5 m van A. Vind de grootte van de totale reactiekracht R_A in het scharnier A.

L = 4 mP = 50 kN op 0,5 m, θ = 30°Q = 40 kN op 2,5 m

R_A = kN

5.Vakwerk: knopenmethodeGemiddeld

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

overspanning = 8 mhoogte = 4 mB ligt 2 m van Averticale belasting = 15 kN

F_BC = kN

6.Vakwerk: knopenmethodeMoeilijk

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

D: 20 kN ↓F: 15 kN ↓F: 25 kN →H: 30 kN ↓

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

7.Raamwerken en machinesGemiddeld

Het getoonde raamwerk heeft scharnieren in A, B en C; A en C zitten 6 m uit elkaar aan de grond vast, en B ligt 2,5 m boven de grond en 1,8 m rechts van A. Een verticale belasting van 8 kN werkt op staaf AB in K, 0,72 m (horizontaal) van A. Bepaal de kracht F_BC in staaf BC.

P = 8 kNL = 6 mH = 2,5 mhorizontale afstand A tot B = 1,8 mhorizontale afstand A tot K = 0,72 m

F_BC = kN

8.Raamwerken en machinesMoeilijk

Een kniehefboompers heeft twee gelijke schakels AB en BC, elk 80 mm lang tussen de scharnierpunten. Het gewricht B zit 25 mm boven de lijn AC. Welke neerwaartse kracht F in B levert een horizontale perskracht van 1500 N op de schuif C? Verwaarloos wrijving en gewichten.

Q = 1500 NAB = BC = 80 mmh = 25 mm

F = N

9.Dwarskracht en buigend momentGemiddeld

De vrij opgelegde balk draagt twee puntlasten. Vind het maximale buigend moment M_max in de balk.

L = 6 mP₁ = 20 kN op 4,5 mP₂ = 80 kN op 5 m

M_max = kN·m

10.Dwarskracht en buigend momentMoeilijk

De balk ligt op een scharnier in A en een rol in B en steekt 1 m voorbij B uit tot het vrije uiteinde C. Over de hele lengte A–C werkt een gelijkmatig verdeelde belasting w. Vind het buigend moment M_B bij oplegging B. Neem doorbuigende (sagging) momenten positief en een opwaartse dwarskracht op het linkervlak positief.

L = 5 mw = 12 kN/m van 0 tot 5 mopleggingen bij x = 0 en x = 4 m

M_B = kN·m

11.Zwaartepunt en traagheidsmomentGemiddeld

Een U-profiel ligt met de open kant naar boven: een bodemplaat van 100 mm breed met twee opstaande benen, 110 mm hoog in totaal. Bodem en benen zijn allemaal 10 mm dik. Vind de hoogte ȳ van het zwaartepunt boven de onderrand.

b = 100 mmh = 110 mmt = 10 mm

ȳ = mm

12.Zwaartepunt en traagheidsmomentMoeilijk

Een symmetrisch I-profiel heeft flenzen van 180 mm breed en 14 mm dik, een totale hoogte van 280 mm en een lijf van 14 mm dik. Het draagt een buigend moment van 100 kN·m om de as x. Vind de grootte van de maximale buigspanning σ_max in de doorsnede.

B = 180 mmH = 280 mmt_f = 14 mmt_w = 14 mmM = 100 kN·m

σ_max = MPa

3Oplossingen

1.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: k = −10,5

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.

Inwendig product is gelijk aan nul

a·b = 1·(−1) + (−2)·k + (−5)·4 = 0

−21 + (−2)·k = 0

Los op naar k

k = −(−21)/(−2) = −10,5

Antwoord

k = −10,5

2.Vectoren: inwendig en uitwendig product

Antwoord: A = 8,689 m²

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.

Zijdevectoren

AB = B − A = (1, −7, 2)

AC = C − A = (1, −5, −1)

Uitwendig product

(AB × AC)_x = AB_yAC_z − AB_zAC_y = (−7)·(−1) − 2·(−5) = 17

(AB × AC)_y = AB_zAC_x − AB_xAC_z = 2·1 − 1·(−1) = 3

(AB × AC)_z = AB_xAC_y − AB_yAC_x = 1·(−5) − (−7)·1 = 2

|AB × AC| = √(17² + 3² + 2²) = 17,38

Oppervlakte van de driehoek

A = ½·17,38 = 8,689 m²

Antwoord

A = 8,689 m²

3.Oplegreacties van balken

Antwoord: R_B = 63 kN

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

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.

