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 = (−6, −5, −3) и b = (6, 5, 1) в градусах.
a = (−6, −5, −3)b = (6, 5, 1)
θ = °
2.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
Единичный вектор n̂ перпендикулярен обоим векторам a = (2, 3, −3) и b = (3, 2, −1) и имеет положительную z-компоненту. Найдите его x-компоненту n̂x.
a = (2, 3, −3)b = (3, 2, −1)n̂z > 0
n̂x =
3.Опорные реакции балокСредняя
Консольная балка защемлена в стене в точке A. Она нагружена равномерно распределённой нагрузкой w по всей длине и сосредоточенной силой P на расстоянии 5 m от стены. Найдите величину реактивного момента MA в заделке.
L = 8 mP = 10 kN в 5 mw = 2 kN/m от 0 до 8 m
MA = kN·m
4.Опорные реакции балокСложная
Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RB.
L = 5 mP = 35 kN в 2,5 mw = 10 kN/m от 2 до 3 m
RB = kN
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
Методом вырезания узлов найдите усилие FAC в стержне AC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.
пролёт = 8 mвысота = 2 mB на расстоянии 3 m от Aвертикальная нагрузка = 35 kN
FAC = kN
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.
D: 25 kN ↓G: 25 kN ↓H: 20 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
Угловой рычаг на рисунке поворачивается вокруг шарнира O. Вертикальная сила 80 N в точке A (300 mm от O) уравновешивается горизонтальной силой в точке B (75 mm выше O). Найдите модуль реакции FO в шарнире.
F = 80 NOA = 300 mmOB = 75 mm
FO = N
8.Рамы и механизмыСложная
A-образная рама на рисунке стоит на шарнире в A и катке в B на расстоянии 3 m друг от друга. Ножки сходятся в шарнире C на высоте 4 m и стянуты горизонтальной перемычкой DE на высоте 0,8 m. В точке C действует горизонтальная сила 8 kN, направленная вправо. Найдите натяжение T в затяжке.
P = 8 kNAB = 3 mвысота C = 4 mвысота DE = 0,8 m
T = kN
9.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
Балка опирается на неподвижный шарнир в A и подвижную опору в B и имеет консольный свес длиной 1,5 m за B до свободного конца C. Она нагружена сосредоточенной силой P1 между опорами и сосредоточенной силой P2 в C. Найдите изгибающий момент Mx под силой P1. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.
L = 9,5 mP1 = 80 kN в 1 mP2 = 15 kN в 9,5 mопоры при x = 0 и x = 8 m
Mx = kN·m
10.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
Балка опирается на неподвижный шарнир в A и подвижную опору в B и имеет консольный свес длиной 1,5 m за B до свободного конца C. Равномерно распределённая нагрузка w действует по всей длине A–C. Найдите расстояние xc от A до точки перегиба между опорами (где изгибающий момент меняет знак).
L = 7,5 mw = 4 kN/m от 0 до 7,5 mопоры при x = 0 и x = 6 m
xc = m
11.Центр тяжести и момент инерцииСредняя
Найдите момент инерции Ix таврового сечения относительно горизонтальной оси x, проходящей через центр тяжести.
bf = 180 mmtf = 30 mmtw = 20 mmhw = 300 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Центр тяжести и момент инерцииСложная
Сварной двутавр имеет верхнюю полку 170 × 24 mm, стенку высотой 390 mm и толщиной 14 mm и нижнюю полку 220 × 10 mm (ширина × толщина). Найдите его момент инерции Ix относительно горизонтальной оси x, проходящей через центр тяжести.
верхняя полка: 170 × 24 mmстенка: 14 × 390 mmнижняя полка: 220 × 10 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
3Растворы
1.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: θ = 166,3 °
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 = (−6)·6 + (−5)·5 + (−3)·1 = −64
Модули
|a| = √((−6)² + (−5)² + (−3)²) = 8,367
|b| = √(6² + 5² + 1²) = 7,874
Угол
cos θ = −64/(8,367·7,874) = −0,9715
θ = arccos(−0,9715) = 166,3°
Ответ
θ = 166,3°
2.Векторы: скалярное и векторное произведения
Ответ: n̂x = −0,3293
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
(a × b)x = aybz − azby = 3·(−1) − (−3)·2 = 3
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·3 − 2·(−1) = −7
(a × b)z = axby − aybx = 2·2 − 3·3 = −5
Нормирование
z-компонента a × b отрицательна, поэтому берите −(a × b).
Равновесие консоли: заделка может давить вверх и препятствовать повороту, поэтому она даёт вертикальную реакцию RA и реактивный момент MA. ΣFy = 0 даёт RA, а моменты относительно стены дают MA = Σ(нагрузка × расстояние от стены). Распределённая нагрузка действует как её равнодействующая, приложенная в центре тяжести эпюры нагрузки.
Равнодействующая распределённой нагрузки
W = 2·8 = 16 kN, x̄ = 4 m
Момент относительно стены
MA = P·a + W·x̄ = 10·5 + 16·4 = 114 kN·m
Ответ
MA = 114 kN·m
4.Опорные реакции балок
Ответ: RB = 22,5 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 = 10·1 = 10 kN, приложена в x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 35·2,5 + 10·1·2,5
RB = 112,5/5 = 22,5 kN
ΣFy = 0: RA = 45 − 22,5 = 22,5 kN
Ответ
RB = 22,5 kN
5.Ферма: метод вырезания узлов
Ответ: FAC = 32,81 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.
Опорные реакции
Равновесие всей фермы. Моменты относительно A, положительные против часовой стрелки.
ΣMA = 0: Cy·8 = 35·3 → Cy = 13,13 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 13,13 = 21,88 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 = 2/5,385 = 0,3714, cos γ = 5/5,385 = 0,9285
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).
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).
Сила в B
Q = 80·300/75 = 320 N
Реакция в шарнире
Ox = 320 N, Oy = 80 N
FO = √(320² + 80²) = 329,8 N
Ответ
FO = 329,8 N
8.Рамы и механизмы
Ответ: T = 5 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.
Вся рама: моменты относительно A
By·3 = 8·4
By = 10,67 kN
Ножка BC: моменты относительно C
10,67·1,5 = T·3,2
T = 5 kN
Ответ
T = 5 kN
Положительное T означает, что затяжка растянута, как и предполагалось.
9.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: Mx = 67,19 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. Сила на консольном свесе тоже создаёт момент относительно A.
ΣMA = 0: RB·8 = 80·1 + 15·9,5
RB = 222,5/8 = 27,81 kN
ΣFy = 0: RA = 95 − 27,81 = 67,19 kN
Сечение под P1, оставляем левую часть
Mx = RA·1 = 67,19·1 = 67,19 kN·m
Ответ
Mx = 67,19 kN·m
10.Поперечная сила и изгибающий момент
Ответ: xc = 5,625 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 с учётом нагрузки на консольном свесе.
Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 4·7,5 = 30 kN, приложена в x̄ = 3,75 m
ΣMA = 0: RB·6 = 4·7,5·3,75
RB = 112,5/6 = 18,75 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 18,75 = 11,25 kN
Нулевой момент
Между опорами M(x) = RA·x − w·x²/2. Кроме x = 0, он равен нулю при x = 2RA/w.
RA·xc − w·xc²/2 = 0
xc = 2·11,25/4 = 5,625 m
Ответ
xc = 5,625 m
11.Центр тяжести и момент инерции
Ответ: Ix = 122,8 × 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 = 180·30 = 5400 mm², yf = 300 + 30/2 = 315 mm
стенка: Aw = 20·300 = 6000 mm², yw = 300/2 = 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.
Разбиваем на три прямоугольника
Отсчитывайте каждое y от нижнего края.
верхняя полка: A = 4080 mm², y = 412 mm
стенка: A = 5460 mm², y = 205 mm
нижняя полка: A = 2200 mm², y = 5 mm
Центр тяжести
ȳ = (4080·412 + 5460·205 + 2200·5)/11740 = 239,5 mm
Теорема о параллельном переносе осей
верхняя полка: 170·24³/12 + 4080·172,5² = 1,217 × 10⁸ mm⁴