Статика: шпаргалка-пакет

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

Новые задачи Назад 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| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
Единичный вектор: û = a/|a|
Компоненты по углу: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
Скалярное произведение: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
Скалярная проекция a на b: a·b/|b|
Работа: W = F·d
Векторное произведение: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
Площади: параллелограмм |a × b|, треугольник ½|a × b|
Момент относительно O: M_O = r × F, r = A − O
Объём параллелепипеда: V = |a·(b × c)|

Метод

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

Опорные реакции балок

Равновесие: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
Равномерная нагрузка: равнодействующая w·L в середине нагрузки
Момент: M = F·d

Метод

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

Ферма: метод вырезания узлов

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

Метод

Найдите опорные реакции для всей фермы.
Метод вырезания узлов: начните с узла, где не более двух неизвестных усилий, и используйте ΣF_x = 0 и ΣF_y = 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: ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 = √(F_x² + F_y²)
Рычаг, плоскогубцы, угловой рычаг: F_in·a = F_out·b
Коленно-рычажный механизм: F_link = 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 ΣF_x = 0 и ΣF_y = 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/y_max
Шарнирно опёртая, равномерная нагрузка: M_max = 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 = ΣA_iy_i/ΣA_i
Прямоугольник: I = bh³/12
Теорема о параллельном переносе осей: I = I_c + A·d²
Составное сечение: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

2Тренировочные задачи

1.Векторы: скалярное и векторное произведенияСредняя

Найдите скалярную проекцию comp_b a вектора a = (2, 6, −6) на b = (0, 3, −1), то есть компоненту a в направлении b.

a = (2, 6, −6)b = (0, 3, −1)

comp_b a =

2.Векторы: скалярное и векторное произведенияСложная

Единичный вектор n̂ перпендикулярен обоим векторам a = (3, 4, 1) и b = (−4, 1, −1) и имеет положительную z-компоненту. Найдите его x-компоненту n̂_x.

a = (3, 4, 1)b = (−4, 1, −1)n̂_z > 0

n̂_x =

3.Опорные реакции балокСредняя

Балка имеет неподвижную шарнирную опору в A и подвижную опору в B на расстоянии 4 m от A и консольный свес за B до свободного конца C. Найдите вертикальную реакцию R_B, считая положительным направление вверх.

AB = 4 mAC = 6 mP₁ = 35 kN в 2 mP₂ = 60 kN в 6 m

R_B = kN

4.Опорные реакции балокСложная

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

L = 8 mP = 15 kN в 3 mw = 8 kN/m от 3 до 7 m

R_A = kN

5.Ферма: метод вырезания узловСредняя

Методом вырезания узлов найдите усилие F_AB в стержне AB. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.

пролёт = 5 mвысота = 3 mB на расстоянии 1 m от Aвертикальная нагрузка = 30 kN

F_AB = kN

6.Ферма: метод вырезания узловСложная

Методом вырезания узлов найдите усилие F_AC в стержне AC. Растяжение указывайте положительным, сжатие — отрицательным.

пролёт = 4 mвысота = 2 mB на расстоянии 3 m от Aвертикальная нагрузка = 20 kNгоризонтальная нагрузка = 15 kN →

F_AC = kN

7.Рамы и механизмыСредняя

A-образная рама на рисунке стоит на шарнире в A и катке в B на расстоянии 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 20 kN. Найдите модуль силы C, с которой шарнир C действует на ножку BC.

P = 20 kNAB = 4 mвысота C = 2,5 mвысота DE = 1,2 m

C = kN

8.Рамы и механизмыСложная

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 2 m и стянуты горизонтальной перемычкой DE на высоте 1 m. В точке C действует горизонтальная сила 2 kN, направленная вправо. Найдите натяжение T в затяжке.

P = 2 kNAB = 5 mвысота C = 2 mвысота DE = 1 m

T = kN

9.Поперечная сила и изгибающий моментСредняя

Найдите поперечную силу V_x в сечении x = 1 m от опоры A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.

L = 4 mw = 6 kN/m от 0 до 4 mx = 1 m

V_x = kN

10.Поперечная сила и изгибающий моментСложная

Найдите изгибающий момент M_x в сечении x = 4,5 m от опоры A. Положительными считайте моменты, растягивающие нижние волокна, и поперечную силу, направленную вверх на левой грани.

L = 6 mP = 20 kN в 1 mw = 12 kN/m от 0 до 6 mx = 4,5 m

M_x = kN·m

11.Центр тяжести и момент инерцииСредняя

Найдите момент инерции I_x таврового сечения относительно горизонтальной оси x, проходящей через центр тяжести.

b_f = 120 mmt_f = 30 mmt_w = 14 mmh_w = 240 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.Центр тяжести и момент инерцииСложная

Чугунная балка имеет показанное тавровое сечение с полкой сверху. Допускаемые напряжения: 35 MPa при растяжении и 100 MPa при сжатии. Найдите наибольший положительный изгибающий момент M_allow, который может воспринять балка.

b_f = 280 mmt_f = 20 mmt_w = 18 mmh_w = 240 mmσ_t,allow = 35 MPaσ_c,allow = 100 MPa

M_allow = kN·m

3Растворы

1.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: comp_b a = 7,589

Dot product: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |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 = 2·0 + 6·3 + (−6)·(−1) = 24

Длина b

|b| = √(0² + 3² + (−1)²) = 3,162

Скалярная проекция

comp_b a = a·b/|b| = 24/3,162 = 7,589

Ответ

comp_b a = 7,589

2.Векторы: скалярное и векторное произведения

Ответ: n̂_x = −0,2542

Cross product: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) 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 M_O = r × F, with r = A − O.

Векторное произведение

(a × b)_x = a_yb_z − a_zb_y = 4·(−1) − 1·1 = −5

(a × b)_y = a_zb_x − a_xb_z = 1·(−4) − 3·(−1) = −1

(a × b)_z = a_xb_y − a_yb_x = 3·1 − 4·(−4) = 19

Нормирование

z-компонента a × b уже положительна.

|a × b| = √((−5)² + (−1)² + 19²) = 19,67

n̂ = (−5, −1, 19)/19,67 = (−0,2542, −0,05083, 0,9658)

n̂_x = −0,2542

Ответ

n̂_x = −0,2542

3.Опорные реакции балок

Ответ: R_B = 107,5 kN

Статическое равновесие: для покоящегося тела ΣF_x = 0, ΣF_y = 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.

Моменты относительно A

Против часовой стрелки — положительно.

ΣM_A = 0: R_B·4 = 35·2 + 60·6

R_B = 430/4 = 107,5 kN

Равновесие по вертикали

R_A = 35 + 60 − 107,5 = −12,5 kN

Ответ

R_B = 107,5 kN

R_A отрицательна: шарнир A должен удерживать балку от отрыва.

4.Опорные реакции балок

Ответ: R_A = 21,38 kN

Статическое равновесие: для покоящегося тела ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 = 8·4 = 32 kN, приложена в x̄ = 5 m

ΣM_A = 0: R_B·8 = 15·3 + 8·4·5

R_B = 205/8 = 25,63 kN

ΣF_y = 0: R_A = 47 − 25,63 = 21,38 kN

Ответ

R_A = 21,38 kN

5.Ферма: метод вырезания узлов

Ответ: F_AB = −25,3 kN

Метод вырезания узлов: каждый узел фермы находится в равновесии, поэтому в каждом узле ΣF_x = 0 и ΣF_y = 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.

ΣM_A = 0: C_y·5 = 30·1 → C_y = 6 kN

ΣF_y = 0: A_y = 30 − 6 = 24 kN

Узел A

Предположите, что каждый стержень растянут (тянет от узла). Только AB имеет вертикальную составляющую в узле A.

sin α = 3/3,162 = 0,9487

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −24/0,9487 = −25,3 kN

Ответ

F_AB = −25,3 kN (сжатие)

6.Ферма: метод вырезания узлов

Ответ: F_AC = 11,25 kN

Опорные реакции

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

ΣM_A = 0: C_y·4 = 20·3 + 15·2 → C_y = 22,5 kN

ΣF_y = 0: A_y = 20 − 22,5 = −2,5 kN

ΣF_x = 0: A_x = −15 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

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −22,5/0,8944 = −25,16 kN

ΣF_x = 0: −F_AC − F_BC·cos γ = 0 → F_AC = −(−25,16)·0,4472 = 11,25 kN

Ответ

F_AC = 11,25 kN (растяжение)

7.Рамы и механизмы

Ответ: C = 18,35 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 ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 и ΣM = 0. Моменты относительно шарнира исключают из уравнения обе составляющие силы в этом шарнире.

Сила в затяжке из ножки BC

B_y = 10 kN

T = 10·2/1,3 = 15,38 kN

Составляющие силы в шарнире на BC

C_x = T = 15,38 kN, C_y = −B_y = −10 kN

Модуль

C = √(15,38² + 10²) = 18,35 kN

Ответ

C = 18,35 kN

8.Рамы и механизмы

Ответ: T = 2 kN

Вся рама: моменты относительно A

B_y·5 = 2·2

B_y = 0,8 kN

Ножка BC: моменты относительно C

0,8·2,5 = T·1

T = 2 kN

Ответ

T = 2 kN

Положительное T означает, что затяжка растянута, как и предполагалось.

9.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: V_x = 6 kN

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 = 6·4 = 24 kN, приложена в x̄ = 2 m

ΣM_A = 0: R_B·4 = 6·4·2

R_B = 48/4 = 12 kN

ΣF_y = 0: R_A = 24 − 12 = 12 kN

Рассеките в x = 1 m и оставьте левую часть

Учитываются только силы левее сечения. Участок распределённой нагрузки действует как одна сила посередине этого участка.

V = R_A − (все нагрузки вниз левее сечения)

V_x = 12 − 6·1 = 6 kN

Ответ

V_x = 6 kN

10.Поперечная сила и изгибающий момент

Ответ: M_x = 45,5 kN·m

Опорные реакции

Равновесие всей балки.

Равнодействующая распределённой нагрузки: W = w·ℓ = 12·6 = 72 kN, приложена в x̄ = 3 m

ΣM_A = 0: R_B·6 = 20·1 + 12·6·3

R_B = 236/6 = 39,33 kN

ΣF_y = 0: R_A = 92 − 39,33 = 52,67 kN

Рассеките в x = 4,5 m и оставьте левую часть

M = R_A·x − (каждая нагрузка левее сечения × её расстояние до сечения)

M_x = 52,67·4,5 − 20·(4,5 − 1) − 12·4,5·2,25 = 45,5 kN·m

Ответ

M_x = 45,5 kN·m

11.Центр тяжести и момент инерции

Ответ: I_x = 48,07 × 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: A_f = 120·30 = 3600 mm², y_f = 240 + 30/2 = 255 mm

стенка: A_w = 14·240 = 3360 mm², y_w = 240/2 = 120 mm

Центр тяжести

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (3600·255 + 3360·120)/6960 = 189,8 mm

Теорема о параллельном переносе осей

полка: 120·30³/12 + 3600·(255 − 189,8)² = 1,556 × 10⁷ mm⁴

стенка: 14·240³/12 + 3360·(120 − 189,8)² = 3,251 × 10⁷ mm⁴

I_x = 1,556 × 10⁷ + 3,251 × 10⁷ = 4,807 × 10⁷ mm⁴ = 48,07 × 10⁶ mm⁴

Ответ

I_x = 48,07 × 10⁶ mm⁴

12.Центр тяжести и момент инерции

Ответ: M_allow = 11,25 kN·m

Центр тяжести

ȳ = (5600·250 + 4320·120)/9920 = 193,4 mm

верхняя кромка: c = 260 − 193,4 = 66,61 mm

Момент инерции сечения

I = 280·20³/12 + 5600·56,61² + 18·240³/12 + 4320·73,39² = 6,214 × 10⁷ mm⁴

Момент, допускаемый каждой кромкой

Положительный момент: верх сжат, низ растянут.

верхняя кромка: M = 100·6,214 × 10⁷/66,61 = 93,28 kN·m

нижняя кромка: M = 35·6,214 × 10⁷/193,4 = 11,25 kN·m

Определяющее значение

M_allow = min = 11,25 kN·m (нижняя кромка)

Ответ

M_allow = 11,25 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics