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, 0, 5) i b = (3, −2, −6), w stopniach.

a = (−6, 0, 5)b = (3, −2, −6)
θ = °
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Dla a = (2, −4, −3) i b = (−6, 3, −6) znajdź składową x, czyli (a × b)x, iloczynu wektorowego a × b.

a = (2, −4, −3)b = (−6, 3, −6)
(a × b)x =
3.Reakcje podpór belekŚredni
P1​ = 70 kNP2​ = 45 kNABCRA​ = ?0,5 m2,5 m2 m

Belka ma podporę nieprzesuwną w A i przesuwną w B, w odległości 3 m od A, i wystaje poza B aż do swobodnego końca C. Wyznacz reakcję pionową RA, przyjmując zwrot w górę jako dodatni.

AB = 3 mAC = 5 mP1 = 70 kN w 0,5 mP2 = 45 kN w 5 m
RA = kN
4.Reakcje podpór belekTrudny
w = 5 kN/mP = 20 kNABRA​ = ?RB​1 m1,5 m0,5 m1 m

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

L = 4 mP = 20 kN w 2,5 mw = 5 kN/m od 1 do 3 m
RA = kN
5.Kratownica: równoważenie węzłówŚredni
ABBCACACB60 kN4 m3 m3 m

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

rozpiętość = 4 mwysokość = 3 mB jest 3 m od Aobciążenie pionowe = 60 kN
FAB = kN
6.Kratownica: równoważenie węzłówTrudny
ABCDEFGH25 kN30 kN10 kN4 × 4 m3 m

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

F: 25 kN →G: 30 kN ↓H: 10 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
12 kN2 m2 m2 mABCDE

Pokazana rama A stoi na podporze przegubowej w A i przesuwnej w B, oddalonych o 2 m. Nogi spotykają się w przegubie C na wysokości 4 m, a poziomy ściąg DE jest 2 m nad podłożem. W punkcie C działa obciążenie 12 kN. Wyznacz wartość siły C, z jaką przegub C działa na nogę BC.

P = 12 kNAB = 2 mwysokość C = 4 mwysokość DE = 2 m
C = kN
8.Ramy i maszynyTrudny
10 kN3,2 m2 m2 m0,4 mABCDEK

Pokazana rama A stoi na podporze przegubowej w A i przesuwnej w B, oddalonych o 3,2 m, z przegubem szczytowym C na wysokości 4 m i poziomym ściągiem DE 2 m nad podłożem. Na nogę AC w punkcie K, w odległości 0,4 m (w poziomie) od A, działa pionowe obciążenie 10 kN. Wyznacz wartość siły C, z jaką przegub C działa na nogę BC.

P = 10 kNAB = 3,2 mwysokość C = 4 mwysokość DE = 2 modległość pozioma od A do K = 0,4 m
C = kN
9.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
w = 8 kN/mABprzekrój3 m3 m

Wyznacz moment zginający Mx w przekroju x = 3 m od podpory A. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.

L = 6 mw = 8 kN/m od 0 do 6 mx = 3 m
Mx = kN·m
10.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
w = 24 kN/mAB3 m1 m

Belka swobodnie podparta przenosi obciążenie równomiernie rozłożone na części rozpiętości. Wyznacz maksymalny moment zginający Mmax w belce.

L = 4 mw = 24 kN/m od 0 do 3 m
Mmax = kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
120 mm150 mm60 mmØ40xIx​ = ?

Płyta 120 mm × 150 mm ma okrągły otwór o średnicy 40 mm na pionowej osi symetrii, ze środkiem 60 mm nad dolną krawędzią. Wyznacz moment bezwładności przekroju Ix względem osi poziomej przechodzącej przez środek ciężkości.

b = 120 mmh = 150 mmd = 40 mmśrodek otworu: y = 60 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
220303008xdodatni Mwymiary w mm

Belka żeliwna ma pokazany przekrój teowy z półką u góry. Naprężenia dopuszczalne wynoszą 60 MPa przy rozciąganiu i 90 MPa przy ściskaniu. Wyznacz największy dodatni moment zginający Mallow, jaki może przenieść belka.

bf = 220 mmtf = 30 mmtw = 8 mmhw = 300 mmσt,allow = 60 MPaσc,allow = 90 MPa
Mallow = kN·m

3Roztwory

1.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: θ = 151,4 °

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)·3 + 0·(−2) + 5·(−6) = −48

Długości

|a| = √((−6)² + 0² + 5²) = 7,81
|b| = √(3² + (−2)² + (−6)²) = 7

Kąt

cos θ = −48/(7,81·7) = −0,878
θ = arccos(−0,878) = 151,4°

Odpowiedź

θ = 151,4°
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: (a × b)x = 33

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)·(−6) − (−3)·3 = 33
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·(−6) − 2·(−6) = 30
(a × b)z = axby − aybx = 2·3 − (−4)·(−6) = −18

Żądana składowa

(a × b)x = 33

Odpowiedź

(a × b)x = 33

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 = 28,33 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.

Momenty względem A

Przeciwnie do ruchu wskazówek zegara dodatnio.

ΣMA = 0: RB·3 = 70·0,5 + 45·5
RB = 260/3 = 86,67 kN

Równowaga sił pionowych

RA = 70 + 45 − 86,67 = 28,33 kN

Odpowiedź

RA = 28,33 kN
4.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RA = 12,5 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.

w = 5 kN/mP = 20 kNABRA​RB​1 m1,5 m0,5 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.

Wypadkowa obciążenia ciągłego: W = w·ℓ = 5·2 = 10 kN, przyłożona w x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 20·2,5 + 5·2·2
RB = 70/4 = 17,5 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 17,5 = 12,5 kN

Odpowiedź

RA = 12,5 kN
5.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: FAB = −21,21 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·4 = 60·3 → Cy = 45 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 45 = 15 kN

Węzeł A

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

sin α = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −15/0,7071 = −21,21 kN

Odpowiedź

FAB = −21,21 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: 42,08 kN (T), BC: 59,17 kN (T), CD: 59,17 kN (T), DE: 36,25 kN (T), FG: 42,08 kN (C), GH: 36,25 kN (C), AF: 21,35 kN (C), HE: 45,31 kN (C), BF: 12,81 kN (T), CG: 0, DH: 17,19 kN (T), BG: 21,35 kN (C), DG: 28,65 kN (C)

Odpowiedź

Pręt zerowy: CG
7.Ramy i maszyny

Odpowiedź: C = 6,708 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 ściągu z nogi BC

By = 6 kN
T = 6·1/2 = 3 kN

Składowe siły w przegubie na BC

Cx = T = 3 kN, Cy = −By = −6 kN

Długość

C = √(3² + 6²) = 6,708 kN

Odpowiedź

C = 6,708 kN
8.Ramy i maszyny

Odpowiedź: C = 1,601 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 = 10·0,4/3,2 = 1,25 kN

Siła w ściągu

T = 1,25·1,6/2 = 1 kN

Siła w przegubie na BC

Cx = 1 kN, Cy = −1,25 kN
C = √(1² + 1,25²) = 1,601 kN

Odpowiedź

C = 1,601 kN
9.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mx = 36 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 = 8·6 = 48 kN, przyłożona w x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 8·6·3
RB = 144/6 = 24 kN
ΣFy = 0: RA = 48 − 24 = 24 kN
w = 8 kN/mABRA​ = 24RB​ = 24przekrój3 m3 m

Przetnij w x = 3 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 = 24·3 − 8·3·1,5 = 36 kN·m

Odpowiedź

Mx = 36 kN·m
10.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mmax = 42,19 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 = 24·3 = 72 kN, przyłożona w x̄ = 1,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 24·3·1,5
RB = 108/4 = 27 kN
ΣFy = 0: RA = 72 − 27 = 45 kN

Zerowa siła tnąca

Siła tnąca zaczyna od RA, jest stała na każdym nieobciążonym odcinku i maleje z nachyleniem w wewnątrz obciążenia.

RA − w·(x0 − 0) = 0
x0 = 0 + 45/24 = 1,875 m

Moment maksymalny

Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 0)²/2 = 45·1,875 − 24·1,875²/2 = 42,19 kN·m

Odpowiedź

Mmax = 42,19 kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Ix = 33,32 × 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 = (18000·75 − 1257·60)/(18000 − 1257) = 76,13 mm

Pełna płyta względem ȳ

120·150³/12 + 18000·−1,126² = 33,77 × 10⁶ mm⁴

Otwór względem ȳ

π·40⁴/64 + 1257·−16,13² = 0,4524 × 10⁶ mm⁴

Odejmij

Ix = 33,32 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ix = 33,32 × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Mallow = 14,7 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 = (6600·315 + 2400·150)/9000 = 271 mm
krawędź górna: c = 330 − 271 = 59 mm

Moment bezwładności przekroju

I = 220·30³/12 + 6600·44² + 8·300³/12 + 2400·121² = 6,641 × 10⁷ mm⁴

Moment dopuszczalny dla każdej krawędzi

Moment dodatni: góra jest ściskana, dół rozciągany.

krawędź górna: M = 90·6,641 × 10⁷/59 = 101,3 kN·m
krawędź dolna: M = 60·6,641 × 10⁷/271 = 14,7 kN·m

Wartość decydująca

Mallow = min = 14,7 kN·m (krawędź dolna)

Odpowiedź

Mallow = 14,7 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics