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 значение k, при котором векторы a = (3, −1, 2) и b = (k, 6, 5) перпендикулярны.
a = (3, −1, 2)b = (k, 6, 5)
k =
2.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Единичный вектор n̂ перпендикулярен обоим векторам a = (−4, 2, 4) и b = (1, −5, 2) и имеет положительную z-компоненту. Найдите его y-компоненту n̂y.
a = (−4, 2, 4)b = (1, −5, 2)n̂z > 0
n̂y =
3.Опорные реакции балокСредняя
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RB.
L = 4 mP1 = 15 kN в 2 mP2 = 60 kN в 3 m
RB = kN
4.Опорные реакции балокСложная
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RB.
L = 8 mP = 25 kN в 7 mw = 3 kN/m от 4 до 8 m
RB = 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.
D: 10 kN ↓G: 25 kN ↓H: 35 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: 10 kN ↓F: 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 5 m друг от друга. Ножки сходятся в шарнире C на высоте 3,6 m, а горизонтальная затяжка DE находится на 2 m над землёй. В точке C действует нагрузка 12 kN. Найдите модуль силы C, с которой шарнир C действует на ножку BC.
P = 12 kNAB = 5 mвысота C = 3,6 mвысота DE = 2 m
C = kN
8.Рамы и механизмыСложная
Однородная горизонтальная стрела AB весом 1 kN закреплена шарниром на стене в A и удерживается тросом от B до точки C на стене на 2,5 m выше A. В точке B подвешена нагрузка 4 kN. Найдите модуль реакции A в шарнире.
W = 4 kNWb = 1 kNAB = 2 mAC = 2,5 m
A = kN
9.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
Консоль защемлена в A. Она нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине и сосредоточенной силой P на расстоянии 1,5 m от A. Найдите изгибающий момент MA в заделке A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 2 mP = 20 kN в 1,5 mw = 8 kN/m от 0 до 2 m
MA = kN·m
10.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой на части пролёта. Найдите наибольший изгибающий момент Mmax в балке.
L = 8 mw = 16 kN/m от 5 до 7 m
Mmax = kN·m
11.Центр тяжести и момент инерцииСредняя
Найдите момент инерции Ix таврового сечения относительно горизонтальной оси x, проходящей через центр тяжести.
bf = 160 mmtf = 20 mmtw = 20 mmhw = 280 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Центр тяжести и момент инерцииСложная
Тавровое сечение работает как балка с полкой сверху и воспринимает положительный изгибающий момент 10 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 равно нулю
a·b = 3·k + (−1)·6 + 2·5 = 0
4 + 3·k = 0
Найдите k
k = −4/3 = −1,333
Ответ
k = −1,333
2.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: n̂y = 0,3714
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.
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·4 = 15·2 + 60·3
RB = 210/4 = 52,5 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 52,5 = 22,5 kN
Ответ
RB = 52,5 kN
4.Опорные реакции балок
Ответ: RB = 30,88 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.
Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 3·4 = 12 kN, приложена в x̄ = 6 m
ΣMA = 0: RB·8 = 25·7 + 3·4·6
RB = 247/8 = 30,88 kN
ΣFy = 0: RA = 37 − 30,88 = 6,125 kN
Ответ
RB = 30,88 kN
5.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: элемент BF
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 B
AB и BC лежат на одной прямой, и узел не нагружен. Баланс сил поперёк этой прямой оставляет только BF.
ΣF⊥ = 0 → FBF = 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.
Сила в затяжке из ножки BC
By = 6 kN
T = 6·2,5/1,6 = 9,375 kN
Составляющие силы в шарнире на BC
Cx = T = 9,375 kN, Cy = −By = −6 kN
Модуль
C = √(9,375² + 6²) = 11,13 kN
Ответ
C = 11,13 kN
8.Рамы и механизмы
Ответ: A = 3,635 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.
Натяжение троса
T = (4 + 1/2)/0,7809 = 5,763 kN
Составляющие в A
Ax = T·cos β = 3,6 kN
Ay = 4 + 1 − T·sin β = 0,5 kN
Модуль
A = √(3,6² + 0,5²) = 3,635 kN
Ответ
A = 3,635 kN
9.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: MA = −46 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.
Оставляем часть со свободным концом
P: −20·1,5 = −30 kN·m
w: −8·2²/2 = −16 kN·m
MA = −30 − 16 = −46 kN·m
Ответ
MA = −46 kN·m
Знак минус означает, что растянута верхняя грань.
10.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mmax = 42 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. Наибольший момент: поскольку dM/dx = V, изгибающий момент достигает максимума там, где поперечная сила проходит через ноль, — либо под сосредоточенной силой, либо в пределах распределённой нагрузки.
Опорные реакции
Равновесие всей балки.
Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 16·2 = 32 kN, приложена в x̄ = 6 m
ΣMA = 0: RB·8 = 16·2·6
RB = 192/8 = 24 kN
ΣFy = 0: RA = 32 − 24 = 8 kN
Нулевая поперечная сила
Поперечная сила начинается с RA, постоянна на любом незагруженном участке и убывает с наклоном w в пределах нагрузки.
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 = 160·20 = 3200 mm², yf = 280 + 20/2 = 290 mm
стенка: Aw = 20·280 = 5600 mm², yw = 280/2 = 140 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 = 180·30 = 5400 mm², yf = 300 + 30/2 = 315 mm
стенка: Aw = 18·300 = 5400 mm², yw = 300/2 = 150 mm