Метод вырезания узлов: начните с узла, где не более двух неизвестных усилий, и используйте ΣFx = 0 и ΣFy = 0.
Метод сечений: рассеките нужный стержень и возьмите моменты относительно точки, где пересекаются остальные неизвестные стержни.
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
Нарисуйте всю конструкцию и найдите опорные реакции, если неизвестных не больше трёх.
Найдите двухсиловые элементы: они нагружены только в двух шарнирах, поэтому их сила направлена вдоль прямой между шарнирами.
Разберите раму на части и нарисуйте каждый элемент отдельно, с равными и противоположными силами в шарнирах в местах соединения элементов.
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
Найдите опорные реакции из равновесия всей балки.
Рассеките балку в нужном сечении и оставьте одну часть.
Поперечная сила: сумма вертикальных сил на этой части. Изгибающий момент: сумма их моментов относительно сечения.
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
Найдите угол θ между векторами a = (5, 3, −4) и b = (3, −2, −5) в градусах.
a = (5, 3, −4)b = (3, −2, −5)
θ = °
2.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Найдите объём V параллелепипеда, рёбра которого из одной вершины равны a = (3, 2, 1), b = (2, 0, 4) и c = (−3, −1, −4).
a = (3, 2, 1)b = (2, 0, 4)c = (−3, −1, −4)
V =
3.Опорные реакции балокСредняя
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RB.
L = 5 mP1 = 20 kN в 1,5 mP2 = 40 kN в 3,5 m
RB = kN
4.Опорные реакции балокСложная
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. На расстоянии 1,5 m от A действует сила P, наклонённая под углом 45° к горизонтали, а на расстоянии 4,5 m от A — вертикальная сила Q. Найдите величину полной силы реакции RA в шарнире A.
L = 6 mP = 15 kN в 1,5 m, θ = 45°Q = 35 kN в 4,5 m
RA = kN
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Ровно один элемент этой фермы не несёт усилия при данных нагрузках. Какой это нулевой элемент? Нажмите на него на схеме.
B: 10 kN ↓D: 40 kN ↓F: 40 kN ↓
1элемент AB
2элемент BC
3элемент CD
4элемент DE
5элемент FG
6элемент GH
7элемент AF
8элемент HE
9элемент BF
10элемент CG
11элемент DH
12элемент FC
13элемент HC
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
Ровно один элемент этой фермы не несёт усилия при данных нагрузках. Какой это нулевой элемент? Нажмите на него на схеме.
B: 15 kN ↓D: 20 kN ↓F: 10 kN →H: 15 kN ↓
1элемент AB
2элемент BC
3элемент CD
4элемент DE
5элемент FG
6элемент GH
7элемент AF
8элемент HE
9элемент BF
10элемент CG
11элемент DH
12элемент BG
13элемент DG
7.Рамы и механизмыСредняя
A-образная рама на рисунке стоит на шарнире в A и катке в B на расстоянии 4,8 m друг от друга, её верхний шарнир C находится на высоте 2 m, а горизонтальная затяжка DE — на 0,6 m над землёй. Вертикальная нагрузка 4 kN действует на ножку AC в точке K на расстоянии 1,8 m (по горизонтали) от A. Найдите натяжение T в затяжке.
P = 4 kNAB = 4,8 mвысота C = 2 mвысота DE = 0,6 mгоризонтальное расстояние от A до K = 1,8 m
T = kN
8.Рамы и механизмыСложная
Коленно-рычажный пресс имеет два равных звена AB и BC длиной 150 mm между шарнирами каждое. Шарнир B находится на 12 mm выше прямой AC. Какая направленная вниз сила F в точке B создаёт горизонтальную силу прессования 4000 N на ползуне C? Трением и весом пренебрегите.
Q = 4000 NAB = BC = 150 mmh = 12 mm
F = N
9.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
Найдите изгибающий момент Mx в сечении x = 2,5 m от опоры A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 10 mw = 4 kN/m от 0 до 10 mx = 2,5 m
Mx = kN·m
10.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
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.
20 kN @ 0 m30 kN @ 12 m30 kN @ 4 m
1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)
11.Центр тяжести и момент инерцииСредняя
Найдите момент инерции Ix таврового сечения относительно горизонтальной оси x, проходящей через центр тяжести.
bf = 260 mmtf = 20 mmtw = 8 mmhw = 140 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Центр тяжести и момент инерцииСложная
Тавровое сечение работает как балка с полкой сверху и воспринимает положительный изгибающий момент 15 kN·m. Найдите напряжение изгиба σниз на нижнем крае.
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.
Скалярное произведение
a·b = 5·3 + 3·(−2) + (−4)·(−5) = 29
Модули
|a| = √(5² + 3² + (−4)²) = 7,071
|b| = √(3² + (−2)² + (−5)²) = 6,164
Угол
cos θ = 29/(7,071·6,164) = 0,6653
θ = arccos(0,6653) = 48,29°
Ответ
θ = 48,29°
2.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: V = 2
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 b × c
(b × c)x = bycz − bzcy = 0·(−4) − 4·(−1) = 4
(b × c)y = bzcx − bxcz = 4·(−3) − 2·(−4) = −4
(b × c)z = bxcy − bycx = 2·(−1) − 0·(−3) = −2
Скалярное произведение с a
a·(b × c) = 3·4 + 2·(−4) + 1·(−2) = 2
V = |2| = 2
Ответ
V = 2
3.Опорные реакции балок
Ответ: RB = 34 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.
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·5 = 20·1,5 + 40·3,5
RB = 170/5 = 34 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 34 = 26 kN
Ответ
RB = 34 kN
4.Опорные реакции балок
Ответ: RA = 19,79 kN
Статическое равновесие: для покоящегося тела ΣFx = 0, ΣFy = 0 и ΣM = 0 относительно любой точки. Замените каждую распределённую нагрузку её равнодействующей (площадью эпюры нагрузки), приложенной в центре тяжести эпюры, и составьте уравнение моментов относительно опоры, чтобы исключить её реакцию.
Составляющие P
Pv = 15·sin 45° = 10,61 kN
Ph = 15·cos 45° = 10,61 kN
Реакции
ΣMA = 0: RB·6 = 10,61·1,5 + 35·4,5 → RB = 28,9 kN
Ay = 10,61 + 35 − 28,9 = 16,7 kN
Ax = Ph = 10,61 kN
Равнодействующая реакция в A
RA = √(10,61² + 16,7²) = 19,79 kN
Ответ
RA = 19,79 kN
5.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: элемент CG
Нулевые элементы: в узле силы должны уравновешиваться по всем направлениям. Если в узле нет нагрузки и опоры, а два из трёх его элементов лежат на одной прямой, то баланс поперёк этой прямой включает только третий элемент, поэтому его усилие равно нулю. Если в ненагруженном узле сходятся только два элемента и они не лежат на одной прямой, оба равны нулю.
Узел G
FG и GH лежат на одной прямой, и узел не нагружен. Баланс сил поперёк этой прямой оставляет только CG.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
Проверка методом вырезания узлов
Расчёт всех узлов даёт эти усилия в элементах (T = растяжение, C = сжатие).
Нулевые элементы: в узле силы должны уравновешиваться по всем направлениям. Если в узле нет нагрузки и опоры, а два из трёх его элементов лежат на одной прямой, то баланс поперёк этой прямой включает только третий элемент, поэтому его усилие равно нулю. Если в ненагруженном узле сходятся только два элемента и они не лежат на одной прямой, оба равны нулю.
Узел C
BC и CD лежат на одной прямой, и узел не нагружен. Баланс сил поперёк этой прямой оставляет только CG.
ΣF⊥ = 0 → FCG = 0
Проверка методом вырезания узлов
Расчёт всех узлов даёт эти усилия в элементах (T = растяжение, C = сжатие).
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.
Вся рама: моменты относительно A
By = 4·1,8/4,8 = 1,5 kN
Ножка BC: моменты относительно C
1,5·2,4 = T·1,4
T = 2,571 kN
Ответ
T = 2,571 kN
8.Рамы и механизмы
Ответ: F = 642,1 N
Механизмы: плоскогубцы, рычаги, шарнирные системы и зажимы преобразуют входную силу в большую или иначе направленную выходную. Нарисуйте одну часть как свободное тело и возьмите моменты относительно её оси: сила в шарнире выпадает, а Fin·a = Fout·b даёт выигрыш в силе a/b. Сила в шарнире затем следует из ΣF = 0 для той же части. В коленно-рычажном механизме два звена сходятся под малым углом θ; каждое звено — двухсиловой элемент, поэтому малая сила F в узле создаёт большие силы в звеньях F/(2 sin θ) и зажимную силу F/(2 tan θ).
Угол звена
sin θ = 12/150 = 0,08, θ = 4,589°
Сила в звене
Flink = Q/cos θ = 4013 N
Сила в B
F = 2·Flink·sin θ = 2·4000·tan θ = 642,1 N
Ответ
F = 642,1 N
9.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mx = 37,5 kN·m
Метод сечений: рассеките балку там, где нужны внутренние усилия, и оставьте одну часть. Поперечная сила V уравновешивает вертикальные силы этой части, а изгибающий момент M — их моменты относительно сечения.
Опорные реакции
Равновесие всей балки.
Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 4·10 = 40 kN, приложена в x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 4·10·5
RB = 200/10 = 20 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 20 = 20 kN
Рассеките в x = 2,5 m и оставьте левую часть
Учитываются только силы левее сечения. Участок распределённой нагрузки действует как одна сила посередине этого участка.
M = RA·x − (каждая нагрузка левее сечения × её расстояние до сечения)
Mx = 20·2,5 − 4·2,5·1,25 = 37,5 kN·m
Ответ
Mx = 37,5 kN·m
10.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: F (x = 10 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 = 40 kN, R2 = 40 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 = −40, MC = 0, MD = −20, ME = −40, MF = −60 kN·m, MG = 0
Ответ
Отметка F: MF = −60 kN·m
11.Центр тяжести и момент инерции
Ответ: Ix = 7,9 × 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.
Разбейте на два прямоугольника
Отсчитывайте каждое y от нижнего края.
полка: Af = 260·20 = 5200 mm², yf = 140 + 20/2 = 150 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.
Разбейте на два прямоугольника
Отсчитывайте каждое y от нижнего края.
полка: Af = 260·10 = 2600 mm², yf = 300 + 10/2 = 305 mm
стенка: Aw = 10·300 = 3000 mm², yw = 300/2 = 150 mm