ΣM_A = 0: R_B·10 = 30·6 + 50·9

R_B = 630/10 = 63 kN

ΣF_y = 0: R_A = 80 − 63 = 17 kN

Antwoord

R_B = 63 kN

4.Oplegreacties van balken

Antwoord: R_A = 56,88 kN

Statisch evenwicht: een lichaam in rust heeft ΣF_x = 0, ΣF_y = 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

P_v = 50·sin 30° = 25 kN

P_h = 50·cos 30° = 43,3 kN

Reacties

ΣM_A = 0: R_B·4 = 25·0,5 + 40·2,5 → R_B = 28,13 kN

A_y = 25 + 40 − 28,13 = 36,88 kN

A_x = P_h = 43,3 kN

Resultante in A

R_A = √(43,3² + 36,88²) = 56,88 kN

Antwoord

R_A = 56,88 kN

5.Vakwerk: knopenmethode

Antwoord: F_BC = −6,76 kN

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

Oplegreacties

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

ΣM_A = 0: C_y·8 = 15·2 → C_y = 3,75 kN

ΣF_y = 0: A_y = 15 − 3,75 = 11,25 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 = 4/7,211 = 0,5547, cos γ = 6/7,211 = 0,8321

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −3,75/0,5547 = −6,76 kN

Antwoord

F_BC = −6,76 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 → F_CG = 0

Controleer met de knooppuntenmethode

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

AB: 42,5 kN (T), BC: 45 kN (T), CD: 45 kN (T), DE: 47,5 kN (T), FG: 42,5 kN (C), GH: 47,5 kN (C), AF: 24,75 kN (C), HE: 67,18 kN (C), BF: 2,5 kN (T), CG: 0, DH: 17,5 kN (T), BG: 3,536 kN (C), DG: 3,536 kN (T)

Antwoord

Nulstaaf: CG

7.Raamwerken en machines

Antwoord: F_BC = 1,877 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 ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 en ΣM = 0 ervoor op. Momenten nemen om een scharnierpen haalt beide componenten van die pennenkracht uit de vergelijking.

Tweekrachtsstaaf BC

BC = √(4,2² + 2,5²) = 4,888 m

Heel raamwerk: momenten om A

De grond duwt in C op BC langs CB; zijn horizontale component gaat door A, alleen de verticale heeft een moment.

F_BC·(2,5/4,888)·6 = 8·0,72

F_BC = 1,877 kN (druk)

Antwoord

F_BC = 1,877 kN

8.Raamwerken en machines

Antwoord: F = 986,9 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 F_in·a = F_uit·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).

Schakelhoek

sin θ = 25/80 = 0,3125, θ = 18,21°

Schakelkracht

F_link = Q/cos θ = 1579 N

Kracht in B

F = 2·F_link·sin θ = 2·1500·tan θ = 986,9 N

Antwoord

F = 986,9 N

9.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: M_max = 82,5 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. Maximaal moment: omdat dM/dx = V, bereikt het buigend moment zijn piek waar de dwarskracht door nul gaat, bij een puntlast of binnen een verdeelde belasting.

Oplegreacties

Evenwicht van de hele balk.

ΣM_A = 0: R_B·6 = 20·4,5 + 80·5

R_B = 490/6 = 81,67 kN

ΣF_y = 0: R_A = 100 − 81,67 = 18,33 kN

Moment onder elke last

Houd het deel links van elke last over.

onder P₁: M = R_A·4,5 = 18,33·4,5 = 82,5 kN·m

onder P₂: M = R_B·1 = 81,67·1 = 81,67 kN·m

Grootste waarde

M_max = 82,5 kN·m (onder P₁)

Antwoord

M_max = 82,5 kN·m

10.Dwarskracht en buigend moment

Antwoord: M_B = −6 kN·m

Oplegreacties

Evenwicht van de hele balk, inclusief de belasting op het overstek.

Resultante van de verdeelde belasting: W = w·ℓ = 12·5 = 60 kN, aangrijpend op x̄ = 2,5 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 12·5·2,5

R_B = 150/4 = 37,5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 60 − 37,5 = 22,5 kN

Snede bij B, houd het overstek over

De belasting op het overstek, w·a, grijpt aan op a/2 vanaf B en laat de balk boven de oplegging opbuigen.

M_B = −w·a²/2 = −12·1²/2 = −6 kN·m

Antwoord

M_B = −6 kN·m

11.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: ȳ = 41,67 mm

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 rechthoeken

Neem de bodem over de volle breedte en de twee benen daarboven (hoogte h − t), zodat niets dubbel geteld wordt.

basis: A₁ = 100·10 = 1000 mm², y₁ = 5 mm

twee benen: A₂ = 2·10·100 = 2000 mm², y₂ = 10 + 100/2 = 60 mm

Zwaartepunt

ȳ = (1000·5 + 2000·60)/3000 = 41,67 mm

Antwoord

ȳ = 41,67 mm

12.Zwaartepunt en traagheidsmoment

Antwoord: σ_max = 129,7 MPa

Buitenrechthoek min de twee uitsparingen aan de zijkanten

Beide uitsparingen samen zijn (B − t_w) breed en h_w = H − 2t_f hoog, en hebben de as x gemeen.

h_w = 280 − 2·14 = 252 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (180·280³ − 166·252³)/12

I_x = 1,079 × 10⁸ mm⁴

Buigspanning

y = 140 mm

σ = M·y/I = 1 × 10⁸·140/1,079 × 10⁸ = 129,7 MPa

Antwoord

σ_max = 129,7 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics