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
xyzab

Найдите скалярное произведение a·b векторов a = (−1, 2, 4) и b = (2, 2, −3).

a = (−1, 2, 4)b = (2, 2, −3)
a·b =
2.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная
xyzab

Для a = (−1, −1, 0) и b = (−1, 4, 3) найдите z-компоненту (a × b)z векторного произведения a × b.

a = (−1, −1, 0)b = (−1, 4, 3)
(a × b)z =
3.Опорные реакции балокСредняя
w0​ = 6 kN/mABRB​ = ?10 m

Шарнирно опёртая балка (неподвижный шарнир в A, подвижная опора в B) нагружена линейно изменяющейся нагрузкой, возрастающей от нуля в A до 6 kN/m в B. Найдите вертикальную опорную реакцию RB.

L = 10 mw0 = 6 kN/m
RB = kN
4.Опорные реакции балокСложная
P = 70 kN, 45°Q = 65 kNABRA​ = ?2 m1,5 m2,5 m

Шарнирно опёртая балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную в B. На расстоянии 2 m от A действует сила P, наклонённая под углом 45° к горизонтали, а на расстоянии 3,5 m от A — вертикальная сила Q. Найдите величину полной силы реакции RA в шарнире A.

L = 6 mP = 70 kN в 2 m, θ = 45°Q = 65 kN в 3,5 m
RA = kN
5.Ферма: метод вырезания узловСредняя
ABCDEFGH10 kN30 kN30 kN4 × 4 m4 m

Ровно один элемент этой фермы не несёт усилия при данных нагрузках. Какой это нулевой элемент? Нажмите на него на схеме.

B: 10 kN ↓F: 30 kN ↓H: 30 kN ↓
  1. 1элемент AB
  2. 2элемент BC
  3. 3элемент CD
  4. 4элемент DE
  5. 5элемент FG
  6. 6элемент GH
  7. 7элемент AF
  8. 8элемент HE
  9. 9элемент BF
  10. 10элемент CG
  11. 11элемент DH
  12. 12элемент BG
  13. 13элемент DG
6.Ферма: метод вырезания узловСложная
ABCDEFGH20 kN35 kN35 kN40 kN15 kN4 × 3 m4 m

Ровно один элемент этой фермы не несёт усилия при данных нагрузках. Какой это нулевой элемент? Нажмите на него на схеме.

B: 20 kN ↓C: 35 kN ↓D: 35 kN ↓F: 40 kN ↓F: 15 kN →
  1. 1элемент AB
  2. 2элемент BC
  3. 3элемент CD
  4. 4элемент DE
  5. 5элемент FG
  6. 6элемент GH
  7. 7элемент AF
  8. 8элемент HE
  9. 9элемент BF
  10. 10элемент CG
  11. 11элемент DH
  12. 12элемент FC
  13. 13элемент HC
7.Рамы и механизмыСредняя
8 kN2 m2 m1,6 m0,75 mABCDEK

A-образная рама на рисунке стоит на шарнире в A и катке в B на расстоянии 2 m друг от друга, её верхний шарнир C находится на высоте 3,6 m, а горизонтальная затяжка DE — на 2 m над землёй. Вертикальная нагрузка 8 kN действует на ножку AC в точке K на расстоянии 0,75 m (по горизонтали) от A. Найдите натяжение T в затяжке.

P = 8 kNAB = 2 mвысота C = 3,6 mвысота DE = 2 mгоризонтальное расстояние от A до K = 0,75 m
T = kN
8.Рамы и механизмыСложная
6 kN0,5 kN6 m4 mABC

Однородная горизонтальная стрела AB весом 0,5 kN закреплена шарниром на стене в A и удерживается тросом от её конца B до точки C на стене на 4 m выше A. В точке B подвешена нагрузка 6 kN. Найдите натяжение T троса.

W = 6 kNWb = 0,5 kNAB = 6 mAC = 4 m
T = kN
9.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя
P1​ = 55 kNP2​ = 10 kNABC2,5 m1,5 m2 m

Балка опирается на неподвижный шарнир в A и подвижную опору в B и имеет консольный свес длиной 2 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 = 6 mP1 = 55 kN в 2,5 mP2 = 10 kN в 6 mопоры при x = 0 и x = 4 m
Mx = kN·m
10.Поперечная сила и изгибающий моментСложная
w = 4 kN/mAB4 m2 m

Шарнирно опёртая балка нагружена равномерно распределённой нагрузкой на части пролёта. Найдите наибольший изгибающий момент Mmax в балке.

L = 6 mw = 4 kN/m от 0 до 4 m
Mmax = kN·m
11.Центр тяжести и момент инерцииСредняя
100 mm300 mm90 mmØ60xIx​ = ?

Пластина 100 mm × 300 mm имеет круглое отверстие диаметром 60 mm на вертикальной оси симметрии, центр которого находится на высоте 90 mm над низом. Найдите момент инерции сечения Ix относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести.

b = 100 mmh = 300 mmd = 60 mmцентр отверстия: y = 90 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Центр тяжести и момент инерцииСложная
150 mm150 mm105 mm60 × 40xIx​ = ?

Пластина 150 mm × 150 mm имеет прямоугольный вырез шириной 60 mm и высотой 40 mm, расположенный на вертикальной оси симметрии, а его центр находится на высоте 105 mm над низом. Найдите момент инерции сечения Ix относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести.

b = 150 mmh = 150 mmвырез: 60 × 40 mmцентр отверстия: y = 105 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Растворы

1.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: a·b = −10

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.

Перемножьте соответствующие компоненты и сложите

a·b = (−1)·2 + 2·2 + 4·(−3) = (−2) + 4 + (−12) = −10

Ответ

a·b = −10

Отрицательное: угол между векторами больше 90°.

2.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: (a × b)z = −5

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 = (−1)·3 − 0·4 = −3
(a × b)y = azbx − axbz = 0·(−1) − (−1)·3 = 3
(a × b)z = axby − aybx = (−1)·4 − (−1)·(−1) = −5

Искомая компонента

(a × b)z = −5

Ответ

(a × b)z = −5

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

3.Опорные реакции балок

Ответ: RB = 20 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.

Равнодействующая треугольной нагрузки

W = ½·6·10 = 30 kN
x̄ = 2L/3 = 6,667 m

Равновесие

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

ΣMA = 0: RB·10 = 30·6,667
RB = 20 kN
RA = 30 − 20 = 10 kN

Ответ

RB = 20 kN
4.Опорные реакции балок

Ответ: RA = 77,84 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 = 70·sin 45° = 49,5 kN
Ph = 70·cos 45° = 49,5 kN

Реакции

ΣMA = 0: RB·6 = 49,5·2 + 65·3,5 → RB = 54,42 kN
Ay = 49,5 + 65 − 54,42 = 60,08 kN
Ax = Ph = 49,5 kN

Равнодействующая реакция в A

RA = √(49,5² + 60,08²) = 77,84 kN

Ответ

RA = 77,84 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 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).

AB: 37,5 kN (T), BC: 35 kN (T), CD: 35 kN (T), DE: 32,5 kN (T), FG: 37,5 kN (C), GH: 32,5 kN (C), AF: 53,03 kN (C), HE: 45,96 kN (C), BF: 7,5 kN (T), CG: 0, DH: 2,5 kN (T), BG: 3,536 kN (T), DG: 3,536 kN (C)

Ответ

Нулевой элемент: CG
6.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).

AB: 64,69 kN (T), BC: 64,69 kN (T), CD: 47,81 kN (T), DE: 47,81 kN (T), FG: 69,37 kN (C), GH: 69,37 kN (C), AF: 82,81 kN (C), HE: 79,69 kN (C), BF: 20 kN (T), CG: 0, DH: 35 kN (T), FC: 7,812 kN (T), HC: 35,94 kN (T)

Ответ

Нулевой элемент: CG
7.Рамы и механизмы

Ответ: T = 1,875 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 = 8·0,75/2 = 3 kN

Ножка BC: моменты относительно C

3·1 = T·1,6
T = 1,875 kN

Ответ

T = 1,875 kN
8.Рамы и механизмы

Ответ: T = 11,27 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.

Угол троса

BC = √(6² + 4²) = 7,211 m, sin β = 0,5547

Моменты относительно A

T·0,5547·6 = 6·6 + 0,5·3
T = 11,27 kN

Ответ

T = 11,27 kN
9.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: Mx = 39,06 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·4 = 55·2,5 + 10·6
RB = 197,5/4 = 49,38 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 49,38 = 15,63 kN

Сечение под P1, оставляем левую часть

Mx = RA·2,5 = 15,63·2,5 = 39,06 kN·m

Ответ

Mx = 39,06 kN·m
10.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: Mmax = 14,22 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 = 4·4 = 16 kN, приложена в x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·6 = 4·4·2
RB = 32/6 = 5,333 kN
ΣFy = 0: RA = 16 − 5,333 = 10,67 kN

Нулевая поперечная сила

Поперечная сила начинается с RA, постоянна на любом незагруженном участке и убывает с наклоном w в пределах нагрузки.

RA − w·(x0 − 0) = 0
x0 = 0 + 10,67/4 = 2,667 m

Наибольший момент

Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 0)²/2 = 10,67·2,667 − 4·2,667²/2 = 14,22 kN·m

Ответ

Mmax = 14,22 kN·m
11.Центр тяжести и момент инерции

Ответ: Ix = 213,1 × 10⁶ mm⁴

Сечения с отверстиями: считайте отверстие отрицательной площадью. Центр тяжести равен ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), где A₁, y₁ относятся к целой пластине, а A₂, y₂ — к отверстию. Для момента инерции сечения относительно центральной оси применяйте теорему о параллельных осях для каждой части и вычитайте отверстие: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), где d — расстояние от собственного центра тяжести каждой части до оси, проходящей через ȳ. Для прямоугольника Ic = bh³/12, для круга Ic = πd⁴/64.

Центр тяжести

ȳ = (30000·150 − 2827·90)/(30000 − 2827) = 156,2 mm

Целая пластина относительно ȳ

100·300³/12 + 30000·−6,243² = 226,2 × 10⁶ mm⁴

Отверстие относительно ȳ

π·60⁴/64 + 2827·−66,24² = 13,04 × 10⁶ mm⁴

Вычтите

Ix = 213,1 × 10⁶ mm⁴

Ответ

Ix = 213,1 × 10⁶ mm⁴
12.Центр тяжести и момент инерции

Ответ: Ix = 39,45 × 10⁶ mm⁴

Сечения с отверстиями: считайте отверстие отрицательной площадью. Центр тяжести равен ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), где A₁, y₁ относятся к целой пластине, а A₂, y₂ — к отверстию. Для момента инерции сечения относительно центральной оси применяйте теорему о параллельных осях для каждой части и вычитайте отверстие: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), где d — расстояние от собственного центра тяжести каждой части до оси, проходящей через ȳ. Для прямоугольника Ic = bh³/12, для круга Ic = πd⁴/64.

Центр тяжести

ȳ = (22500·75 − 2400·105)/(22500 − 2400) = 71,42 mm

Целая пластина относительно ȳ

150·150³/12 + 22500·3,582² = 42,48 × 10⁶ mm⁴

Отверстие относительно ȳ

60·40³/12 + 2400·33,58² = 3,027 × 10⁶ mm⁴

Вычтите

Ix = 39,45 × 10⁶ mm⁴

Ответ

Ix = 39,45 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics