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 iloczyn skalarny a·b wektorów a = (−4, −3, 0) i b = (−5, −7, 1).

a = (−4, −3, 0)b = (−5, −7, 1)
a·b =
2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowyTrudny
xyzab

Dla a = (2, −4, 2) i b = (0, 4, −4) znajdź składową x, czyli (a × b)x, iloczynu wektorowego a × b.

a = (2, −4, 2)b = (0, 4, −4)
(a × b)x =
3.Reakcje podpór belekŚredni
P1​ = 20 kNP2​ = 50 kNABRA​ = ?RB​2 m5 m3 m

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

L = 10 mP1 = 20 kN w 2 mP2 = 50 kN w 7 m
RA = kN
4.Reakcje podpór belekTrudny
w0​ = 6 kN/mP = 55 kNABMA​ = ?4 m

Wspornik jest utwierdzony w ścianie w A. Przenosi obciążenie liniowo zmienne o wartości zero przy ścianie, rosnące do 6 kN/m na swobodnym końcu B, oraz siłę skupioną P w odległości 4 m od ściany. Wyznacz wartość momentu utwierdzenia MA w ścianie.

L = 4 mw0 = 6 kN/mP = 55 kN w 4 m
MA = kN·m
5.Kratownica: równoważenie węzłówŚredni
ABBCACACB50 kN8 m1 m2 m

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

rozpiętość = 8 mwysokość = 2 mB jest 1 m od Aobciążenie pionowe = 50 kN
FAB = kN
6.Kratownica: równoważenie węzłówTrudny
ABBCACACB10 kN30 kN4 m3 m4 m

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

rozpiętość = 4 mwysokość = 4 mB jest 3 m od Aobciążenie pionowe = 10 kNobciążenie poziome = 30 kN ←
FAB = kN
7.Ramy i maszynyŚredni
12 kN3,2 m1 m3,5 m0,8 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 4,5 m i poziomym ściągiem DE 1 m nad podłożem. Na nogę AC w punkcie K, w odległości 0,8 m (w poziomie) od A, działa pionowe obciążenie 12 kN. Wyznacz siłę rozciągającą T w ściągu.

P = 12 kNAB = 3,2 mwysokość C = 4,5 mwysokość DE = 1 modległość pozioma od A do K = 0,8 m
T = kN
8.Ramy i maszynyTrudny
w = 1,5 kN/m2 kN1,6 m1,4 m0,75 mABCD

Belka AB pokazanego wspornika ściennego jest zamocowana przegubowo w A i podparta rozpórką CD (C leży 0,75 m poniżej A). Belka niesie obciążenie ciągłe 1,5 kN/m na całej długości oraz obciążenie skupione 2 kN na swobodnym końcu B. Wyznacz siłę FCD w rozpórce.

w = 1,5 kN/mP = 2 kNAD = 1,6 mAB = 3 mAC = 0,75 m
FCD = kN
9.Siła tnąca i moment zginającyŚredni
w = 10 kN/mABprzekrój5 m1 m

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

L = 6 mw = 10 kN/m od 0 do 6 mx = 5 m
Mx = kN·m
10.Siła tnąca i moment zginającyTrudny
w = 4 kN/mP = 80 kNAB4 m2 m

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

L = 6 mP = 80 kN w 4 mw = 4 kN/m od 0 do 6 m
Mmax = kN·m
11.Środek ciężkości i moment bezwładnościŚredni
1001526016xwymiary w mm

Wyznacz moment bezwładności Ix przekroju teowego względem poziomej osi x przechodzącej przez jego środek ciężkości.

bf = 100 mmtf = 15 mmtw = 16 mmhw = 260 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładnościTrudny
110300123702410xwymiary w mm

Spawany dwuteownik ma półkę górną 110 × 12 mm, środnik o wysokości 370 mm i grubości 10 mm oraz półkę dolną 300 × 24 mm (szerokość × grubość). Wyznacz jego moment bezwładności Ix względem poziomej osi x przechodzącej przez środek ciężkości.

półka górna: 110 × 12 mmśrodnik: 10 × 370 mmpółka dolna: 300 × 24 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Roztwory

1.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: a·b = 41

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.

Pomnóż odpowiadające sobie składowe i dodaj

a·b = (−4)·(−5) + (−3)·(−7) + 0·1 = 20 + 21 + 0 = 41

Odpowiedź

a·b = 41

Dodatni: kąt między wektorami jest mniejszy niż 90°.

2.Wektory: iloczyn skalarny i wektorowy

Odpowiedź: (a × b)x = 8

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, składowa po składowej

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

Żądana składowa

(a × b)x = 8

Odpowiedź

(a × b)x = 8

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 = 31 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​ = 20 kNP2​ = 50 kNABRA​RB​2 m5 m3 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 = 20·2 + 50·7
RB = 390/10 = 39 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 39 = 31 kN

Odpowiedź

RA = 31 kN
4.Reakcje podpór belek

Odpowiedź: MA = 252 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 trójkątnego

W = ½·6·4 = 12 kN
x̄ = 2L/3 = 2,667 m

Moment względem ściany

MA = W·x̄ + P·a = 12·2,667 + 55·4 = 252 kN·m

Odpowiedź

MA = 252 kN·m
5.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: FAB = −48,91 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.

ABBCACACB50 kNAy​Cy​

Reakcje podpór

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 50·1 → Cy = 6,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 6,25 = 43,75 kN

Węzeł A

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

sin α = 2/2,236 = 0,8944
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −43,75/0,8944 = −48,91 kN

Odpowiedź

FAB = −48,91 kN (ściskanie)
6.Kratownica: równoważenie węzłów

Odpowiedź: FAB = −40,63 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 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Reakcje podpór

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 10·3 − 30·4 → Cy = −22,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − −22,5 = 32,5 kN
ΣFx = 0: Ax = 30 kN

Węzeł A

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

sin α = 4/5 = 0,8
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −32,5/0,8 = −40,63 kN

Odpowiedź

FAB = −40,63 kN (ściskanie)
7.Ramy i maszyny

Odpowiedź: T = 1,371 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 = 12·0,8/3,2 = 3 kN

Noga BC: momenty względem C

3·1,6 = T·3,5
T = 1,371 kN

Odpowiedź

T = 1,371 kN
8.Ramy i maszyny

Odpowiedź: FCD = 18,78 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.

Wypadkowa obciążenia ciągłego

w·L = 1,5·3 = 4,5 kN w 1,5 m

Momenty względem A dla belki

FCD·0,4244·1,6 = 4,5·1,5 + 2·3 = 12,75 kN·m
FCD = 18,78 kN

Odpowiedź

FCD = 18,78 kN
9.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mx = 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 = 10·6 = 60 kN, przyłożona w x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 10·6·3
RB = 180/6 = 30 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 30 = 30 kN
w = 10 kN/mABRA​ = 30RB​ = 30przekrój5 m1 m

Przetnij w x = 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 = 30·5 − 10·5·2,5 = 25 kN·m

Odpowiedź

Mx = 25 kN·m
10.Siła tnąca i moment zginający

Odpowiedź: Mmax = 122,7 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 = 4·6 = 24 kN, przyłożona w x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 80·4 + 4·6·3
RB = 392/6 = 65,33 kN
ΣFy = 0: RA = 104 − 65,33 = 38,67 kN

Gdzie V = 0?

V(4⁻) = RA − w·4 = 22,67 kN
V(4⁺) = 22,67 − 80 = −57,33 kN
Siła tnąca zmienia znak w obrębie obciążenia, więc maksimum leży pod obciążeniem.

Moment maksymalny

Mmax = RA·4 − w·4²/2 = 38,67·4 − 4·4²/2 = 122,7 kN·m

Odpowiedź

Mmax = 122,7 kN·m

Występuje w x = 4 m od A.

11.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Ix = 44,31 × 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 dwa prostokąty

Mierz każde y od dolnej krawędzi.

półka: Af = 100·15 = 1500 mm², yf = 260 + 15/2 = 267,5 mm
środnik: Aw = 16·260 = 4160 mm², yw = 260/2 = 130 mm

Środek ciężkości

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (1500·267,5 + 4160·130)/5660 = 166,4 mm

Twierdzenie Steinera

półka: 100·15³/12 + 1500·(267,5 − 166,4)² = 1,535 × 10⁷ mm⁴
środnik: 16·260³/12 + 4160·(130 − 166,4)² = 2,896 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,535 × 10⁷ + 2,896 × 10⁷ = 4,431 × 10⁷ mm⁴ = 44,31 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ix = 44,31 × 10⁶ mm⁴
12.Środek ciężkości i moment bezwładności

Odpowiedź: Ix = 258,8 × 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 = 1320 mm², y = 400 mm
środnik: A = 3700 mm², y = 209 mm
półka dolna: A = 7200 mm², y = 12 mm

Środek ciężkości

ȳ = (1320·400 + 3700·209 + 7200·12)/12220 = 113,6 mm

Twierdzenie Steinera

półka górna: 110·12³/12 + 1320·286,4² = 1,083 × 10⁸ mm⁴
środnik: 10·370³/12 + 3700·95,44² = 7,591 × 10⁷ mm⁴
półka dolna: 300·24³/12 + 7200·101,6² = 7,461 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,083 × 10⁸ + 7,591 × 10⁷ + 7,461 × 10⁷
Ix = 2,588 × 10⁸ mm⁴ = 258,8 × 10⁶ mm⁴

Odpowiedź

Ix = 258,8 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics