Статика: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (12) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Векторы: скалярное и векторное произведения

Модуль
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Единичный вектор
û = a/|a|
Компоненты по углу
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Скалярное произведение
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Скалярная проекция a на b
a·b/|b|
Работа
W = F·d
Векторное произведение
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Площади
параллелограмм |a × b|, треугольник ½|a × b|
Момент относительно O
MO = r × F, r = A − O
Объём параллелепипеда
V = |a·(b × c)|

Метод

  1. Записывайте каждый вектор в компонентах; для силы, заданной модулем и углом, используйте F·cos θ и F·sin θ.
  2. Для длин и направлений используйте модуль √(x² + y² + z²) и единичный вектор a/|a|.
  3. Скалярное произведение применяйте для углов, проекций, перпендикулярности и работы: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Векторное произведение применяйте для перпендикулярных векторов, площадей и моментов: аккуратно записывайте три компоненты, сохраняя порядок a × b.

Опорные реакции балок

Равновесие
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Равномерная нагрузка
равнодействующая w·L в середине нагрузки
Момент
M = F·d

Метод

  1. Нарисуйте расчётную схему и замените каждую опору её реакциями.
  2. Замените каждую распределённую нагрузку одной силой, приложенной в её центре тяжести.
  3. Возьмите моменты относительно одной опоры, чтобы найти реакцию другой.
  4. Найдите оставшуюся реакцию из ΣFy = 0 и проверьте вторым уравнением моментов.

Ферма: метод вырезания узлов

Метод вырезания узлов
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Метод сечений
ΣM = 0 about a cut point
Усилие в стержне
положительное = растяжение, отрицательное = сжатие

Метод

  1. Найдите опорные реакции для всей фермы.
  2. Метод вырезания узлов: начните с узла, где не более двух неизвестных усилий, и используйте ΣFx = 0 и ΣFy = 0.
  3. Метод сечений: рассеките нужный стержень и возьмите моменты относительно точки, где пересекаются остальные неизвестные стержни.
  4. Предполагайте растяжение; отрицательный ответ означает сжатие.

Рамы и механизмы

Равновесие каждого элемента
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Двухсиловой элемент
сила направлена вдоль прямой, проходящей через два его шарнира
Сила в шарнире
равны по модулю и противоположны по направлению на двух соединяемых ими элементах
Модуль силы в шарнире
F = √(Fx² + Fy²)
Рычаг, плоскогубцы, угловой рычаг
Fin·a = Fout·b
Коленно-рычажный механизм
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Равномерная нагрузка
равнодействующая w·L в середине нагрузки

Метод

  1. Нарисуйте всю конструкцию и найдите опорные реакции, если неизвестных не больше трёх.
  2. Найдите двухсиловые элементы: они нагружены только в двух шарнирах, поэтому их сила направлена вдоль прямой между шарнирами.
  3. Разберите раму на части и нарисуйте каждый элемент отдельно, с равными и противоположными силами в шарнирах в местах соединения элементов.
  4. Для каждого элемента возьмите моменты относительно шарнира с неизвестными силами, затем используйте ΣFx = 0 и ΣFy = 0; составляющие объедините в модуль в конце.

Поперечная сила и изгибающий момент

Поперечная сила и момент
V = ΣF с одной стороны, M = ΣF·d с одной стороны
Напряжение изгиба
σ = M·y/I
Прямоугольник
I = bh³/12
Момент сопротивления сечения
W = I/ymax
Шарнирно опёртая, равномерная нагрузка
Mmax = wL²/8

Метод

  1. Найдите опорные реакции из равновесия всей балки.
  2. Рассеките балку в нужном сечении и оставьте одну часть.
  3. Поперечная сила: сумма вертикальных сил на этой части. Изгибающий момент: сумма их моментов относительно сечения.
  4. Чтобы найти максимальный момент, найдите сечение, где поперечная сила равна нулю.

Центр тяжести и момент инерции

Центр тяжести
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Прямоугольник
I = bh³/12
Теорема о параллельном переносе осей
I = Ic + A·d²
Составное сечение
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

2Тренировочные задачи

1.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя
xyzdFAB

Постоянная сила F = (10, −30, −30) N действует на тело, которое движется по прямой из точки A(4, −3, −4) в точку B(1, 3, −4). Координаты даны в метрах. Найдите работу W этой силы.

F = (10, −30, −30) NA(4, −3, −4) mB(1, 3, −4) m
W = J
2.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzab

Для a = (6, 5, 6) и b = (−6, 1, 0) найдите y-компоненту (a × b)y векторного произведения a × b.

a = (6, 5, 6)b = (−6, 1, 0)
(a × b)y =
3.Опорные реакции балокСредняя
P1​ = 55 kNP2​ = 20 kNABRA​ = ?RB​2 m3 m1 m

Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RA.

L = 6 mP1 = 55 kN в 2 mP2 = 20 kN в 5 m
RA = kN
4.Опорные реакции балокСложная
w = 5 kN/mP = 60 kNABRA​ = ?RB​1 m1 m1 m1 m

Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RA.

L = 4 mP = 60 kN в 2 mw = 5 kN/m от 1 до 3 m
RA = kN
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
ABBCACACB50 kN8 m6 m2 m

Методом вырезания узлов найдите усилие FBC в стержне BC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.

пролёт = 8 mвысота = 2 mB на расстоянии 6 m от Aвертикальная нагрузка = 50 kN
FBC = kN
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
ABBCACACB10 kN25 kN8 m7 m2 m

Методом вырезания узлов найдите усилие FBC в стержне BC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.

пролёт = 8 mвысота = 2 mB на расстоянии 7 m от Aвертикальная нагрузка = 10 kNгоризонтальная нагрузка = 25 kN ←
FBC = kN
7.Рамы и механизмыСредняя
6 kN2,4 m1,2 m1,3 mABCDE

A-образная рама на рисунке стоит на шарнире в A и катке в B на расстоянии 2,4 m друг от друга. Ножки сходятся в шарнире C на высоте 2,5 m, а горизонтальная затяжка DE находится на 1,2 m над землёй. В точке C действует нагрузка 6 kN. Найдите модуль силы C, с которой шарнир C действует на ножку BC.

P = 6 kNAB = 2,4 mвысота C = 2,5 mвысота DE = 1,2 m
C = kN
8.Рамы и механизмыСложная
w = 1,5 kN/m15 kN1 m0,5 m0,5 mABCD

Балка AB показанного настенного кронштейна закреплена шарниром в A и подпёрта стойкой CD (C находится на 0,5 m ниже A). Балка несёт равномерную нагрузку 1,5 kN/m по всей длине и сосредоточенную нагрузку 15 kN на свободном конце B. Найдите силу FCD в стойке.

w = 1,5 kN/mP = 15 kNAD = 1 mAB = 1,5 mAC = 0,5 m
FCD = kN
9.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
6 kN/m15 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

Отметки от A до G делят балку на шесть равных частей. В какой отметке изгибающий момент наибольший по величине, положительный или отрицательный? Нажмите на неё на схеме.

15 kN @ 5 m6 kN/m, 0–4 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
10.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
15 kN25 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

Отметки от A до G делят балку на шесть равных частей. В какой отметке изгибающий момент наибольший по величине, положительный или отрицательный? Нажмите на неё на схеме.

15 kN @ 12 m25 kN @ 4 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)
11.Центр тяжести и момент инерцииСредняя
140140t = 12ȳ = ?размеры в mm

Швеллер расположен открытой стороной вверх: стенка-основание шириной 140 mm с двумя вертикальными полками полной высотой 140 mm. Толщина основания и полок 12 mm. Найдите высоту ȳ центра тяжести над нижней кромкой.

b = 140 mmh = 140 mmt = 12 mm
ȳ = mm
12.Центр тяжести и момент инерцииСложная
11022020340228xразмеры в mm

Сварной двутавр имеет верхнюю полку 110 × 20 mm, стенку высотой 340 mm и толщиной 8 mm и нижнюю полку 220 × 22 mm (ширина × толщина). Найдите его момент инерции Ix относительно горизонтальной оси x, проходящей через центр тяжести.

верхняя полка: 110 × 20 mmстенка: 8 × 340 mmнижняя полка: 220 × 22 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Растворы

1.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: W = −210 J

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.

Перемещение

d = B − A = (1, 3, −4) − (4, −3, −4) = (−3, 6, 0) m

Работа

W = F·d = 10·(−3) + (−30)·6 + (−30)·0 = −210 J

Ответ

W = −210 J

Отрицательная работа: сила действует в основном против движения.

2.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: (a × b)y = −36

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.

Векторное произведение по компонентам

(a × b)x = aybz − azby = 5·0 − 6·1 = −6
(a × b)y = azbx − axbz = 6·(−6) − 6·0 = −36
(a × b)z = axby − aybx = 6·1 − 5·(−6) = 36

Искомая компонента

(a × b)y = −36

Ответ

(a × b)y = −36

Проверка: a × b перпендикулярно обоим векторам, поэтому его скалярные произведения с a и с b равны нулю.

3.Опорные реакции балок

Ответ: RA = 40 kN

Статическое равновесие: для покоящегося тела ΣFx = 0, ΣFy = 0 и ΣM = 0 относительно любой точки. Моменты относительно одной опоры исключают её реакцию из уравнения.

P1​ = 55 kNP2​ = 20 kNABRA​RB​2 m3 m1 m

Расчётная схема

Замените опоры силами реакции. Подвижная опора даёт одну вертикальную реакцию; если нагрузки только вертикальные, неподвижная шарнирная опора тоже даёт одну вертикальную реакцию.

Равновесие

Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки. Затем равновесие вертикальных сил.

ΣMA = 0: RB·6 = 55·2 + 20·5
RB = 210/6 = 35 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 35 = 40 kN

Ответ

RA = 40 kN
4.Опорные реакции балок

Ответ: RA = 35 kN

Статическое равновесие: для покоящегося тела ΣFx = 0, ΣFy = 0 и ΣM = 0 относительно любой точки. Моменты относительно одной опоры исключают её реакцию из уравнения.

w = 5 kN/mP = 60 kNABRA​RB​1 m1 m1 m1 m

Расчётная схема

Замените опоры силами реакции. Подвижная опора даёт одну вертикальную реакцию; если нагрузки только вертикальные, неподвижная шарнирная опора тоже даёт одну вертикальную реакцию.

Равновесие

Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки. Затем равновесие вертикальных сил.

Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 5·2 = 10 kN, приложена в x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 60·2 + 5·2·2
RB = 140/4 = 35 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 35 = 35 kN

Ответ

RA = 35 kN
5.Ферма: метод вырезания узлов

Ответ: FBC = −53,03 kN

Метод вырезания узлов: каждый узел фермы находится в равновесии, поэтому в каждом узле ΣFx = 0 и ΣFy = 0. Начните с узла, где не больше двух неизвестных усилий. Отрицательный результат означает, что стержень сжат.

ABBCACACB50 kNAy​Cy​

Опорные реакции

Равновесие всей фермы. Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки.

ΣMA = 0: Cy·8 = 50·6 → Cy = 37,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 37,5 = 12,5 kN

Узел C

Подвижная опора даёт только вертикальную реакцию, поэтому в узле C всего два неизвестных усилия в стержнях. Предположите, что оба растянуты.

sin γ = 2/2,828 = 0,7071, cos γ = 2/2,828 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −37,5/0,7071 = −53,03 kN

Ответ

FBC = −53,03 kN (сжатие)
6.Ферма: метод вырезания узлов

Ответ: FBC = −2,795 kN

Метод вырезания узлов: каждый узел фермы находится в равновесии, поэтому в каждом узле ΣFx = 0 и ΣFy = 0. Начните с узла, где не больше двух неизвестных усилий. Отрицательный результат означает, что стержень сжат.

ABBCACACB10 kN25 kNAy​Cy​Ax​

Опорные реакции

Равновесие всей фермы. Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки.

ΣMA = 0: Cy·8 = 10·7 − 25·2 → Cy = 2,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 2,5 = 7,5 kN
ΣFx = 0: Ax = 25 kN

Узел C

Подвижная опора даёт только вертикальную реакцию, поэтому в узле C всего два неизвестных усилия в стержнях. Предположите, что оба растянуты.

sin γ = 2/2,236 = 0,8944, cos γ = 1/2,236 = 0,4472
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −2,5/0,8944 = −2,795 kN

Ответ

FBC = −2,795 kN (сжатие)
7.Рамы и механизмы

Ответ: C = 4,083 kN

Рамы и механизмы: в отличие от фермы, рама содержит хотя бы один элемент, который воспринимает силы более чем в двух точках или нагрузку между шарнирами. Сначала найдите двухсиловые элементы: у элемента, нагруженного только в двух шарнирах, сила направлена вдоль прямой через них, поэтому он добавляет одну неизвестную, а не две. Затем используйте всю конструкцию для опорных реакций, если неизвестных не больше трёх. Наконец, разберите раму: нарисуйте каждый элемент отдельно, с равными и противоположными силами в шарнирах на двух соединяемых ими элементах, и запишите для него ΣFx = 0, ΣFy = 0 и ΣM = 0. Моменты относительно шарнира исключают из уравнения обе составляющие силы в этом шарнире.

Сила в затяжке из ножки BC

By = 3 kN
T = 3·1,2/1,3 = 2,769 kN

Составляющие силы в шарнире на BC

Cx = T = 2,769 kN, Cy = −By = −3 kN

Модуль

C = √(2,769² + 3²) = 4,083 kN

Ответ

C = 4,083 kN
8.Рамы и механизмы

Ответ: FCD = 54,08 kN

Рамы и механизмы: в отличие от фермы, рама содержит хотя бы один элемент, который воспринимает силы более чем в двух точках или нагрузку между шарнирами. Сначала найдите двухсиловые элементы: у элемента, нагруженного только в двух шарнирах, сила направлена вдоль прямой через них, поэтому он добавляет одну неизвестную, а не две. Затем используйте всю конструкцию для опорных реакций, если неизвестных не больше трёх. Наконец, разберите раму: нарисуйте каждый элемент отдельно, с равными и противоположными силами в шарнирах на двух соединяемых ими элементах, и запишите для него ΣFx = 0, ΣFy = 0 и ΣM = 0. Моменты относительно шарнира исключают из уравнения обе составляющие силы в этом шарнире.

Равнодействующая равномерной нагрузки

w·L = 1,5·1,5 = 2,25 kN в 0,75 m

Моменты относительно A для балки

FCD·0,4472·1 = 2,25·0,75 + 15·1,5 = 24,19 kN·m
FCD = 54,08 kN

Ответ

FCD = 54,08 kN
9.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: D (x = 3 m)

Наибольший изгибающий момент: наклон M меняется там, где меняется поперечная сила, поэтому его пики находятся там, где поперечная сила проходит через нуль: под сосредоточенной силой, внутри распределённой нагрузки или над опорой консольного свеса. В жёсткой заделке консоли момент наибольший у стены. Сравните величину M в этих местах, положительную или отрицательную.

Опорные реакции

Возьмите моменты относительно одной опоры, затем используйте баланс вертикальных сил.

R1 = 18,5 kN, R2 = 20,5 kN

Изгибающий момент в каждой отметке

Сложите моменты всех сил по одну сторону от сечения. Прогибающий (растягивающий нижние волокна) момент положителен, выгибающий вверх — отрицателен.

MA = 0, MB = 15,5, MC = 25, MD = 28,5 kN·m, ME = 26, MF = 20,5, MG = 0

Ответ

Отметка D: MD = 28,5 kN·m
10.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: E (x = 8 m)

Наибольший изгибающий момент: наклон M меняется там, где меняется поперечная сила, поэтому его пики находятся там, где поперечная сила проходит через нуль: под сосредоточенной силой, внутри распределённой нагрузки или над опорой консольного свеса. В жёсткой заделке консоли момент наибольший у стены. Сравните величину M в этих местах, положительную или отрицательную.

Опорные реакции

Возьмите моменты относительно одной опоры, затем используйте баланс вертикальных сил.

R1 = 5 kN, R2 = 35 kN

Изгибающий момент в каждой отметке

Сложите моменты всех сил по одну сторону от сечения. Прогибающий (растягивающий нижние волокна) момент положителен, выгибающий вверх — отрицателен.

MA = 0, MB = 10, MC = 20, MD = −20, ME = −60 kN·m, MF = −30, MG = 0

Ответ

Отметка E: ME = −60 kN·m
11.Центр тяжести и момент инерции

Ответ: ȳ = 51,25 mm

Составные сечения: разбейте сечение на прямоугольники. Центр тяжести — среднее, взвешенное по площадям: ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Момент инерции относительно центральной оси складывается из собственного bh³/12 каждой части и члена переноса A·d², где d — расстояние от центра тяжести части до общего центра тяжести. Напряжение изгиба σ = M·y/I.

Разбиваем на прямоугольники

Возьмите основание во всю ширину и две полки над ним (высотой h − t), чтобы ничего не учитывать дважды.

основа: A1 = 140·12 = 1680 mm², y1 = 6 mm
две полки: A2 = 2·12·128 = 3072 mm², y2 = 12 + 128/2 = 76 mm

Центр тяжести

ȳ = (1680·6 + 3072·76)/4752 = 51,25 mm

Ответ

ȳ = 51,25 mm
12.Центр тяжести и момент инерции

Ответ: Ix = 232,7 × 10⁶ mm⁴

Составные сечения: разбейте сечение на прямоугольники. Центр тяжести — среднее, взвешенное по площадям: ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Момент инерции относительно центральной оси складывается из собственного bh³/12 каждой части и члена переноса A·d², где d — расстояние от центра тяжести части до общего центра тяжести. Напряжение изгиба σ = M·y/I.

Разбиваем на три прямоугольника

Отсчитывайте каждое y от нижнего края.

верхняя полка: A = 2200 mm², y = 372 mm
стенка: A = 2720 mm², y = 192 mm
нижняя полка: A = 4840 mm², y = 11 mm

Центр тяжести

ȳ = (2200·372 + 2720·192 + 4840·11)/9760 = 142,8 mm

Теорема о параллельном переносе осей

верхняя полка: 110·20³/12 + 2200·229,2² = 1,156 × 10⁸ mm⁴
стенка: 8·340³/12 + 2720·49,18² = 3,278 × 10⁷ mm⁴
нижняя полка: 220·22³/12 + 4840·131,8² = 8,429 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,156 × 10⁸ + 3,278 × 10⁷ + 8,429 × 10⁷
Ix = 2,327 × 10⁸ mm⁴ = 232,7 × 10⁶ mm⁴

Ответ

Ix = 232,7 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics