Опір матеріалів: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 14 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Осьове напруження й деформація

Нормальне напруження
σ = F/A
Деформація
ε = ΔL/L
Закон Гука
σ = E·ε
Видовження
ΔL = FL/(EA)
Температурна деформація
εT = α·ΔT

Кручення валів

Дотичне напруження
τ = T·r/J
Суцільний вал
J = πd⁴/32
Порожнистий вал
J = π(D⁴ − d⁴)/32
Кут закручування
φ = TL/(GJ)
Потужність
P = T·ω = 2πnT/60

Метод

  1. Знайдіть полярний момент інерції: J = πd⁴/32 для суцільного вала.
  2. Дотичне напруження на поверхні: τ = T·r/J, де r — зовнішній радіус.
  3. Кут закручування: φ = TL/(GJ) у радіанах.
  4. Якщо задано потужність, спершу знайдіть крутний момент з P = T·ω, ω = 2πn/60.

Поперечна сила і згинальний момент

Поперечна сила і момент
V = ΣF з одного боку, M = ΣF·d з одного боку
Напруження згину
σ = M·y/I
Прямокутник
I = bh³/12
Момент опору перерізу
W = I/ymax
Шарнірно оперта, рівномірне навантаження
Mmax = wL²/8

Метод

  1. Знайдіть реакції опор з рівноваги всієї балки.
  2. Розріжте балку в потрібному перерізі й залиште одну частину.
  3. Поперечна сила: сума вертикальних сил з цього боку. Згинальний момент: сума їхніх моментів відносно перерізу.
  4. Для максимального моменту знайдіть, де поперечна сила дорівнює нулю.

Центр ваги й момент інерції

Центр ваги
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Прямокутник
I = bh³/12
Теорема про паралельне перенесення осей
I = Ic + A·d²
Складений переріз
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

Коло Мора й перетворення напружень

Центр
C = (σx + σy)/2
Радіус
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Головні напруження
σ1,2 = C ± R
Головний напрямок
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Похила площадка
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Метод

  1. Обчисліть центр кола Мора: C = (σx + σy)/2.
  2. Обчисліть радіус: R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Головні напруження дорівнюють C ± R, а найбільше дотичне напруження в площині — R.
  4. Кути на колі вдвічі більші за кути на елементі: tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Прогин балки

Зосереджена сила посередині прольоту
δ = PL³/(48EI)
Рівномірне навантаження, шарнірно оперта балка
δ = 5wL⁴/(384EI)
Консоль, сила на кінці
δ = PL³/(3EI)
Консоль, рівномірне навантаження
δ = wL⁴/(8EI)
Метод накладання
δ = δ1 + δ2

Стійкість колон

Критична сила Ейлера
Pcr = π²EI/(KL)²
Коефіцієнт розрахункової довжини
K = 1 шарнір–шарнір, 0,5 защемлення–защемлення, 0,7 защемлення–шарнір, 2 защемлення–вільний кінець
Критичне напруження
σcr = Pcr/A
Гнучкість
λ = KL/r, r = √(I/A)

2Задачі для практики

1.Осьове напруження й деформаціяСередня
Ø 12 mmЛатунь2,5 mP = 100 kN

Знайдіть видовження δ стрижня (латунь) під дією осьового навантаження.

P = 100 kNd = 12 mmL = 2,5 mE = 100 GPa
δ = mm
2.Осьове напруження й деформаціяСкладна
Ø 40 mmАлюміній1 mØ 16 mmЛатунь1 mP = 105 kN

Ступінчастий стрижень закріплений у стіні й навантажений на вільному кінці. Знайдіть найбільше нормальне напруження σmax у стрижні.

P = 105 kNділянка 1: Ø40 mm, 1 m, алюміній (E = 70 GPa)ділянка 2: Ø16 mm, 1 m, латунь (E = 100 GPa)
σmax = MPa
3.Кручення валівСередня
do​ = 50, di​ = 38 mmT = 1000 N·mL = 2,5 m

Порожнистий вал (алюміній; зовнішній діаметр 50 mm, внутрішній діаметр 38 mm, довжина 2,5 m) закріплений на одному кінці й закручується моментом 1000 N·m на іншому. Знайдіть кут закручування φ у градусах.

T = 1000 N·mdo = 50 mmdi = 38 mmL = 2,5 mG = 26 GPa
φ = °
4.Кручення валівСкладна
d = 50 mmTB​ = 200 N·mTC​ = 100 N·mABC2 m0,5 m

Суцільний вал (сталь) діаметром 50 mm закріплений в A. У B, на відстані 2 m від A, діє обертовий момент 200 N·m, а на вільному кінці C, ще на 0,5 m далі, діє момент 100 N·m у тому самому напрямку. Знайдіть максимальне дотичне напруження τmax у валу.

d = 50 mmTB = 200 N·mTC = 100 N·mAB = 2 mBC = 0,5 m
τmax = MPa
5.Поперечна сила і згинальний моментСередня
50 kN35 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

Позначки від A до G ділять балку на шість рівних частин. У якій позначці згинальний момент найбільший за величиною, додатний чи від’ємний? Клацніть її на діаграмі.

50 kN @ 3 m35 kN @ 1 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
6.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
w = 20 kN/mAB2 m3 m3 m

Шарнірно оперта балка навантажена рівномірно розподіленим навантаженням на частині прольоту. Знайдіть максимальний згинальний момент Mmax у балці.

L = 8 mw = 20 kN/m від 2 до 5 m
Mmax = kN·m
7.Центр ваги й момент інерціїСередня
200 mm150 mm52,5 mmØ60xIx​ = ?

Пластина 200 мм × 150 мм має круглий отвір діаметром 60 мм на вертикальній осі симетрії, центр якого на 52,5 мм вище від низу. Знайдіть момент інерції площі Ix відносно горизонтальної осі, що проходить через центр ваги.

b = 200 mmh = 150 mmd = 60 mmцентр отвору: y = 52,5 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.Центр ваги й момент інерціїСкладна
2403014010xM = 50 kN·mрозміри в mm

Тавровий переріз працює як балка з полицею вгорі й сприймає додатний згинальний момент 50 kN·m. Знайдіть величину напруження згину σверх на верхньому краї.

bf = 240 mmtf = 30 mmtw = 10 mmhw = 140 mmM = 50 kN·m
σверх = MPa
9.Коло Мора й перетворення напруженьСередня
σx​ = −20σy​ = 20τxy​ = 60MPa

У точці навантаженої деталі σₓ = −20 MPa, σᵧ = 20 MPa і τₓᵧ = 60 MPa (розтяг додатний). Знайдіть найбільше дотичне напруження в площині τmax.

σx = −20 MPaσy = 20 MPaτxy = 60 MPa
τmax = MPa
10.Коло Мора й перетворення напруженьСкладна
σx​τxy​верхня поверхня вала

Суцільний вал діаметром 60 mm сприймає згинальний момент 1000 N·m разом з обертовим моментом 1500 N·m. На верхній поверхні, де нормальне напруження від згину розтягувальне й найбільше, знайдіть найбільше головне напруження σ1.

d = 60 mmM = 1000 N·mT = 1500 N·m
σ1 = MPa
11.Прогин балкиСередня
P = 12 kNABδ2 m4 m

Консоль завдовжки L защемлена в A і навантажена зосередженою силою P на відстані a = 2 m від A. Знайдіть прогин δB вільного кінця B.

P = 12 kNa = 2 mL = 6 mE = 70 GPa (алюміній)I = 57 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
12.Прогин балкиСкладна
P = 30 kNAB2,5 m2,5 m

Балка защемлена в A і шарнірно оперта в B (консоль із додатковою опорою). Вона навантажена зосередженою силою P посередині прольоту. EI стале. Знайдіть величину згинального моменту MA у защемленні.

L = 5 mP = 30 kN у 2,5 m
MA = kN·m
13.Стійкість колонСередня
PL = 6 m40 × 80 mmпоперечний переріз

Колона довжиною L з матеріалу (алюміній) шарнірно оперта з обох кінців. За формулою Ейлера знайдіть її критичну силу Pcr.

L = 6 mE = 70 GPa (алюміній)b × h = 40 × 80 mm
Pcr = kN
14.Стійкість колонСкладна
PL = 4 md = 80 mmпоперечний переріз

Колона довжиною L з матеріалу (сталь) защемлена внизу й вільна вгорі. Знайдіть її гнучкість і критичне напруження σcr за формулою Ейлера.

L = 4 mE = 200 GPa (сталь)d = 80 mm
σcr = MPa

3Розчини

1.Осьове напруження й деформація

Відповідь: δ = 22,1 mm

Закон Гука: у пружній області σ = E·ε. Разом із σ = P/A та ε = δ/L це дає δ = PL/(AE).

Напруження

A = π·12²/4 = 113,1 mm²
σ = P/A = 100·1000/113,1 = 884,2 MPa

Деформація (закон Гука)

E for латунь = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 884,2/100000 = 0,008842 = 8842 µε

Видовження

δ = ε·L = 0,008842·2500 mm = 22,1 mm

Відповідь

δ = 22,1 mm
2.Осьове напруження й деформація

Відповідь: σmax = 522,2 MPa

Осьово навантажені елементи: кожна призматична ділянка підкоряється δ = PL/(AE). Для послідовних ділянок видовження додаються.

Однакова сила в обох ділянках

Вільний кінець сприймає P, тож кожен переріз стрижня сприймає ту саму осьову силу P. Змінюються лише площі й матеріали.

A1 = π·40²/4 = 1257 mm², A2 = π·16²/4 = 201,1 mm²
σ1 = 83,56 MPa
σ2 = 522,2 MPa

Найбільше напруження

Тонша ділянка має меншу площу, тож у ній більше напруження.

σmax = 522,2 MPa

Відповідь

σmax = 522,2 MPa
3.Кручення валів

Відповідь: φ = 13,47 °

Кручення круглих валів: дотичне напруження лінійно зростає від нуля в центрі до τmax = T·r/J на поверхні, де J = πd⁴/32 для суцільного вала і J = π(do⁴ − di⁴)/32 для порожнистого. Кут закручування φ = TL/(GJ) у радіанах. Потужність і крутний момент пов’язані як P = T·ω.

Полярний момент інерції

J = π(50⁴ − 38⁴)/32 = 408885 mm⁴

Кут закручування

T = 1000 N·m = 1 × 10⁶ N·mm
L = 2,5 m = 2500 mm
G = 26 GPa = 26000 MPa
φ = TL/(GJ) = 1 × 10⁶·2500/(26000·408885) = 0,2352 rad
φ = 0,2352·180/π = 13,47°

Відповідь

φ = 13,47°
4.Кручення валів

Відповідь: τmax = 12,22 MPa

Кручення круглих валів: дотичне напруження лінійно зростає від нуля в центрі до τmax = T·r/J на поверхні, де J = πd⁴/32 для суцільного вала і J = π(do⁴ − di⁴)/32 для порожнистого. Кут закручування φ = TL/(GJ) у радіанах. Потужність і крутний момент пов’язані як P = T·ω.

Внутрішні крутні моменти

Напрямок TC прийнято за додатний.

TBC = TC = 100 N·m
TAB = TC + TB = 100 + 200 = 300 N·m

Найбільше дотичне напруження

Ділянка з найбільшим внутрішнім крутним моментом має найбільше напруження (діаметр однаковий).

|T|max = 300 N·m
τmax = 16·300000/(π·50³) = 12,22 MPa

Відповідь

τmax = 12,22 MPa
5.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: D (x = 3 m)

Найбільший згинальний момент: нахил M змінюється там, де змінюється поперечна сила, тож його піки лежать там, де поперечна сила проходить через нуль: під зосередженою силою, всередині розподіленого навантаження або над опорою консолі. У жорсткому закладенні консолі момент найбільший біля стіни. Порівняйте величину M у цих місцях, прогинальний чи від’ємний.

Опорні реакції

Візьміть моменти відносно однієї опори, потім використайте баланс вертикальних сил.

R1 = 54,17 kN, R2 = 30,83 kN

Згинальний момент у кожній позначці

Додайте моменти всіх сил з одного боку розрізу. Прогин униз додатний, вигин угору від’ємний.

MA = 0, MB = 54,17, MC = 73,33, MD = 92,5 kN·m, ME = 61,67, MF = 30,83, MG = 0

Відповідь

Позначка D: MD = 92,5 kN·m
6.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mmax = 95,98 kN·m

Метод перерізів: розріжте балку там, де потрібні внутрішні сили, і залиште одну частину. Поперечна сила V зрівноважує вертикальні сили цієї частини, а згинальний момент M — їхні моменти відносно перерізу. Максимальний момент: оскільки dM/dx = V, згинальний момент досягає максимуму там, де поперечна сила переходить через нуль: або під зосередженою силою, або в межах розподіленого навантаження.

Опорні реакції

Рівновага всієї балки.

Рівнодійна розподіленого навантаження: W = w·ℓ = 20·3 = 60 kN, прикладена в x̄ = 3,5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 20·3·3,5
RB = 210/8 = 26,25 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 26,25 = 33,75 kN

Нульова поперечна сила

Поперечна сила починається з RA, залишається сталою на ненавантажених ділянках і зменшується з нахилом w у межах навантаження.

RA − w·(x0 − 2) = 0
x0 = 2 + 33,75/20 = 3,688 m

Максимальний момент

Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 2)²/2 = 33,75·3,688 − 20·1,688²/2 = 95,98 kN·m

Відповідь

Mmax = 95,98 kN·m
7.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Ix = 54,03 × 10⁶ mm⁴

Перерізи з отворами: розглядайте отвір як від’ємну площу. Центр ваги ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), де A₁, y₁ — для суцільної пластини, а A₂, y₂ — для отвору. Для моменту інерції площі відносно центральної осі застосуйте теорему про паралельне перенесення осей для кожної частини й відніміть отвір: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), де d — відстань від власного центра ваги кожної частини до осі, що проходить через ȳ. Прямокутник має Ic = bh³/12, а круг — Ic = πd⁴/64.

Центр ваги

ȳ = (30000·75 − 2827·52,5)/(30000 − 2827) = 77,34 mm

Суцільна пластина відносно ȳ

200·150³/12 + 30000·−2,341² = 56,41 × 10⁶ mm⁴

Отвір відносно ȳ

π·60⁴/64 + 2827·−24,84² = 2,381 × 10⁶ mm⁴

Відніміть

Ix = 54,03 × 10⁶ mm⁴

Відповідь

Ix = 54,03 × 10⁶ mm⁴
8.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: σверх = 127,7 MPa

Складені перерізи: поділіть переріз на прямокутники. Центр ваги — середнє, зважене за площами: ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Момент інерції відносно центральної осі сумує власний bh³/12 кожної частини та член паралельного перенесення A·d², де d — відстань від центра ваги частини до загального центра ваги. Напруження згину σ = M·y/I.

Поділіть на два прямокутники

Кожне y відраховуйте від нижнього краю.

полиця: Af = 240·30 = 7200 mm², yf = 140 + 30/2 = 155 mm
стінка: Aw = 10·140 = 1400 mm², yw = 140/2 = 70 mm

Центр ваги

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (7200·155 + 1400·70)/8600 = 141,2 mm

Теорема про паралельне перенесення осей

полиця: 240·30³/12 + 7200·(155 − 141,2)² = 1,919 × 10⁶ mm⁴
стінка: 10·140³/12 + 1400·(70 − 141,2)² = 9,376 × 10⁶ mm⁴
Ix = 1,919 × 10⁶ + 9,376 × 10⁶ = 1,13 × 10⁷ mm⁴

Напруження згину

Верхній край на відстані h − ȳ від осі.

y = 170 − 141,2 = 28,84 mm
σ = M·y/I = 5 × 10⁷·28,84/1,13 × 10⁷ = 127,7 MPa

Відповідь

σверх = 127,7 MPa
9.Коло Мора й перетворення напружень

Відповідь: τmax = 63,25 MPa

Перетворення напружень при плоскому напруженому стані: на площадці, повернутій на кут θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Коло Мора показує всі площадки одночасно: його центр C = (σₓ + σᵧ)/2, а радіус R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Головні напруження дорівнюють C ± R, а найбільше дотичне напруження в площині дорівнює R.

στxyCτmax​

Радіус кола Мора

τmax = R = √(((−20 − 20)/2)² + 60²) = 63,25 MPa

Відповідь

τmax = 63,25 MPa
10.Коло Мора й перетворення напружень

Відповідь: σ1 = 66,09 MPa

Перетворення напружень при плоскому напруженому стані: на площадці, повернутій на кут θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Коло Мора показує всі площадки одночасно: його центр C = (σₓ + σᵧ)/2, а радіус R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Головні напруження дорівнюють C ± R, а найбільше дотичне напруження в площині дорівнює R.

Напруження на поверхні

σ = 32M/(πd³) = 32·1000000/(π·60³) = 47,16 MPa
τ = 16T/(πd³) = 16·1500000/(π·60³) = 35,37 MPa
στxyCσ1​σ2​

Коло Мора

C = σ/2 = 23,58 MPa
R = √(23,58² + 35,37²) = 42,51 MPa
σ1 = C + R = 66,09 MPa
σ2 = C − R = −18,93 MPa

Відповідь

σ1 = 66,09 MPa
11.Прогин балки

Відповідь: δB = 32,08 mm

Прогин балок: прогини отримують подвійним інтегруванням кривини M/(EI). Типові випадки наведено в таблицях, наприклад PL³/(3EI) для консолі із силою на кінці та 5wL⁴/(384EI) для шарнірно опертої балки з рівномірним навантаженням на весь проліт. Прогини від окремих навантажень додаються (принцип накладання).

Узгоджені одиниці

Рахуйте в N і mm: P у N, w у N/mm (kN/m = N/mm), L у mm, E у N/mm² (GPa × 1000), I у mm⁴.

P = 12000 N, a = 2000 mm, L = 6000 mm
EI = 3,99 × 10¹² N·mm²

Прогин вільного кінця

Прогин під силою плюс кут повороту під силою, помножений на решту довжини.

δP = Pa³/(3EI) = 8,02 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,006015 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 32,08 mm

Відповідь

δB = 32,08 mm
12.Прогин балки

Відповідь: MA = 28,13 kN·m

Прогин балок: прогини отримують подвійним інтегруванням кривини M/(EI). Типові випадки наведено в таблицях, наприклад PL³/(3EI) для консолі із силою на кінці та 5wL⁴/(384EI) для шарнірно опертої балки з рівномірним навантаженням на весь проліт. Прогини від окремих навантажень додаються (принцип накладання). Для статично невизначуваної балки відкиньте зайву опору й вимагайте, щоб прогин у цьому місці дорівнював нулю (умова сумісності деформацій).

Відкиньте додаткову опору

Без додаткової опори балка є консоллю. Її вільний кінець прогнувся б під навантаженням.

δload = P(L/2)²(3L − L/2)/(6EI) = 5PL³/(48EI)

Умова сумісності деформацій на додатковій опорі

Сама реакція додаткової опори RB піднімає вільний кінець на RBL³/(3EI). Опора утримує B з нульовим прогином, тож ці два прогини мають взаємно знищитися. EI скорочується.

RB·L³/(3EI) = 5PL³/(48EI) → RB = 5P/16 = 5·30/16 = 9,375 kN

Момент у защемленні

Моменти навантажень і реакції додаткової опори відносно A.

MA = P·L/2 − RB·L = 75 − 46,88 = 28,13 kN·m

Відповідь

MA = 28,13 kN·m
13.Стійкість колон

Відповідь: Pcr = 8,188 kN

Втрата стійкості за Ейлером: гнучка колона втрачає стійкість при Pcr = π²EI/(KL)², де KL — розрахункова довжина: K = 1 для шарнір–шарнір, 2 для защемлення–вільний кінець, 0,7 для защемлення–шарнір і 0,5 для защемлення–защемлення. Вона вигинається відносно осі з найменшим I. Формула справедлива для гнучких колон, критичне напруження яких менше за межу текучості.

Найменший момент інерції

Прямокутник втрачає стійкість відносно слабкої осі, з меншим розміром у кубі.

Imin = h·b³/12 = 80·40³/12 = 426667 mm⁴

Розрахункова довжина

KL = 1·6000 = 6000 mm

Критична сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·426667/6000² = 8188 N = 8,188 kN

Відповідь

Pcr = 8,188 kN
14.Стійкість колон

Відповідь: σcr = 12,34 MPa

Втрата стійкості за Ейлером: гнучка колона втрачає стійкість при Pcr = π²EI/(KL)², де KL — розрахункова довжина: K = 1 для шарнір–шарнір, 2 для защемлення–вільний кінець, 0,7 для защемлення–шарнір і 0,5 для защемлення–защемлення. Вона вигинається відносно осі з найменшим I. Формула справедлива для гнучких колон, критичне напруження яких менше за межу текучості.

Найменший момент інерції

Круглий переріз має однаковий I відносно будь-якої осі.

I = πd⁴/64 = π·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Радіус інерції і гнучкість

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 2·4000 = 8000 mm
KL/r = 8000/20 = 400

Критичне напруження

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/400² = 12,34 MPa

Відповідь

σcr = 12,34 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/mechanics-of-materials