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

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

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

a = (−5, 3, 5)b = (−3, 1, −3)n̂z > 0
n̂y =
3.Reakcje podpór belekŚredni
w = 8 kN/mP = 50 kNABRA​ = ?6 m1 m1 m

Wspornik jest utwierdzony w ścianie w A. Przenosi obciążenie równomiernie rozłożone w od ściany do 6 m i siłę skupioną P w odległości 7 m od ściany. Wyznacz reakcję pionową RA w ścianie.

L = 8 mP = 50 kN w 7 mw = 8 kN/m od 0 do 6 m
RA = kN
4.Reakcje podpór belekTrudny
P = 25 kN, 30°Q = 10 kNABRA​ = ?2 m7 m1 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 9 m od A pionowa siła Q. Wyznacz wartość całkowitej siły reakcji RA w podporze nieprzesuwnej A.

L = 10 mP = 25 kN w 2 m, θ = 30°Q = 10 kN w 9 m
RA = kN
5.Kratownica: równoważenie węzłówŚredni
ABBCACACB15 kN5 m2 m3 m

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

rozpiętość = 5 mwysokość = 3 mB jest 2 m od Aobciążenie pionowe = 15 kN
FAC = kN
6.Kratownica: równoważenie węzłówTrudny
ABCDEFGH35 kN40 kN25 kN4 × 3 m3 m

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

B: 35 kN ↓D: 40 kN ↓H: 25 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
3 kN1,2 m1,2 m1,2 mABCD

Pozioma belka AB jest przegubowo zamocowana do ściany w A i podparta rozpórką CD, zamocowaną przegubowo do ściany w C, 1,2 m poniżej A. W punkcie B wisi obciążenie 3 kN. Pomiń ciężary. Wyznacz wartość siły A w przegubie działającej na belkę w A.

P = 3 kNAD = 1,2 mAB = 2,4 mAC = 1,2 m
A = kN
8.Ramy i maszynyTrudny
8 kN1 kN5 m2 mABC

Jednorodny poziomy wysięgnik AB o ciężarze 1 kN jest zamocowany przegubowo do ściany w A i utrzymywany liną od B do punktu C na ścianie, 2 m nad A. W punkcie B wisi obciążenie 8 kN. Wyznacz wartość reakcji w sworzniu A.

W = 8 kNWb = 1 kNAB = 5 mAC = 2 m
A = kN
9.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
M0​ = 20 kN·mAB4,5 m1,5 m

Belka swobodnie podparta jest obciążona momentem skupionym M0 = 20 kN·m działającym zgodnie z ruchem wskazówek zegara w x = 4,5 m od A i niczym więcej. Wyznacz moment zginający Mx tuż na lewo od momentu skupionego. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.

L = 6 mM0 = 20 kN·m zgodnie z ruchem wskazówek zegara, w odległości 4,5 m
Mx = kN·m
10.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
w = 2 kN/mP = 60 kNABprzekrój1,5 m2 m2,5 m

Wyznacz moment zginający Mx w przekroju x = 3,5 m od podpory A. Przyjmij dodatnie momenty rozciągające dolne włókna i dodatnią siłę tnącą skierowaną w górę na lewej ściance.

L = 6 mP = 60 kN w 1,5 mw = 2 kN/m od 0 do 6 mx = 3,5 m
Mx = kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
xD = 70d = 62wymiary w mm

Rura okrągła ma średnicę zewnętrzną D = 70 mm i średnicę wewnętrzną d = 62 mm. Wyznacz promień bezwładności r przekroju względem poziomej osi centralnej.

D = 70 mmd = 62 mm
r = mm
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
200153008xujemny Mwymiary w mm

Belka żeliwna ma pokazany przekrój teowy z półką u góry. Naprężenia dopuszczalne wynoszą 50 MPa przy rozciąganiu i 100 MPa przy ściskaniu. Wyznacz największy ujemny moment zginający Mallow, jaki może przenieść belka (podaj jego wartość bezwzględną).

bf = 200 mmtf = 15 mmtw = 8 mmhw = 300 mmσt,allow = 50 MPaσc,allow = 100 MPa
Mallow = kN·m

3Roztwory

1.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: θ = 139,8 °

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)·3 + (−1)·2 + (−2)·1 = −7

Długości

|a| = √((−1)² + (−1)² + (−2)²) = 2,449
|b| = √(3² + 2² + 1²) = 3,742

Kąt

cos θ = −7/(2,449·3,742) = −0,7638
θ = arccos(−0,7638) = 139,8°

Odpowiedź

θ = 139,8°
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: n̂y = −0,8996

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 = 3·(−3) − 5·1 = −14
(a × b)y = azbx − axbz = 5·(−3) − (−5)·(−3) = −30
(a × b)z = axby − aybx = (−5)·1 − 3·(−3) = 4

Normalizacja

Składowa z wektora a × b jest już dodatnia.

|a × b| = √((−14)² + (−30)² + 4²) = 33,35
n̂ = (−14, −30, 4)/33,35 = (−0,4198, −0,8996, 0,12)
n̂y = −0,8996

Odpowiedź

n̂y = −0,8996
3.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RA = 98 kN

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 = 8·6 = 48 kN, x̄ = 3 m

Równowaga sił pionowych

RA = P + W = 50 + 48 = 98 kN

Odpowiedź

RA = 98 kN
4.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RA = 24,28 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 = 25·sin 30° = 12,5 kN
Ph = 25·cos 30° = 21,65 kN

Reakcje

ΣMA = 0: RB·10 = 12,5·2 + 10·9 → RB = 11,5 kN
Ay = 12,5 + 10 − 11,5 = 11 kN
Ax = Ph = 21,65 kN

Wypadkowa w A

RA = √(21,65² + 11²) = 24,28 kN

Odpowiedź

RA = 24,28 kN
5.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: FAC = 6 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.

ABBCACACB15 kNAy​Cy​

Reakcje podpór

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 15·2 → Cy = 6 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 6 = 9 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 = 3/4,243 = 0,7071, cos γ = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −6/0,7071 = −8,485 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−8,485)·0,7071 = 6 kN

Odpowiedź

FAC = 6 kN (rozciąganie)
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: 17,5 kN (T), BC: 25 kN (T), CD: 25 kN (T), DE: 32,5 kN (T), FG: 42,5 kN (C), GH: 57,5 kN (C), AF: 60,1 kN (C), HE: 45,96 kN (C), BF: 42,5 kN (T), CG: 0, DH: 32,5 kN (T), BG: 10,61 kN (C), DG: 10,61 kN (T)

Odpowiedź

Pręt zerowy: CG
7.Ramy i maszyny

Odpowiedź: A = 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 rozpórce

FCD = 3·2,4/(0,7071·1,2) = 8,485 kN

Składowe w A

Ax = FCD·cos α = 6 kN (w stronę ściany)
Ay = 3 − FCD·sin α = −3 kN

Długość

A = √(6² + −3²) = 6,708 kN

Odpowiedź

A = 6,708 kN

Ujemne Ay oznacza, że ściana ciągnie belkę w dół w punkcie A.

8.Ramy i maszyny

Odpowiedź: A = 21,26 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 linie

T = (8 + 1/2)/0,3714 = 22,89 kN

Składowe w A

Ax = T·cos β = 21,25 kN
Ay = 8 + 1 − T·sin β = 0,5 kN

Długość

A = √(21,25² + 0,5²) = 21,26 kN

Odpowiedź

A = 21,26 kN
9.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mx = −15 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. Przyłożony moment skupiony powoduje skok na wykresie momentów zginających o wartość tego momentu.

Reakcje podpór

Momenty względem A, przeciwnie do ruchu wskazówek zegara dodatnie: RB·L − M0 = 0. Równowaga pionowa: RA + RB = 0.

RB = M0/L = 20/6 = 3,333 kN (w górę)
RA = −RB = −3,333 kN (w dół)

Przekrój tuż na lewo od momentu skupionego

Lewa część zawiera tylko RA.

Mx = RA·a = −3,333·4,5 = −15 kN·m

Odpowiedź

Mx = −15 kN·m
10.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mx = 46,25 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 = 60·1,5 + 2·6·3
RB = 126/6 = 21 kN
ΣFy = 0: RA = 72 − 21 = 51 kN
w = 2 kN/mP = 60 kNABRA​ = 51RB​ = 21przekrój1,5 m2 m2,5 m

Przetnij w x = 3,5 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 = 51·3,5 − 60·(3,5 − 1,5) − 2·3,5·1,75 = 46,25 kN·m

Odpowiedź

Mx = 46,25 kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: r = 23,38 mm

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. Promień bezwładności r = √(I/A) to odległość, w której całe pole dawałoby ten sam moment I; stosuje się go przy wyboczeniu słupów.

Pole netto i moment bezwładności netto

A = π(D² − d²)/4 = 829,4 mm²
I = π(D⁴ − d⁴)/64 = 453256 mm⁴

Promień bezwładności

r = √(I/A) = √(453256/829,4) = 23,38 mm

Odpowiedź

r = 23,38 mm
12.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Mallow = 21,53 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 = (3000·307,5 + 2400·150)/5400 = 237,5 mm
krawędź górna: c = 315 − 237,5 = 77,5 mm

Moment bezwładności przekroju

I = 200·15³/12 + 3000·70² + 8·300³/12 + 2400·87,5² = 5,113 × 10⁷ mm⁴

Moment dopuszczalny dla każdej krawędzi

Moment ujemny: góra jest rozciągana, dół ściskany.

krawędź górna: M = 50·5,113 × 10⁷/77,5 = 32,99 kN·m
krawędź dolna: M = 100·5,113 × 10⁷/237,5 = 21,53 kN·m

Wartość decydująca

Mallow = min = 21,53 kN·m (krawędź dolna)

Odpowiedź

Mallow = 21,53 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics