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, −2, −1) i b = (−6, 6, −1), w stopniach.

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

Znajdź pole A równoległoboku rozpiętego na wektorach a = (0, 2, 1) i b = (4, 1, −5).

a = (0, 2, 1)b = (4, 1, −5)
A =
3.Reakcje podpór belekŚredni
P1​ = 60 kNP2​ = 10 kNABRA​RB​ = ?1 m4 m5 m

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

L = 10 mP1 = 60 kN w 1 mP2 = 10 kN w 5 m
RB = kN
4.Reakcje podpór belekTrudny
P = 75 kNQ = 75 kNADCMA​ = ?2 m1 m3 m2 m

Belka złożona jest utwierdzona w ścianie w A, ma przegub wewnętrzny w C (3 m od A) i opiera się na podporze przesuwnej w D (8 m od A). Przenosi siłę skupioną P w odległości 6 m od A i siłę skupioną Q w odległości 2 m od A. Wyznacz wartość momentu utwierdzenia MA w ścianie.

AC = 3 mAD = 8 mP = 75 kN w 6 mQ = 75 kN w 2 m
MA = kN·m
5.Kratownica: równoważenie węzłówŚredni
ABBCACACB60 kN6 m4 m2 m

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

rozpiętość = 6 mwysokość = 2 mB jest 4 m od Aobciążenie pionowe = 60 kN
FBC = kN
6.Kratownica: równoważenie węzłówTrudny
ABCDEFGH25 kN35 kN15 kN20 kN4 × 3 m4 m

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

B: 25 kN ↓D: 35 kN ↓F: 15 kN →H: 20 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
7.Ramy i maszynyŚredni
OAB150 NQ300 mm60 mmFO​ = ?

Pokazana dźwignia kątowa obraca się wokół sworznia O. Pionowa siła 150 N w punkcie A (300 mm od O) jest równoważona poziomą siłą w punkcie B (60 mm nad O). Wyznacz wartość reakcji w sworzniu FO.

F = 150 NOA = 300 mmOB = 60 mm
FO = N
8.Ramy i maszynyTrudny
12 kN2 m0,6 m1,8 m0,6 mABCDEK

Pokazana rama A stoi na podporze przegubowej w A i przesuwnej w B, oddalonych o 2 m, z przegubem szczytowym C na wysokości 2,4 m i poziomym ściągiem DE 0,6 m nad podłożem. Na nogę AC w punkcie K, w odległości 0,6 m (w poziomie) od A, działa pionowe obciążenie 12 kN. Wyznacz wartość siły C, z jaką przegub C działa na nogę BC.

P = 12 kNAB = 2 mwysokość C = 2,4 mwysokość DE = 0,6 modległość pozioma od A do K = 0,6 m
C = kN
9.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
w = 2 kN/mABprzekrój0,5 m5,5 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 = 6 mw = 2 kN/m od 0 do 6 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
10.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
w = 12 kN/mP = 15 kNABprzekrój2 m2,5 m0,5 m

Wyznacz moment zginający Mx w przekroju x = 4,5 m od podpory A. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.

L = 5 mP = 15 kN w 2 mw = 12 kN/m od 0 do 5 mx = 4,5 m
Mx = kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
100300146xwymiary w mm

Symetryczny dwuteownik ma półki o szerokości 100 mm i grubości 14 mm, wysokość całkowitą 300 mm i środnik o grubości 6 mm. Wyznacz jego moment bezwładności Ix względem poziomej osi centralnej x.

B = 100 mmH = 300 mmtf = 14 mmtw = 6 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
150 mm200 mm70 mm30 × 40xIx​ = ?

Płyta 150 mm × 200 mm ma prostokątne wycięcie o szerokości 30 mm i wysokości 40 mm, umieszczone na pionowej osi symetrii, ze środkiem 70 mm nad dolną krawędzią. Wyznacz moment bezwładności przekroju Ix względem osi poziomej przechodzącej przez środek ciężkości.

b = 150 mmh = 200 mmwycięcie: 30 × 40 mmśrodek otworu: y = 70 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Roztwory

1.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: θ = 149,2 °

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·(−6) + (−2)·6 + (−1)·(−1) = −47

Długości

|a| = √(6² + (−2)² + (−1)²) = 6,403
|b| = √((−6)² + 6² + (−1)²) = 8,544

Kąt

cos θ = −47/(6,403·8,544) = −0,8591
θ = arccos(−0,8591) = 149,2°

Odpowiedź

θ = 149,2°
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: A = 14,18

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

(a × b)x = aybz − azby = 2·(−5) − 1·1 = −11
(a × b)y = azbx − axbz = 1·4 − 0·(−5) = 4
(a × b)z = axby − aybx = 0·1 − 2·4 = −8

Powierzchnia

A = |a × b| = √((−11)² + 4² + (−8)²) = 14,18

Odpowiedź

A = 14,18
3.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RB = 11 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​ = 10 kNABRA​RB​1 m4 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 = 60·1 + 10·5
RB = 110/10 = 11 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 11 = 59 kN

Odpowiedź

RB = 11 kN
4.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: MA = 240 kN·m

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. Przegub wewnętrzny nie może przenieść momentu zginającego, co daje jedno dodatkowe równanie: moment względem przegubu sił po jednej stronie jest równy zeru.

Część CD

W przegubie nie ma momentu, więc momenty względem C dla samej części CD muszą się równoważyć.

ΣMC = 0: RD·5 = 75·3
RD = 45 kN
VC = 75 − 45 = 30 kN

Część AC

Siła w przegubie VC działa na AC w dół (równa co do wartości i przeciwnie skierowana do działania na CD).

RA = 75 + 30 = 105 kN
MA = 75·2 + 30·3 = 240 kN·m

Odpowiedź

MA = 240 kN·m
5.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: FBC = −56,57 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 kNAy​Cy​

Reakcje podpór

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 60·4 → Cy = 40 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 40 = 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 = 2/2,828 = 0,7071, cos γ = 2/2,828 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −40/0,7071 = −56,57 kN

Odpowiedź

FBC = −56,57 kN (ściskanie)
6.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: 35,63 kN (T), BC: 37,5 kN (T), CD: 37,5 kN (T), DE: 39,37 kN (T), FG: 35,63 kN (C), GH: 39,37 kN (C), AF: 34,38 kN (C), HE: 65,62 kN (C), BF: 27,5 kN (T), CG: 0, DH: 32,5 kN (T), BG: 3,125 kN (C), DG: 3,125 kN (T)

Odpowiedź

Pręt zerowy: CG
7.Ramy i maszyny

Odpowiedź: FO = 764,9 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 = 150·300/60 = 750 N

Reakcja w sworzniu

Ox = 750 N, Oy = 150 N
FO = √(750² + 150²) = 764,9 N

Odpowiedź

FO = 764,9 N
8.Ramy i maszyny

Odpowiedź: C = 4,118 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.

Reakcja podpory w B

By = 12·0,6/2 = 3,6 kN

Siła w ściągu

T = 3,6·1/1,8 = 2 kN

Siła w przegubie na BC

Cx = 2 kN, Cy = −3,6 kN
C = √(2² + 3,6²) = 4,118 kN

Odpowiedź

C = 4,118 kN
9.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mx = 2,75 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 = 2·6 = 12 kN, przyłożona w x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 2·6·3
RB = 36/6 = 6 kN
ΣFy = 0: RA = 12 − 6 = 6 kN
w = 2 kN/mABRA​ = 6RB​ = 6przekrój0,5 m5,5 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 = 6·0,5 − 2·0,5·0,25 = 2,75 kN·m

Odpowiedź

Mx = 2,75 kN·m
10.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mx = 16,5 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 = 12·5 = 60 kN, przyłożona w x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 15·2 + 12·5·2,5
RB = 180/5 = 36 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 36 = 39 kN
w = 12 kN/mP = 15 kNABRA​ = 39RB​ = 36przekrój2 m2,5 m0,5 m

Przetnij w x = 4,5 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 = 39·4,5 − 15·(4,5 − 2) − 12·4,5·2,25 = 16,5 kN·m

Odpowiedź

Mx = 16,5 kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Ix = 67,36 × 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 = 300 − 2·14 = 272 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (100·300³ − 94·272³)/12
Ix = 6,736 × 10⁷ mm⁴ = 67,36 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ix = 67,36 × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Ix = 98,72 × 10⁶ mm⁴

Przekroje z otworami: traktuj otwór jako ujemne pole. Środek ciężkości to ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), gdzie A₁, y₁ dotyczą pełnej płyty, a A₂, y₂ otworu. Dla momentu bezwładności przekroju względem osi środkowej użyj twierdzenia Steinera dla każdej części i odejmij otwór: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), gdzie d to odległość środka ciężkości każdej części od osi przechodzącej przez ȳ. Prostokąt ma Ic = bh³/12, a koło Ic = πd⁴/64.

Środek ciężkości

ȳ = (30000·100 − 1200·70)/(30000 − 1200) = 101,3 mm

Pełna płyta względem ȳ

150·200³/12 + 30000·−1,25² = 100 × 10⁶ mm⁴

Otwór względem ȳ

30·40³/12 + 1200·−31,25² = 1,332 × 10⁶ mm⁴

Odejmij

Ix = 98,72 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ix = 98,72 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics