Statyka: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 12 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Długość
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Wersor
û = a/|a|
Składowe z kąta
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Iloczyn skalarny
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Rzut skalarny a na b
a·b/|b|
Praca
W = F·d
Iloczyn wektorowy
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Pola
równoległobok |a × b|, trójkąt ½|a × b|
Moment względem O
MO = r × F, r = A − O
Objętość równoległościanu
V = |a·(b × c)|

Metoda

  1. Zapisz każdy wektor w składowych; dla siły podanej przez wartość i kąt użyj F·cos θ i F·sin θ.
  2. Do długości i kierunków użyj długości √(x² + y² + z²) i wersora a/|a|.
  3. Iloczyn skalarny stosuj do kątów, rzutów, prostopadłości i pracy: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Iloczyn wektorowy stosuj do wektorów prostopadłych, pól i momentów: starannie zapisz trzy składowe, zachowując kolejność a × b.

Reakcje podpór belek

Równowaga
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Obciążenie równomierne
wypadkowa w·L w środku obciążenia
Moment
M = F·d

Metoda

  1. Narysuj schemat sił i zastąp każdą podporę jej reakcjami.
  2. Zastąp każde obciążenie ciągłe jedną siłą przyłożoną w jego środku ciężkości.
  3. Napisz równanie momentów względem jednej podpory, aby wyznaczyć reakcję w drugiej.
  4. Z ΣFy = 0 wyznacz pozostałą reakcję i sprawdź drugim równaniem momentów.

Kratownica: równoważenie węzłów

Metoda równoważenia węzłów
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Metoda przekrojów
ΣM = 0 about a cut point
Siła w pręcie
dodatnia = rozciąganie, ujemna = ściskanie

Metoda

  1. Wyznacz reakcje podpór całej kratownicy.
  2. Metoda równoważenia węzłów: zacznij od węzła z co najwyżej dwiema nieznanymi siłami w prętach i użyj ΣFx = 0 oraz ΣFy = 0.
  3. Metoda Rittera (przekrojów): przetnij potrzebny pręt i napisz równanie momentów względem punktu, w którym przecinają się pozostałe nieznane pręty.
  4. Załóż rozciąganie; wynik ujemny oznacza ściskanie.

Ramy i maszyny

Równowaga każdego pręta
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Pręt dwusiłowy
siła działa wzdłuż prostej przechodzącej przez jego dwa przeguby
Siła w przegubie
równe co do wartości i przeciwnie skierowane na dwóch łączonych prętach
Wartość siły w przegubie
F = √(Fx² + Fy²)
Dźwignia, szczypce, dźwignia kątowa
Fin·a = Fout·b
Przegub kolanowy
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Obciążenie równomierne
wypadkowa w·L w środku obciążenia

Metoda

  1. Narysuj całą konstrukcję i wyznacz reakcje podpór, jeśli nie ma więcej niż trzech niewiadomych.
  2. Wskaż pręty dwusiłowe: obciążone tylko w dwóch przegubach, mają siłę działającą wzdłuż prostej łączącej te przeguby.
  3. Rozbierz ramę i narysuj każdy pręt osobno, z równymi i przeciwnie skierowanymi siłami w przegubach tam, gdzie pręty się stykają.
  4. Dla każdego pręta zapisz momenty względem przegubu z nieznanymi siłami, potem użyj ΣFx = 0 i ΣFy = 0; składowe złóż w wartość siły dopiero na końcu.

Siła tnąca i moment zginający

Siła tnąca i moment
V = ΣF po jednej stronie, M = ΣF·d po jednej stronie
Naprężenie od zginania
σ = M·y/I
Prostokąt
I = bh³/12
Wskaźnik wytrzymałości przekroju
W = I/ymax
Swobodnie podparta, obciążenie równomierne
Mmax = wL²/8

Metoda

  1. Wyznacz reakcje podpór z równowagi całej belki.
  2. Przetnij belkę w potrzebnym przekroju i zostaw jedną stronę.
  3. Siła tnąca: suma sił pionowych po tej stronie. Moment zginający: suma ich momentów względem przekroju.
  4. Aby znaleźć moment maksymalny, wyznacz miejsce, w którym siła tnąca jest równa zeru.

Środek ciężkości i moment bezwładności

Środek ciężkości
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Prostokąt
I = bh³/12
Twierdzenie Steinera
I = Ic + A·d²
Przekrój złożony
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

2Zadania do ćwiczenia

1.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyŚredni
xyzab

Znajdź kąt θ między wektorami a = (−6, 1, 5) i b = (−2, −3, −3), w stopniach.

a = (−6, 1, 5)b = (−2, −3, −3)
θ = °
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Dla a = (4, 5, −4) i b = (−5, −3, 1) znajdź składową z, czyli (a × b)z, iloczynu wektorowego a × b.

a = (4, 5, −4)b = (−5, −3, 1)
(a × b)z =
3.Reakcje podpór belekŚredni
P1​ = 60 kNP2​ = 15 kNABRA​ = ?RB​1 m1,5 m2,5 m

Belka swobodnie podparta ma podporę przegubową nieprzesuwną w A i przesuwną w B. Wyznacz pionową reakcję podpory RA.

L = 5 mP1 = 60 kN w 1 mP2 = 15 kN w 2,5 m
RA = kN
4.Reakcje podpór belekTrudny
P = 35 kN, 50°Q = 65 kNABRA​ = ?1,5 m2 m0,5 m

Belka swobodnie podparta ma podporę przegubową nieprzesuwną w A i przesuwną w B. W odległości 1,5 m od A działa siła P nachylona pod kątem 50° do poziomu, a w odległości 3,5 m od A pionowa siła Q. Wyznacz wartość całkowitej siły reakcji RA w podporze nieprzesuwnej A.

L = 4 mP = 35 kN w 1,5 m, θ = 50°Q = 65 kN w 3,5 m
RA = kN
5.Kratownica: równoważenie węzłówŚredni
ABCDEFGH35 kN25 kN4 × 4 m4 m

Dokładnie jeden pręt tej kratownicy nie przenosi siły przy tych obciążeniach. Który to pręt zerowy? Kliknij go na rysunku.

F: 35 kN ↓H: 25 kN ↓
  1. 1pręt AB
  2. 2pręt BC
  3. 3pręt CD
  4. 4pręt DE
  5. 5pręt FG
  6. 6pręt GH
  7. 7pręt AF
  8. 8pręt HE
  9. 9pręt BF
  10. 10pręt CG
  11. 11pręt DH
  12. 12pręt BG
  13. 13pręt DG
6.Kratownica: równoważenie węzłówTrudny
ABBCACACB45 kN30 kN5 m3 m4 m

Użyj metody równoważenia węzłów, aby wyznaczyć siłę FAB w pręcie AB. Rozciąganie podaj jako dodatnie, a ściskanie jako ujemne.

rozpiętość = 5 mwysokość = 4 mB jest 3 m od Aobciążenie pionowe = 45 kNobciążenie poziome = 30 kN ←
FAB = kN
7.Ramy i maszynyŚredni
4 kN1,5 m1 m1 mABCD

Pozioma belka AB jest przegubowo zamocowana do ściany w A i podparta rozpórką CD, zamocowaną przegubowo do ściany w C, 1 m poniżej A. W punkcie B wisi obciążenie 4 kN. Pomiń ciężary. Wyznacz wartość siły A w przegubie działającej na belkę w A.

P = 4 kNAD = 1,5 mAB = 2,5 mAC = 1 m
A = kN
8.Ramy i maszynyTrudny
6 kN2 kN8 m2,5 m2,4 mABCK

Pokazana rama ma przeguby w A, B i C; A i C są zamocowane do podłoża w odległości 8 m, a B leży 2,5 m wysoko i 2,4 m na prawo od A. Pręt AB niesie pionowe obciążenie 6 kN w punkcie K, w odległości 0,96 m (w poziomie) od A, oraz poziome obciążenie 2 kN skierowane w prawo, działające w B na pręt AB. Wyznacz wartość poziomej reakcji Ax w A.

P = 6 kNQ = 2 kNL = 8 mH = 2,5 modległość pozioma od A do B = 2,4 modległość pozioma od A do K = 0,96 m
Ax = kN
9.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
w = 6 kN/mABprzekrój5,5 m2,5 m

Wyznacz moment zginający Mx w przekroju x = 5,5 m od podpory A. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.

L = 8 mw = 6 kN/m od 0 do 8 mx = 5,5 m
Mx = kN·m
10.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
w = 3 kN/mP = 55 kNABprzekrój1,5 m0,5 m3 m

Wyznacz moment zginający Mx w przekroju x = 1,5 m od podpory A. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.

L = 5 mP = 55 kN w 2 mw = 3 kN/m od 0 do 5 mx = 1,5 m
Mx = kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
200460166xwymiary w mm

Symetryczny dwuteownik ma półki o szerokości 200 mm i grubości 16 mm, wysokość całkowitą 460 mm i środnik o grubości 6 mm. Wyznacz jego moment bezwładności Ix względem poziomej osi centralnej x.

B = 200 mmH = 460 mmtf = 16 mmtw = 6 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
2403012018xM = 10 kN·mwymiary w mm

Przekrój teowy pracuje jako belka z półką u góry i przenosi dodatni moment zginający 10 kN·m. Wyznacz naprężenie od zginania σdół na dolnej krawędzi.

bf = 240 mmtf = 30 mmtw = 18 mmhw = 120 mmM = 10 kN·m
σdół = MPa

3Roztwory

1.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: θ = 99,35 °

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.

Iloczyn skalarny

a·b = (−6)·(−2) + 1·(−3) + 5·(−3) = −6

Długości

|a| = √((−6)² + 1² + 5²) = 7,874
|b| = √((−2)² + (−3)² + (−3)²) = 4,69

Kąt

cos θ = −6/(7,874·4,69) = −0,1625
θ = arccos(−0,1625) = 99,35°

Odpowiedź

θ = 99,35°
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: (a × b)z = 13

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.

Iloczyn wektorowy, składowa po składowej

(a × b)x = aybz − azby = 5·1 − (−4)·(−3) = −7
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·(−5) − 4·1 = 16
(a × b)z = axby − aybx = 4·(−3) − 5·(−5) = 13

Żądana składowa

(a × b)z = 13

Odpowiedź

(a × b)z = 13

Sprawdzenie: a × b jest prostopadły do obu wektorów, więc jego iloczyn skalarny z a i z b jest równy zero.

3.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RA = 55,5 kN

Równowaga statyczna: ciało w spoczynku ma ΣFx = 0, ΣFy = 0 i ΣM = 0 względem dowolnego punktu. Moment względem jednej podpory usuwa jej reakcję z równania.

P1​ = 60 kNP2​ = 15 kNABRA​RB​1 m1,5 m2,5 m

Schemat sił

Zastąp podpory siłami reakcji. Podpora przesuwna daje jedną reakcję pionową; przy samych obciążeniach pionowych podpora nieprzesuwna też daje jedną reakcję pionową.

Równowaga

Momenty względem A, dodatnie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Potem równowaga sił pionowych.

ΣMA = 0: RB·5 = 60·1 + 15·2,5
RB = 97,5/5 = 19,5 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 19,5 = 55,5 kN

Odpowiedź

RA = 55,5 kN
4.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RA = 33,54 kN

Równowaga statyczna: ciało w spoczynku spełnia ΣFx = 0, ΣFy = 0 i ΣM = 0 względem dowolnego punktu. Zastąp każde obciążenie ciągłe jego wypadkową (polem wykresu obciążenia) przyłożoną w środku ciężkości wykresu obciążenia i licz momenty względem podpory, aby usunąć z równania reakcję tej podpory.

Składowe P

Pv = 35·sin 50° = 26,81 kN
Ph = 35·cos 50° = 22,5 kN

Reakcje

ΣMA = 0: RB·4 = 26,81·1,5 + 65·3,5 → RB = 66,93 kN
Ay = 26,81 + 65 − 66,93 = 24,88 kN
Ax = Ph = 22,5 kN

Wypadkowa w A

RA = √(22,5² + 24,88²) = 33,54 kN

Odpowiedź

RA = 33,54 kN
5.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: pręt CG

Pręty zerowe: w węźle siły muszą się równoważyć w każdym kierunku. Jeśli węzeł nie ma obciążenia ani podpory, a dwa z trzech jego prętów leżą na jednej prostej, to równowaga w kierunku prostopadłym do tej prostej dotyczy tylko trzeciego pręta, więc jego siła jest równa zeru. Jeśli w nieobciążonym węźle schodzą się tylko dwa pręty i nie leżą na jednej prostej, oba są zerowe.

Węzeł C

BC i CD leżą na jednej prostej, a węzeł nie jest obciążony. Równowaga sił w poprzek tej prostej dotyczy tylko CG.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Sprawdź metodą węzłów

Rozwiązanie wszystkich węzłów daje takie siły w prętach (T = rozciąganie, C = ściskanie).

AB: 32,5 kN (T), BC: 30 kN (T), CD: 30 kN (T), DE: 27,5 kN (T), FG: 32,5 kN (C), GH: 27,5 kN (C), AF: 45,96 kN (C), HE: 38,89 kN (C), BF: 2,5 kN (C), CG: 0, DH: 2,5 kN (T), BG: 3,536 kN (T), DG: 3,536 kN (C)

Odpowiedź

Pręt zerowy: CG
6.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: FAB = −52,5 kN

Metoda równoważenia węzłów: każdy węzeł kratownicy jest w równowadze, więc w każdym węźle ΣFx = 0 i ΣFy = 0. Zacznij od węzła z co najwyżej dwiema nieznanymi siłami. Wynik ujemny oznacza, że pręt jest ściskany.

ABBCACACB45 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Reakcje podpór

Równowaga całej kratownicy. Momenty względem A, dodatnie przeciwnie do ruchu wskazówek zegara.

ΣMA = 0: Cy·5 = 45·3 − 30·4 → Cy = 3 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 3 = 42 kN
ΣFx = 0: Ax = 30 kN

Węzeł A

Załóż, że każdy pręt jest rozciągany (ciągnie od węzła). Tylko AB ma składową pionową w A.

sin α = 4/5 = 0,8
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −42/0,8 = −52,5 kN

Odpowiedź

FAB = −52,5 kN (ściskanie)
7.Ramy i maszyny

Odpowiedź: A = 10,35 kN

Ramy i maszyny: w przeciwieństwie do kratownicy rama zawiera co najmniej jeden pręt, który przenosi siły w więcej niż dwóch punktach albo ma obciążenie między przegubami. Najpierw szukaj prętów dwusiłowych: pręt obciążony tylko w dwóch przegubach ma siłę skierowaną wzdłuż prostej przez te przeguby, więc wnosi jedną niewiadomą, a nie dwie. Potem użyj całej konstrukcji do wyznaczenia reakcji podpór, jeśli niewiadomych jest nie więcej niż trzy. Na końcu rozbierz ramę: narysuj każdy pręt osobno, z siłami w przegubach równymi i przeciwnie skierowanymi na dwóch łączonych prętach, i zapisz dla niego ΣFx = 0, ΣFy = 0 oraz ΣM = 0. Zapisanie momentów względem przegubu usuwa z równania obie składowe siły w tym przegubie.

Siła w rozpórce

FCD = 4·2,5/(0,5547·1,5) = 12,02 kN

Składowe w A

Ax = FCD·cos α = 10 kN (w stronę ściany)
Ay = 4 − FCD·sin α = −2,667 kN

Długość

A = √(10² + −2,667²) = 10,35 kN

Odpowiedź

A = 10,35 kN

Ujemne Ay oznacza, że ściana ciągnie belkę w dół w punkcie A.

8.Ramy i maszyny

Odpowiedź: Ax = 1,013 kN

Ramy i maszyny: w przeciwieństwie do kratownicy rama zawiera co najmniej jeden pręt, który przenosi siły w więcej niż dwóch punktach albo ma obciążenie między przegubami. Najpierw szukaj prętów dwusiłowych: pręt obciążony tylko w dwóch przegubach ma siłę skierowaną wzdłuż prostej przez te przeguby, więc wnosi jedną niewiadomą, a nie dwie. Potem użyj całej konstrukcji do wyznaczenia reakcji podpór, jeśli niewiadomych jest nie więcej niż trzy. Na końcu rozbierz ramę: narysuj każdy pręt osobno, z siłami w przegubach równymi i przeciwnie skierowanymi na dwóch łączonych prętach, i zapisz dla niego ΣFx = 0, ΣFy = 0 oraz ΣM = 0. Zapisanie momentów względem przegubu usuwa z równania obie składowe siły w tym przegubie.

Kierunek BC

BC = 6,133 m, cos = 0,9131, sin = 0,4077

Cała rama: momenty względem A

FBC·0,4077·8 = 6·0,96 + 2·2,5
FBC = 3,299 kN

Bilans poziomy

Ax + 2 − 3,299·0,9131 = 0
Ax = 1,013 kN → |Ax| = 1,013 kN

Odpowiedź

Ax = 1,013 kN

Ax jest skierowane w prawo.

9.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mx = 41,25 kN·m

Metoda przekrojów: przetnij belkę tam, gdzie chcesz znać siły wewnętrzne, i zostaw jedną stronę. Siła tnąca V równoważy siły pionowe po tej stronie, a moment zginający M ich momenty względem przekroju.

Reakcje podpór

Równowaga całej belki.

Wypadkowa obciążenia ciągłego: W = w·ℓ = 6·8 = 48 kN, przyłożona w x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 6·8·4
RB = 192/8 = 24 kN
ΣFy = 0: RA = 48 − 24 = 24 kN
w = 6 kN/mABRA​ = 24RB​ = 24przekrój5,5 m2,5 m

Przetnij w x = 5,5 m i zostaw lewą część

Uwzględniasz tylko siły na lewo od przekroju. Fragment obciążenia ciągłego działa jak jedna siła w środku tego fragmentu.

M = RA·x − (każde obciążenie na lewo od przekroju × jego odległość od przekroju)
Mx = 24·5,5 − 6·5,5·2,75 = 41,25 kN·m

Odpowiedź

Mx = 41,25 kN·m
10.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mx = 57,38 kN·m

Metoda przekrojów: przetnij belkę tam, gdzie chcesz znać siły wewnętrzne, i zostaw jedną stronę. Siła tnąca V równoważy siły pionowe po tej stronie, a moment zginający M ich momenty względem przekroju.

Reakcje podpór

Równowaga całej belki.

Wypadkowa obciążenia ciągłego: W = w·ℓ = 3·5 = 15 kN, przyłożona w x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 55·2 + 3·5·2,5
RB = 147,5/5 = 29,5 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 29,5 = 40,5 kN
w = 3 kN/mP = 55 kNABRA​ = 40,5RB​ = 29,5przekrój1,5 m0,5 m3 m

Przetnij w x = 1,5 m i zostaw lewą część

Uwzględniasz tylko siły na lewo od przekroju. Fragment obciążenia ciągłego działa jak jedna siła w środku tego fragmentu.

M = RA·x − (każde obciążenie na lewo od przekroju × jego odległość od przekroju)
Mx = 40,5·1,5 − 3·1,5·0,75 = 57,38 kN·m

Odpowiedź

Mx = 57,38 kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Ix = 354,8 × 10⁶ mm⁴

Moment bezwładności: dla prostokąta względem własnej osi centralnej I = bh³/12, a względem podstawy bh³/3 (twierdzenie Steinera I = Ic + A·d²). Otwór uwzględnia się, odejmując jego I, o ile obie części odnoszą się do tej samej osi. Sprężysty wskaźnik wytrzymałości to S = I/c, gdzie c jest odległością do skrajnych włókien.

Prostokąt zewnętrzny minus dwa boczne wycięcia

Oba wycięcia razem mają szerokość (B − tw) i wysokość hw = H − 2tf oraz wspólną oś x.

hw = 460 − 2·16 = 428 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (200·460³ − 194·428³)/12
Ix = 3,548 × 10⁸ mm⁴ = 354,8 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ix = 354,8 × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: σdół = 94,32 MPa

Przekroje złożone: podziel przekrój na prostokąty. Środek ciężkości to średnia ważona polami ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Moment bezwładności względem osi centralnej sumuje własne bh³/12 każdej części i człon Steinera A·d², gdzie d to odległość środka ciężkości części od środka ciężkości całości. Naprężenie od zginania to σ = M·y/I.

Podziel na dwa prostokąty

Mierz każde y od dolnej krawędzi.

półka: Af = 240·30 = 7200 mm², yf = 120 + 30/2 = 135 mm
środnik: Aw = 18·120 = 2160 mm², yw = 120/2 = 60 mm

Środek ciężkości

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (7200·135 + 2160·60)/9360 = 117,7 mm

Twierdzenie Steinera

półka: 240·30³/12 + 7200·(135 − 117,7)² = 2,697 × 10⁶ mm⁴
środnik: 18·120³/12 + 2160·(60 − 117,7)² = 9,781 × 10⁶ mm⁴
Ix = 2,697 × 10⁶ + 9,781 × 10⁶ = 1,248 × 10⁷ mm⁴

Naprężenie od zginania

Dolna krawędź jest w odległości ȳ od osi.

y = 117,7 mm
σ = M·y/I = 1 × 10⁷·117,7/1,248 × 10⁷ = 94,32 MPa

Odpowiedź

σdół = 94,32 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics