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 = (3, −6, 3) i b = (−4, 0, −6), w stopniach.

a = (3, −6, 3)b = (−4, 0, −6)
θ = °
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Wersor n̂ jest prostopadły do wektorów a = (0, 4, −3) i b = (1, 5, −4) i ma dodatnią składową z. Znajdź jego składową x, czyli n̂x.

a = (0, 4, −3)b = (1, 5, −4)n̂z > 0
n̂x =
3.Reakcje podpór belekŚredni
w = 12 kN/mP = 40 kNABMA​ = ?4 m1 m1 m

Wspornik jest utwierdzony w ścianie w A. Przenosi obciążenie równomiernie rozłożone w od ściany do 4 m i siłę skupioną P w odległości 5 m od ściany. Wyznacz wartość momentu utwierdzenia MA w ścianie.

L = 6 mP = 40 kN w 5 mw = 12 kN/m od 0 do 4 m
MA = kN·m
4.Reakcje podpór belekTrudny
w = 12 kN/mP = 60 kNABRA​RB​ = ?3 m2 m5 m

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

L = 10 mP = 60 kN w 5 mw = 12 kN/m od 0 do 3 m
RB = kN
5.Kratownica: równoważenie węzłówŚredni
ABBCACACB20 kN5 m4 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 4 m od Aobciążenie pionowe = 20 kN
FAB = kN
6.Kratownica: równoważenie węzłówTrudny
ABBCACACB60 kN25 kN4 m3 m2 m

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

rozpiętość = 4 mwysokość = 2 mB jest 3 m od Aobciążenie pionowe = 60 kNobciążenie poziome = 25 kN →
FAC = kN
7.Ramy i maszynyŚredni
4 kN6 m2 m1,6 m0,75 mABCDEK

Pokazana rama A stoi na podporze przegubowej w A i przesuwnej w B, oddalonych o 6 m, z przegubem szczytowym C na wysokości 3,6 m i poziomym ściągiem DE 2 m nad podłożem. Na nogę AC w punkcie K, w odległości 0,75 m (w poziomie) od A, działa pionowe obciążenie 4 kN. Wyznacz siłę rozciągającą T w ściągu.

P = 4 kNAB = 6 mwysokość C = 3,6 mwysokość DE = 2 modległość pozioma od A do K = 0,75 m
T = kN
8.Ramy i maszynyTrudny
2 kN1 kN2 m4 mABC

Jednorodny poziomy wysięgnik AB o ciężarze 1 kN jest zamocowany przegubowo do ściany w A i utrzymywany liną od końca B do punktu C na ścianie, 4 m nad A. W punkcie B wisi obciążenie 2 kN. Wyznacz siłę T w linie.

W = 2 kNWb = 1 kNAB = 2 mAC = 4 m
T = kN
9.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
15 kN/m15 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

Punkty od A do G dzielą belkę na sześć równych części. W którym punkcie moment zginający ma największą wartość bezwzględną, dodatni lub ujemny? Kliknij go na rysunku.

15 kN @ 6 m15 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)
10.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
w = 3 kN/mP = 75 kNAB7 m3 m

Belka swobodnie podparta przenosi obciążenie równomiernie rozłożone w na całej rozpiętości oraz siłę skupioną P. Wyznacz maksymalny moment zginający Mmax w belce.

L = 10 mP = 75 kN w 7 mw = 3 kN/m od 0 do 10 m
Mmax = kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
180200t = 8xwymiary w mm

Ceownik leży otwartą stroną do góry: płaskownik podstawy o szerokości 180 mm z dwoma pionowymi ramionami, o całkowitej wysokości 200 mm. Podstawa i ramiona mają grubość 8 mm. Wyznacz jego moment bezwładności Ix względem poziomej osi x przechodzącej przez środek ciężkości.

b = 180 mmh = 200 mmt = 8 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
160190221601412xwymiary w mm

Spawany dwuteownik ma półkę górną 160 × 22 mm, środnik o wysokości 160 mm i grubości 12 mm oraz półkę dolną 190 × 14 mm (szerokość × grubość). Wyznacz jego moment bezwładności Ix względem poziomej osi x przechodzącej przez środek ciężkości.

półka górna: 160 × 22 mmśrodnik: 12 × 160 mmpółka dolna: 190 × 14 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Roztwory

1.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: θ = 124,5 °

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 = 3·(−4) + (−6)·0 + 3·(−6) = −30

Długości

|a| = √(3² + (−6)² + 3²) = 7,348
|b| = √((−4)² + 0² + (−6)²) = 7,211

Kąt

cos θ = −30/(7,348·7,211) = −0,5661
θ = arccos(−0,5661) = 124,5°

Odpowiedź

θ = 124,5°
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: n̂x = 0,1961

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

(a × b)x = aybz − azby = 4·(−4) − (−3)·5 = −1
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·1 − 0·(−4) = −3
(a × b)z = axby − aybx = 0·5 − 4·1 = −4

Normalizacja

Składowa z wektora a × b jest ujemna, więc użyj −(a × b).

|a × b| = √((−1)² + (−3)² + (−4)²) = 5,099
n̂ = −(−1, −3, −4)/5,099 = (0,1961, 0,5883, 0,7845)
n̂x = 0,1961

Odpowiedź

n̂x = 0,1961
3.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: MA = 296 kN·m

Równowaga wspornika: utwierdzenie może pchać w górę i również przeciwdziałać obrotowi, więc daje reakcję pionową RA i moment utwierdzenia MA. ΣFy = 0 daje RA, a momenty względem ściany dają MA = Σ(obciążenie × odległość od ściany). Obciążenie ciągłe działa jak jego wypadkowa w środku ciężkości wykresu obciążenia.

Wypadkowa obciążenia ciągłego

W = 12·4 = 48 kN, x̄ = 2 m

Moment względem ściany

MA = P·a + W·x̄ = 40·5 + 48·2 = 296 kN·m

Odpowiedź

MA = 296 kN·m
4.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RB = 35,4 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.

w = 12 kN/mP = 60 kNABRA​RB​3 m2 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.

Wypadkowa obciążenia ciągłego: W = w·ℓ = 12·3 = 36 kN, przyłożona w x̄ = 1,5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 60·5 + 12·3·1,5
RB = 354/10 = 35,4 kN
ΣFy = 0: RA = 96 − 35,4 = 60,6 kN

Odpowiedź

RB = 35,4 kN
5.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: FAB = −5,657 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.

ABBCACACB20 kNAy​Cy​

Reakcje podpór

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 20·4 → Cy = 16 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 16 = 4 kN

Węzeł A

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

sin α = 4/5,657 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −4/0,7071 = −5,657 kN

Odpowiedź

FAB = −5,657 kN (ściskanie)
6.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: FAC = 28,75 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.

ABBCACACB60 kN25 kNAy​Cy​Ax​

Reakcje podpór

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 60·3 + 25·2 → Cy = 57,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 57,5 = 2,5 kN
ΣFx = 0: Ax = −25 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 = 2/2,236 = 0,8944, cos γ = 1/2,236 = 0,4472
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −57,5/0,8944 = −64,29 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−64,29)·0,4472 = 28,75 kN

Odpowiedź

FAC = 28,75 kN (rozciąganie)
7.Ramy i maszyny

Odpowiedź: T = 0,9375 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 = 4·0,75/6 = 0,5 kN

Noga BC: momenty względem C

0,5·3 = T·1,6
T = 0,9375 kN

Odpowiedź

T = 0,9375 kN
8.Ramy i maszyny

Odpowiedź: T = 2,795 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.

Kąt liny

BC = √(2² + 4²) = 4,472 m, sin β = 0,8944

Momenty względem A

T·0,8944·2 = 2·2 + 1·1
T = 2,795 kN

Odpowiedź

T = 2,795 kN
9.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: D (x = 6 m)

Największy moment zginający: nachylenie wykresu M zmienia się tam, gdzie zmienia się siła tnąca, więc jego maksima leżą tam, gdzie siła tnąca przechodzi przez zero: pod siłą skupioną, wewnątrz obciążenia ciągłego albo nad podporą przy wsporniku. W utwierdzeniu belki wspornikowej moment jest największy przy ścianie. Porównaj wartości M w tych miejscach, zarówno dodatnie (zginanie „w dół”), jak i ujemne.

Reakcje podpór

Zapisz momenty względem jednej podpory, a potem użyj bilansu sił pionowych.

R1 = 67,5 kN, R2 = 67,5 kN

Moment zginający w każdym punkcie

Zsumuj momenty wszystkich sił po jednej stronie przekroju. Zginanie „w dół” jest dodatnie, „w górę” ujemne.

MA = 0, MB = 135, MC = 240, MD = 285 kN·m, ME = 240, MF = 135, MG = 0

Odpowiedź

Punkt D: MD = 285 kN·m
10.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mmax = 189 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.

Wypadkowa obciążenia ciągłego: W = w·ℓ = 3·10 = 30 kN, przyłożona w x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 75·7 + 3·10·5
RB = 675/10 = 67,5 kN
ΣFy = 0: RA = 105 − 67,5 = 37,5 kN

Gdzie V = 0?

V(7⁻) = RA − w·7 = 16,5 kN
V(7⁺) = 16,5 − 75 = −58,5 kN
Siła tnąca zmienia znak w obrębie obciążenia, więc maksimum leży pod obciążeniem.

Moment maksymalny

Mmax = RA·7 − w·7²/2 = 37,5·7 − 3·7²/2 = 189 kN·m

Odpowiedź

Mmax = 189 kN·m

Występuje w x = 7 m od A.

11.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Ix = 19,25 × 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 prostokąty

Przyjmij podstawę na pełnej szerokości i dwa ramiona nad nią (wysokość h − t), aby nic nie liczyć dwa razy.

baza: A1 = 180·8 = 1440 mm², y1 = 4 mm
dwa ramiona: A2 = 2·8·192 = 3072 mm², y2 = 8 + 192/2 = 104 mm

Środek ciężkości

ȳ = (1440·4 + 3072·104)/4512 = 72,09 mm

Twierdzenie Steinera

baza: 180·8³/12 + 1440·(4 − 72,09)² = 6,683 × 10⁶ mm⁴
dwa ramiona: 2·8·192³/12 + 3072·(104 − 72,09)² = 1,257 × 10⁷ mm⁴
Ix = 6,683 × 10⁶ + 1,257 × 10⁷
Ix = 1,925 × 10⁷ mm⁴ = 19,25 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ix = 19,25 × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Ix = 52,59 × 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 trzy prostokąty

Mierz każde y od dolnej krawędzi.

półka górna: A = 3520 mm², y = 185 mm
środnik: A = 1920 mm², y = 94 mm
półka dolna: A = 2660 mm², y = 7 mm

Środek ciężkości

ȳ = (3520·185 + 1920·94 + 2660·7)/8100 = 105 mm

Twierdzenie Steinera

półka górna: 160·22³/12 + 3520·80,02² = 2,268 × 10⁷ mm⁴
środnik: 12·160³/12 + 1920·10,98² = 4,327 × 10⁶ mm⁴
półka dolna: 190·14³/12 + 2660·97,98² = 2,558 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2,268 × 10⁷ + 4,327 × 10⁶ + 2,558 × 10⁷
Ix = 5,259 × 10⁷ mm⁴ = 52,59 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ix = 52,59 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics