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 = (1, −3, −2) i b = (0, 1, 3), w stopniach.

a = (1, −3, −2)b = (0, 1, 3)
θ = °
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Dla a = (5, 4, −3) i b = (−1, 1, 2) znajdź składową y, czyli (a × b)y, iloczynu wektorowego a × b.

a = (5, 4, −3)b = (−1, 1, 2)
(a × b)y =
3.Reakcje podpór belekŚredni
P1​ = 15 kNP2​ = 10 kNABRA​ = ?RB​2 m3 m5 m

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

L = 10 mP1 = 15 kN w 2 mP2 = 10 kN w 5 m
RA = kN
4.Reakcje podpór belekTrudny
w = 6 kN/mP = 10 kNABCRB​ = ?1 m1 m2 m2 m

Belka ma podporę nieprzesuwną w A i przesuwną w B, w odległości 4 m od A, i wystaje poza B aż do swobodnego końca C. Przenosi siłę skupioną P w odległości 1 m od A oraz obciążenie równomiernie rozłożone w od 2 m do swobodnego końca w 6 m. Wyznacz reakcję pionową RB, przyjmując zwrot w górę jako dodatni.

AB = 4 mAC = 6 mP = 10 kN w 1 mw = 6 kN/m od 2 do 6 m
RB = kN
5.Kratownica: równoważenie węzłówŚredni
ABBCACACB30 kN6 m2 m4 m

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

rozpiętość = 6 mwysokość = 4 mB jest 2 m od Aobciążenie pionowe = 30 kN
FAC = kN
6.Kratownica: równoważenie węzłówTrudny
ABBCACACB45 kN20 kN4 m1 m4 m

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

rozpiętość = 4 mwysokość = 4 mB jest 1 m od Aobciążenie pionowe = 45 kNobciążenie poziome = 20 kN ←
FAC = kN
7.Ramy i maszynyŚredni
OAB120 NQ240 mm75 mmFO​ = ?

Pokazana dźwignia kątowa obraca się wokół sworznia O. Pionowa siła 120 N w punkcie A (240 mm od O) jest równoważona poziomą siłą w punkcie B (75 mm nad O). Wyznacz wartość reakcji w sworzniu FO.

F = 120 NOA = 240 mmOB = 75 mm
FO = N
8.Ramy i maszynyTrudny
6 kN2 kN8 m2 m1,2 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 m wysoko i 1,2 m na prawo od A. Pręt AB niesie pionowe obciążenie 6 kN w punkcie K, w odległości 0,72 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 modległość pozioma od A do B = 1,2 modległość pozioma od A do K = 0,72 m
Ax = kN
9.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
P1​ = 25 kNP2​ = 60 kNABC2,5 m3,5 m1 m

Belka opiera się na podporze nieprzesuwnej w A i przesuwnej w B i wystaje poza B o 1 m aż do swobodnego końca C. Przenosi siłę skupioną P1 między podporami i siłę skupioną P2 w C. Wyznacz siłę tnącą Vx tuż na lewo od podpory B. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.

L = 7 mP1 = 25 kN w 2,5 mP2 = 60 kN w 7 mpodpory w x = 0 i x = 6 m
Vx = kN
10.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
w = 2 kN/mP = 25 kNABprzekrój0,5 m2 m2,5 m

Wyznacz moment zginający Mx w przekroju x = 0,5 m od podpory A. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.

L = 5 mP = 25 kN w 2,5 mw = 2 kN/m od 0 do 5 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
2402026012xwymiary w mm

Wyznacz moment bezwładności Ix przekroju teowego względem poziomej osi x przechodzącej przez jego środek ciężkości.

bf = 240 mmtf = 20 mmtw = 12 mmhw = 260 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
3001028012xujemny Mwymiary w mm

Belka żeliwna ma pokazany przekrój teowy z półką u góry. Naprężenia dopuszczalne wynoszą 60 MPa przy rozciąganiu i 120 MPa przy ściskaniu. Wyznacz największy ujemny moment zginający Mallow, jaki może przenieść belka (podaj jego wartość bezwzględną).

bf = 300 mmtf = 10 mmtw = 12 mmhw = 280 mmσt,allow = 60 MPaσc,allow = 120 MPa
Mallow = kN·m

3Roztwory

1.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: θ = 139,5 °

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 = 1·0 + (−3)·1 + (−2)·3 = −9

Długości

|a| = √(1² + (−3)² + (−2)²) = 3,742
|b| = √(0² + 1² + 3²) = 3,162

Kąt

cos θ = −9/(3,742·3,162) = −0,7606
θ = arccos(−0,7606) = 139,5°

Odpowiedź

θ = 139,5°
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: (a × b)y = −7

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 = 4·2 − (−3)·1 = 11
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·(−1) − 5·2 = −7
(a × b)z = axby − aybx = 5·1 − 4·(−1) = 9

Żądana składowa

(a × b)y = −7

Odpowiedź

(a × b)y = −7

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 = 17 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​ = 15 kNP2​ = 10 kNABRA​RB​2 m3 m5 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·10 = 15·2 + 10·5
RB = 80/10 = 8 kN
ΣFy = 0: RA = 25 − 8 = 17 kN

Odpowiedź

RA = 17 kN
4.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RB = 26,5 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.

Wypadkowa obciążenia ciągłego

W = 6·4 = 24 kN, x̄ = (2 + 6)/2 = 4 m

Równowaga

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

ΣMA = 0: RB·4 = 10·1 + 24·4
RB = 106/4 = 26,5 kN
RA = 34 − 26,5 = 7,5 kN

Odpowiedź

RB = 26,5 kN
5.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: FAC = 10 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.

ABBCACACB30 kNAy​Cy​

Reakcje podpór

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 30·2 → Cy = 10 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 10 = 20 kN

Węzeł C

Podpora przesuwna daje tylko reakcję pionową, więc w węźle C są tylko dwie nieznane siły w prętach. Załóż, że oba pręty są rozciągane.

sin γ = 4/5,657 = 0,7071, cos γ = 4/5,657 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −10/0,7071 = −14,14 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−14,14)·0,7071 = 10 kN

Odpowiedź

FAC = 10 kN (rozciąganie)
6.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: FAC = −6,563 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 kN20 kNAy​Cy​Ax​

Reakcje podpór

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 45·1 − 20·4 → Cy = −8,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − −8,75 = 53,75 kN
ΣFx = 0: Ax = 20 kN

Węzeł C

Podpora przesuwna daje tylko reakcję pionową, więc w węźle C są tylko dwie nieznane siły w prętach. Załóż, że oba pręty są rozciągane.

sin γ = 4/5 = 0,8, cos γ = 3/5 = 0,6
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −−8,75/0,8 = 10,94 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(10,94)·0,6 = −6,563 kN

Odpowiedź

FAC = −6,563 kN (ściskanie)
7.Ramy i maszyny

Odpowiedź: FO = 402,3 N

Maszyny: szczypce, dźwignie, mechanizmy dźwigniowe i zaciski zamieniają siłę wejściową na większą lub inaczej skierowaną siłę wyjściową. Narysuj jedną część jako ciało swobodne i zapisz momenty względem jej osi obrotu: siła w sworzniu odpada, a Fin·a = Fout·b daje przełożenie sił a/b. Siłę w sworzniu wyznaczysz potem z ΣF = 0 dla tej samej części. W przegubie kolanowym dwa ogniwa spotykają się pod płytkim kątem θ; każde ogniwo jest prętem dwusiłowym, więc mała siła F w przegubie wywołuje duże siły w ogniwach F/(2 sin θ) i siłę docisku F/(2 tan θ).

Siła w B

Q = 120·240/75 = 384 N

Reakcja w sworzniu

Ox = 384 N, Oy = 120 N
FO = √(384² + 120²) = 402,3 N

Odpowiedź

FO = 402,3 N
8.Ramy i maszyny

Odpowiedź: Ax = 1,536 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 = 7,088 m, cos = 0,9594, sin = 0,2822

Cała rama: momenty względem A

FBC·0,2822·8 = 6·0,72 + 2·2
FBC = 3,686 kN

Bilans poziomy

Ax + 2 − 3,686·0,9594 = 0
Ax = 1,536 kN → |Ax| = 1,536 kN

Odpowiedź

Ax = 1,536 kN

Ax jest skierowane w prawo.

9.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Vx = −20,42 kN

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. Siła na wsporniku też daje moment względem A.

ΣMA = 0: RB·6 = 25·2,5 + 60·7
RB = 482,5/6 = 80,42 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 80,42 = 4,583 kN

Przekrój tuż na lewo od B, zostaw lewą część

Vx = RA − P1 = 4,583 − 25 = −20,42 kN

Odpowiedź

Vx = −20,42 kN
10.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mx = 8,5 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 = 2·5 = 10 kN, przyłożona w x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 25·2,5 + 2·5·2,5
RB = 87,5/5 = 17,5 kN
ΣFy = 0: RA = 35 − 17,5 = 17,5 kN
w = 2 kN/mP = 25 kNABRA​ = 17,5RB​ = 17,5przekrój0,5 m2 m2,5 m

Przetnij w x = 0,5 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 = 17,5·0,5 − 2·0,5·0,25 = 8,5 kN·m

Odpowiedź

Mx = 8,5 kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Ix = 54,8 × 10⁶ mm⁴

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 = 240·20 = 4800 mm², yf = 260 + 20/2 = 270 mm
środnik: Aw = 12·260 = 3120 mm², yw = 260/2 = 130 mm

Środek ciężkości

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4800·270 + 3120·130)/7920 = 214,8 mm

Twierdzenie Steinera

półka: 240·20³/12 + 4800·(270 − 214,8)² = 1,476 × 10⁷ mm⁴
środnik: 12·260³/12 + 3120·(130 − 214,8)² = 4,004 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,476 × 10⁷ + 4,004 × 10⁷ = 5,48 × 10⁷ mm⁴ = 54,8 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ix = 54,8 × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Mallow = 31,84 kN·m

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.

Środek ciężkości

ȳ = (3000·285 + 3360·140)/6360 = 208,4 mm
krawędź górna: c = 290 − 208,4 = 81,6 mm

Moment bezwładności przekroju

I = 300·10³/12 + 3000·76,6² + 12·280³/12 + 3360·68,4² = 5,53 × 10⁷ mm⁴

Moment dopuszczalny dla każdej krawędzi

Moment ujemny: góra jest rozciągana, dół ściskany.

krawędź górna: M = 60·5,53 × 10⁷/81,6 = 40,66 kN·m
krawędź dolna: M = 120·5,53 × 10⁷/208,4 = 31,84 kN·m

Wartość decydująca

Mallow = min = 31,84 kN·m (krawędź dolna)

Odpowiedź

Mallow = 31,84 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics