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 wartość k, dla której wektory a = (−6, −5, 3) i b = (2, k, −2) są prostopadłe.

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

Znajdź pole A równoległoboku rozpiętego na wektorach a = (−6, −6, −3) i b = (−6, −6, 2).

a = (−6, −6, −3)b = (−6, −6, 2)
A =
3.Reakcje podpór belekŚredni
P1​ = 25 kNP2​ = 20 kNABRA​RB​ = ?7 m2 m1 m

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

L = 10 mP1 = 25 kN w 7 mP2 = 20 kN w 9 m
RB = kN
4.Reakcje podpór belekTrudny
w = 12 kN/mP = 60 kNQ = 40 kNADCMA​ = ?2 m1 m5 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 (10 m od A). Przenosi siłę skupioną P w odległości 8 m od A, obciążenie równomiernie rozłożone w na całej części CD i siłę skupioną Q w odległości 2 m od A. Wyznacz wartość momentu utwierdzenia MA w ścianie.

AC = 3 mAD = 10 mP = 60 kN w 8 mw = 12 kN/m od 3 do 10 mQ = 40 kN w 2 m
MA = kN·m
5.Kratownica: równoważenie węzłówŚredni
ABBCACACB30 kN6 m2 m3 m

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

rozpiętość = 6 mwysokość = 3 mB jest 2 m od Aobciążenie pionowe = 30 kN
FBC = kN
6.Kratownica: równoważenie węzłówTrudny
ABBCACACB10 kN5 kN8 m5 m4 m

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

rozpiętość = 8 mwysokość = 4 mB jest 5 m od Aobciążenie pionowe = 10 kNobciążenie poziome = 5 kN →
FBC = kN
7.Ramy i maszynyŚredni
20 kN4,8 m2 m1,6 m1,8 mABCDEK

Pokazana rama A stoi na podporze przegubowej w A i przesuwnej w B, oddalonych o 4,8 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 1,8 m (w poziomie) od A, działa pionowe obciążenie 20 kN. Wyznacz siłę rozciągającą T w ściągu.

P = 20 kNAB = 4,8 mwysokość C = 3,6 mwysokość DE = 2 modległość pozioma od A do K = 1,8 m
T = kN
8.Ramy i maszynyTrudny
15 kN2,4 m1,2 m1,3 m0,9 mABCDEK

Pokazana rama A stoi na podporze przegubowej w A i przesuwnej w B, oddalonych o 2,4 m, z przegubem szczytowym C na wysokości 2,5 m i poziomym ściągiem DE 1,2 m nad podłożem. Na nogę AC w punkcie K, w odległości 0,9 m (w poziomie) od A, działa pionowe obciążenie 15 kN. Wyznacz wartość siły C, z jaką przegub C działa na nogę BC.

P = 15 kNAB = 2,4 mwysokość C = 2,5 mwysokość DE = 1,2 modległość pozioma od A do K = 0,9 m
C = kN
9.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
8 kN/m45 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.

45 kN @ 6 m8 kN/m, 4–8 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 = 6 kN/mP = 60 kNABprzekrój3,5 m2 m0,5 m

Wyznacz moment zginający Mx w przekroju x = 5,5 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 3,5 mw = 6 kN/m od 0 do 6 mx = 5,5 m
Mx = kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
100 mm150 mm60 mmØ30xIx​ = ?

Płyta 100 mm × 150 mm ma okrągły otwór o średnicy 30 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 = 100 mmh = 150 mmd = 30 mmśrodek otworu: y = 60 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
100 mm240 mm144 mm60 × 40xIx​ = ?

Płyta 100 mm × 240 mm ma prostokątne wycięcie o szerokości 60 mm i wysokości 40 mm, umieszczone na pionowej osi symetrii, ze środkiem 144 mm nad dolną krawędzią. Wyznacz moment bezwładności przekroju Ix względem osi poziomej przechodzącej przez środek ciężkości.

b = 100 mmh = 240 mmwycięcie: 60 × 40 mmśrodek otworu: y = 144 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Roztwory

1.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: k = −3,6

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 równa się zero

a·b = (−6)·2 + (−5)·k + 3·(−2) = 0
−18 + (−5)·k = 0

Wyznacz k

k = −(−18)/(−5) = −3,6

Odpowiedź

k = −3,6
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: A = 42,43

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 = (−6)·2 − (−3)·(−6) = −30
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·(−6) − (−6)·2 = 30
(a × b)z = axby − aybx = (−6)·(−6) − (−6)·(−6) = 0

Powierzchnia

A = |a × b| = √((−30)² + 30² + 0²) = 42,43

Odpowiedź

A = 42,43
3.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: RB = 35,5 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.

P1​ = 25 kNP2​ = 20 kNABRA​RB​7 m2 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·10 = 25·7 + 20·9
RB = 355/10 = 35,5 kN
ΣFy = 0: RA = 45 − 35,5 = 9,5 kN

Odpowiedź

RB = 35,5 kN
4.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: MA = 257,4 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.

W = 12·7 = 84 kN w 3,5 m od C
ΣMC = 0: RD·7 = 60·5 + 84·3,5
RD = 84,86 kN
VC = 144 − 84,86 = 59,14 kN

Część AC

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

RA = 40 + 59,14 = 99,14 kN
MA = 40·2 + 59,14·3 = 257,4 kN·m

Odpowiedź

MA = 257,4 kN·m
5.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: FBC = −16,67 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.

ABBCACACB30 kNAy​Cy​

Reakcje podpór

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 30·2 → Cy = 10 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 10 = 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 = 3/5 = 0,6, cos γ = 4/5 = 0,8
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −10/0,6 = −16,67 kN

Odpowiedź

FBC = −16,67 kN (ściskanie)
6.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: FBC = −10,94 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.

ABBCACACB10 kN5 kNAy​Cy​Ax​

Reakcje podpór

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 10·5 + 5·4 → Cy = 8,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 8,75 = 1,25 kN
ΣFx = 0: Ax = −5 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 = 4/5 = 0,8, cos γ = 3/5 = 0,6
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −8,75/0,8 = −10,94 kN

Odpowiedź

FBC = −10,94 kN (ściskanie)
7.Ramy i maszyny

Odpowiedź: T = 11,25 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 = 20·1,8/4,8 = 7,5 kN

Noga BC: momenty względem C

7,5·2,4 = T·1,6
T = 11,25 kN

Odpowiedź

T = 11,25 kN
8.Ramy i maszyny

Odpowiedź: C = 7,655 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 = 15·0,9/2,4 = 5,625 kN

Siła w ściągu

T = 5,625·1,2/1,3 = 5,192 kN

Siła w przegubie na BC

Cx = 5,192 kN, Cy = −5,625 kN
C = √(5,192² + 5,625²) = 7,655 kN

Odpowiedź

C = 7,655 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 = 38,5 kN, R2 = 38,5 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 = 77, MC = 154, MD = 215 kN·m, ME = 154, MF = 77, MG = 0

Odpowiedź

Punkt D: MD = 215 kN·m
10.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mx = 25,75 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 = 6·6 = 36 kN, przyłożona w x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 60·3,5 + 6·6·3
RB = 318/6 = 53 kN
ΣFy = 0: RA = 96 − 53 = 43 kN
w = 6 kN/mP = 60 kNABRA​ = 43RB​ = 53przekrój3,5 m2 m0,5 m

Przetnij w x = 5,5 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 = 43·5,5 − 60·(5,5 − 3,5) − 6·5,5·2,75 = 25,75 kN·m

Odpowiedź

Mx = 25,75 kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Ix = 27,92 × 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 = (15000·75 − 706,9·60)/(15000 − 706,9) = 75,74 mm

Pełna płyta względem ȳ

100·150³/12 + 15000·−0,7418² = 28,13 × 10⁶ mm⁴

Otwór względem ȳ

π·30⁴/64 + 706,9·−15,74² = 0,2149 × 10⁶ mm⁴

Odejmij

Ix = 27,92 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ix = 27,92 × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Ix = 113,3 × 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 = (24000·120 − 2400·144)/(24000 − 2400) = 117,3 mm

Pełna płyta względem ȳ

100·240³/12 + 24000·2,667² = 115,4 × 10⁶ mm⁴

Otwór względem ȳ

60·40³/12 + 2400·26,67² = 2,027 × 10⁶ mm⁴

Odejmij

Ix = 113,3 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ix = 113,3 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics