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 = (−5, 2, 0) i b = (1, −3, 2), w stopniach.

a = (−5, 2, 0)b = (1, −3, 2)
θ = °
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzabc

Znajdź objętość V równoległościanu, którego krawędzie wychodzące z jednego wierzchołka to a = (−5, −1, 5), b = (−4, −1, −5) i c = (−4, −4, −3).

a = (−5, −1, 5)b = (−4, −1, −5)c = (−4, −4, −3)
V =
3.Reakcje podpór belekŚredni
P1​ = 15 kNP2​ = 50 kNABRA​ = ?RB​6 m1 m1 m

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

L = 8 mP1 = 15 kN w 6 mP2 = 50 kN w 7 m
RA = kN
4.Reakcje podpór belekTrudny
P = 10 kN, 30°Q = 20 kNABRA​ = ?2 m6 m2 m

Belka swobodnie podparta ma podporę przegubową nieprzesuwną w A i przesuwną w B. W odległości 2 m od A działa siła P nachylona pod kątem 30° do poziomu, a w odległości 8 m od A pionowa siła Q. Wyznacz wartość całkowitej siły reakcji RA w podporze nieprzesuwnej A.

L = 10 mP = 10 kN w 2 m, θ = 30°Q = 20 kN w 8 m
RA = kN
5.Kratownica: równoważenie węzłówŚredni
ABCDEFGH20 kN15 kN40 kN4 × 4 m3 m

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

D: 20 kN ↓F: 15 kN ↓G: 40 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
ABBCACACB35 kN15 kN8 m6 m3 m

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

rozpiętość = 8 mwysokość = 3 mB jest 6 m od Aobciążenie pionowe = 35 kNobciążenie poziome = 15 kN ←
FAC = kN
7.Ramy i maszynyŚredni
250 NQ = ?12°ABC

W pokazanym zacisku z przegubem kolanowym dwa jednakowe ogniwa AB i BC są połączone przegubem w B, a każde tworzy kąt 12° z prostą AC. W punkcie B przyłożono siłę 250 N skierowaną w dół. Suwak C naciska na obrabiany element. Pomijając tarcie i ciężary, wyznacz poziomą siłę docisku Q.

F = 250 Nθ = 12°
Q = N
8.Ramy i maszynyTrudny
6 kN6 m1,2 m2,4 mABCDE

Pokazana rama A stoi na podporze przegubowej w A i przesuwnej w B, oddalonych o 6 m. Nogi spotykają się w przegubie C na wysokości 3,6 m i są połączone poziomym ściągiem DE na wysokości 1,2 m. W punkcie C działa pozioma siła 6 kN skierowana w prawo. Wyznacz siłę rozciągającą T w ściągu.

P = 6 kNAB = 6 mwysokość C = 3,6 mwysokość DE = 1,2 m
T = kN
9.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
P1​ = 75 kNP2​ = 70 kNABC3 m3 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 moment zginający Mx pod siłą P1. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.

L = 7 mP1 = 75 kN w 3 mP2 = 70 kN w 7 mpodpory w x = 0 i x = 6 m
Mx = kN·m
10.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
w = 6 kN/mABC5 m2 m

Belka opiera się na podporze nieprzesuwnej w A i przesuwnej w B i wystaje poza B o 2 m aż do swobodnego końca C. Na całej długości A–C działa obciążenie równomiernie rozłożone w. Wyznacz maksymalny dodatni moment zginający Mmax między podporami.

L = 7 mw = 6 kN/m od 0 do 7 mpodpory w x = 0 i x = 5 m
Mmax = kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
1402024018xwymiary w mm

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

bf = 140 mmtf = 20 mmtw = 18 mmhw = 240 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
2204001814xM = 150 kN·mwymiary w mm

Symetryczny dwuteownik ma półki o szerokości 220 mm i grubości 18 mm, wysokość całkowitą 400 mm i środnik o grubości 14 mm. Przenosi moment zginający 150 kN·m względem osi x. Wyznacz wartość maksymalnego naprężenia od zginania σmax w przekroju.

B = 220 mmH = 400 mmtf = 18 mmtw = 14 mmM = 150 kN·m
σmax = MPa

3Roztwory

1.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: θ = 123,1 °

Iloczyn skalarny: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, jest skalarem. Pozwala wyznaczyć kąt między dwoma wektorami, cos θ = a·b/(|a|·|b|), i jest równy zero, gdy wektory są prostopadłe. Rzut skalarny a na b wynosi a·b/|b|, a stała siła F na przemieszczeniu d wykonuje pracę W = F·d.

Iloczyn skalarny

a·b = (−5)·1 + 2·(−3) + 0·2 = −11

Długości

|a| = √((−5)² + 2² + 0²) = 5,385
|b| = √(1² + (−3)² + 2²) = 3,742

Kąt

cos θ = −11/(5,385·3,742) = −0,5459
θ = arccos(−0,5459) = 123,1°

Odpowiedź

θ = 123,1°
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: V = 137

Iloczyn wektorowy: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) jest prostopadły do obu wektorów, a |a × b| = |a|·|b|·sin θ to pole równoległoboku, który rozpinają (trójkąt ma połowę tego pola). Kolejność ma znaczenie: b × a = −(a × b). Moment siły F przyłożonej w punkcie A względem punktu O to MO = r × F, gdzie r = A − O.

Iloczyn wektorowy b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−1)·(−3) − (−5)·(−4) = −17
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−5)·(−4) − (−4)·(−3) = 8
(b × c)z = bxcy − bycx = (−4)·(−4) − (−1)·(−4) = 12

Iloczyn skalarny z a

a·(b × c) = (−5)·(−17) + (−1)·8 + 5·12 = 137
V = |137| = 137

Odpowiedź

V = 137
3.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RA = 10 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​ = 50 kNABRA​RB​6 m1 m1 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·8 = 15·6 + 50·7
RB = 440/8 = 55 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 55 = 10 kN

Odpowiedź

RA = 10 kN
4.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RA = 11,79 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 = 10·sin 30° = 5 kN
Ph = 10·cos 30° = 8,66 kN

Reakcje

ΣMA = 0: RB·10 = 5·2 + 20·8 → RB = 17 kN
Ay = 5 + 20 − 17 = 8 kN
Ax = Ph = 8,66 kN

Wypadkowa w A

RA = √(8,66² + 8²) = 11,79 kN

Odpowiedź

RA = 11,79 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: 48,33 kN (T), BC: 76,67 kN (T), CD: 76,67 kN (T), DE: 51,67 kN (T), FG: 48,33 kN (C), GH: 51,67 kN (C), AF: 60,42 kN (C), HE: 64,58 kN (C), BF: 21,25 kN (T), CG: 0, DH: 38,75 kN (T), BG: 35,42 kN (C), DG: 31,25 kN (C)

Odpowiedź

Pręt zerowy: CG
6.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: FAC = 13,75 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.

ABBCACACB35 kN15 kNAy​Cy​Ax​

Reakcje podpór

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 35·6 − 15·3 → Cy = 20,63 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 20,63 = 14,38 kN
ΣFx = 0: Ax = 15 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 = 3/3,606 = 0,8321, cos γ = 2/3,606 = 0,5547
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −20,63/0,8321 = −24,79 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−24,79)·0,5547 = 13,75 kN

Odpowiedź

FAC = 13,75 kN (rozciąganie)
7.Ramy i maszyny

Odpowiedź: Q = 588,1 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).

Równowaga przegubu B

2·Flink·sin 12° = 250
Flink = 601,2 N

Siła docisku

Q = Flink·cos 12° = 250/(2·tan 12°) = 588,1 N

Odpowiedź

Q = 588,1 N

Stosunek sił Q/F = 2,352 rośnie bez ograniczeń, gdy ogniwa się prostują.

8.Ramy i maszyny

Odpowiedź: T = 4,5 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.

Cała rama: momenty względem A

By·6 = 6·3,6
By = 3,6 kN

Noga BC: momenty względem C

3,6·3 = T·2,4
T = 4,5 kN

Odpowiedź

T = 4,5 kN

Dodatnie T oznacza, że ściąg jest rozciągany, tak jak założono.

9.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mx = 77,5 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. Siła na wsporniku też daje moment względem A.

ΣMA = 0: RB·6 = 75·3 + 70·7
RB = 715/6 = 119,2 kN
ΣFy = 0: RA = 145 − 119,2 = 25,83 kN

Przekrój pod P1, zostaw lewą część

Mx = RA·3 = 25,83·3 = 77,5 kN·m

Odpowiedź

Mx = 77,5 kN·m
10.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mmax = 13,23 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. Moment maksymalny: ponieważ dM/dx = V, moment zginający osiąga ekstremum tam, gdzie siła tnąca przechodzi przez zero, albo w miejscu siły skupionej, albo wewnątrz obciążenia ciągłego.

Reakcje podpór

Równowaga całej belki, łącznie z obciążeniem na wsporniku.

Wypadkowa obciążenia ciągłego: W = w·ℓ = 6·7 = 42 kN, przyłożona w x̄ = 3,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 6·7·3,5
RB = 147/5 = 29,4 kN
ΣFy = 0: RA = 42 − 29,4 = 12,6 kN

Zerowa siła tnąca

RA − w·x0 = 0 → x0 = 12,6/6 = 2,1 m

Maksymalny moment dodatni

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = RA²/(2w) = 12,6²/(2·6) = 13,23 kN·m

Odpowiedź

Mmax = 13,23 kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Ix = 49,54 × 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 = 140·20 = 2800 mm², yf = 240 + 20/2 = 250 mm
środnik: Aw = 18·240 = 4320 mm², yw = 240/2 = 120 mm

Środek ciężkości

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2800·250 + 4320·120)/7120 = 171,1 mm

Twierdzenie Steinera

półka: 140·20³/12 + 2800·(250 − 171,1)² = 1,751 × 10⁷ mm⁴
środnik: 18·240³/12 + 4320·(120 − 171,1)² = 3,203 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,751 × 10⁷ + 3,203 × 10⁷ = 4,954 × 10⁷ mm⁴ = 49,54 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ix = 49,54 × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: σmax = 86,85 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.

Prostokąt zewnętrzny minus dwa boczne wycięcia

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

hw = 400 − 2·18 = 364 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (220·400³ − 206·364³)/12
Ix = 3,454 × 10⁸ mm⁴

Naprężenie od zginania

y = 200 mm
σ = M·y/I = 1,5 × 10⁸·200/3,454 × 10⁸ = 86,85 MPa

Odpowiedź

σmax = 86,85 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics