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
50 kNØ25100 GPaØ80/60600 mmδ = ?

Стрижень сталь (діаметр 25 мм, E = 200 ГПа) міститься всередині труби з латунь (зовнішній діаметр 80 мм, внутрішній діаметр 60 мм, E = 100 ГПа). Обидва мають довжину 600 мм і стискаються разом між жорсткими плитами силою 50 кН. Знайдіть вкорочення δ.

P = 50 kNстрижень: Ø25 mm, E = 200 GPaтруба: Ø80/Ø60 mm, E = 100 GPaL = 600 mm
δ = mm
2.Осьове напруження й деформаціяСкладна
P = ?Ø25110 GPaØ80/60300 mm

Стрижень сталь (діаметр 25 мм, E = 200 ГПа, допустиме напруження 200 МПа) міститься всередині труби з бронза (зовнішній діаметр 80 мм, внутрішній діаметр 60 мм, E = 110 ГПа, допустиме напруження 50 МПа). Їх стискають разом між жорсткими плитами. Знайдіть найбільше навантаження Pmax.

стрижень: Ø25 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPaтруба: Ø80/Ø60 mm, E = 110 GPa, σallow = 50 MPa
Pmax = kN
3.Кручення валівСередня
T = 200 N·md = 50 mmL = 1,5 mφ = ?

Суцільний вал (латунь) закріплений у стіні й закручується моментом T на вільному кінці. Знайдіть кут закручування φ вільного кінця в градусах.

T = 200 N·md = 50 mmL = 1,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Кручення валівСкладна
Tdo​ = 40 mm, di​ = 28 mm

Порожнистий вал передає 20 kW при 1000 об/хв. Знайдіть найбільше дотичне напруження τmax у валу.

P = 20 kWN = 1000 rpmdo = 40 mmdi = 28 mm
τmax = MPa
5.Поперечна сила і згинальний моментСередня
w = 2 kN/mABпереріз2,5 m2,5 m

Знайдіть згинальний момент Mx у перерізі x = 2,5 m від опори A. Додатними вважайте моменти, що розтягують нижні волокна, і поперечну силу, спрямовану вгору на лівій грані.

L = 5 mw = 2 kN/m від 0 до 5 mx = 2,5 m
Mx = kN·m
6.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
w = 16 kN/mAB1 m3 m

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

L = 4 mw = 16 kN/m від 1 до 4 m
Mmax = kN·m
7.Центр ваги й момент інерціїСередня
2203028018xрозміри в mm

Знайдіть момент інерції Ix таврового перерізу відносно горизонтальної осі x, що проходить через центр ваги.

bf = 220 mmtf = 30 mmtw = 18 mmhw = 280 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.Центр ваги й момент інерціїСкладна
1802014020xдодатний Mрозміри в mm

Чавунна балка має показаний тавровий переріз із полицею вгорі. Допустимі напруження: 30 MPa на розтяг і 120 MPa на стиск. Знайдіть найбільший додатний згинальний момент Mallow, який може витримати балка.

bf = 180 mmtf = 20 mmtw = 20 mmhw = 140 mmσt,allow = 30 MPaσc,allow = 120 MPa
Mallow = kN·m
9.Коло Мора й перетворення напруженьСередня
σx​ = −30σy​ = 10MPaτxy​ = ?

У точці σₓ = −30 MPa і σᵧ = 10 MPa. До якої величини може зрости дотичне напруження τxy (за модулем), перш ніж найбільше головне напруження досягне 40 MPa?

σx = −30 MPaσy = 10 MPaσ1 = 40 MPa
τxy = MPa
10.Коло Мора й перетворення напруженьСкладна
σx​ = 120σy​ = 120τxy​ = 40MPa

У точці навантаженої деталі σₓ = 120 MPa, σᵧ = 120 MPa і τₓᵧ = 40 MPa (розтяг додатний). Знайдіть нормальне напруження σθ на площадці, нормаль до якої повернута на 20° проти годинникової стрілки від осі x.

σx = 120 MPaσy = 120 MPaτxy = 40 MPaθ = 20°
σθ = MPa
11.Прогин балкиСередня
w = 10 kN/mδL = 2 m

Консоль навантажена рівномірно розподіленим навантаженням w по всій довжині. Знайдіть прогин δ вільного кінця.

w = 10 kN/mL = 2 mE = 70 GPa (алюміній)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
12.Прогин балкиСкладна
P = 40 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 реакцію RB додаткової опори.

L = 5 mP = 40 kN у 2,5 m
RB = kN
13.Стійкість колонСередня
PL = 4 md = 80 mmпоперечний переріз

Колона довжиною L з матеріалу (алюміній) защемлена внизу й вільна вгорі. За формулою Ейлера знайдіть її критичну силу Pcr.

L = 4 mE = 70 GPa (алюміній)d = 80 mm
Pcr = kN
14.Стійкість колонСкладна
PL = 1,5 md = 40 mmпоперечний переріз

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

L = 1,5 mE = 70 GPa (алюміній)d = 40 mm
σcr = MPa

3Розчини

1.Осьове напруження й деформація

Відповідь: δ = 0,09431 mm

Два матеріали: при послідовному з’єднанні (один за одним) кожна ділянка сприймає ту саму силу, а подовження додаються: δ = P·Σ L/(E·A). При паралельному (поряд між жорсткими плитами) обидві частини вкорочуються однаково, тож їхні деформації рівні: жорсткіша частина бере більшу частку, Pi = P·EiAi/ΣEA, а σi = Ei·ε. Стрижень, затиснутий між двома жорсткими стінами з навантаженням у стику, статично невизначуваний: дві ділянки ділять навантаження пропорційно жорсткості k = EA/L.

Площі

Ar = π·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Сумарна осьова жорсткість

ΣEA = 200·10³·490,9 + 100·10³·2199 = 3,181 × 10⁸ N

Вкорочення

δ = 50000·600/3,181 × 10⁸ = 0,09431 mm

Відповідь

δ = 0,09431 mm
2.Осьове напруження й деформація

Відповідь: Pmax = 154,6 kN

Два матеріали: при послідовному з’єднанні (один за одним) кожна ділянка сприймає ту саму силу, а подовження додаються: δ = P·Σ L/(E·A). При паралельному (поряд між жорсткими плитами) обидві частини вкорочуються однаково, тож їхні деформації рівні: жорсткіша частина бере більшу частку, Pi = P·EiAi/ΣEA, а σi = Ei·ε. Стрижень, затиснутий між двома жорсткими стінами з навантаженням у стику, статично невизначуваний: дві ділянки ділять навантаження пропорційно жорсткості k = EA/L.

Площі

Ar = π·25²/4 = 490,9 mm²
At = π(80² − 60²)/4 = 2199 mm²

Сумарна осьова жорсткість

ΣEA = 200·10³·490,9 + 110·10³·2199 = 3,401 × 10⁸ N

Визначальна деформація

ε = min(0,001, 0,0004545) = 0,0004545 (бронза)

Найбільше навантаження

Pmax = 0,0004545·3,401 × 10⁸ = 154581 N = 154,6 kN

Відповідь

Pmax = 154,6 kN
3.Кручення валів

Відповідь: φ = 0,7183 °

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·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Кут закручування

φ = TL/(GJ) = 200·1000·1500/(39000·613592) = 0,01254 rad
φ = 0,01254·180/π = 0,7183°

Відповідь

φ = 0,7183°
4.Кручення валів

Відповідь: τmax = 20 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.

Крутний момент

ω = 2πN/60 = 2π·1000/60 = 104,7 rad/s
T = P/ω = 20000/104,7 = 191 N·m

Полярний момент інерції

J = π(40⁴ − 28⁴)/32 = 190984 mm⁴

Найбільше дотичне напруження

τmax = T·(do/2)/J = 190986·20/190984 = 20 MPa

Відповідь

τmax = 20 MPa
5.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mx = 6,25 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.

Опорні реакції

Рівновага всієї балки.

Рівнодійна розподіленого навантаження: W = w·ℓ = 2·5 = 10 kN, прикладена в x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 2·5·2,5
RB = 25/5 = 5 kN
ΣFy = 0: RA = 10 − 5 = 5 kN
w = 2 kN/mABRA​ = 5RB​ = 5переріз2,5 m2,5 m

Розріжте в x = 2,5 m і залиште ліву частину

Враховуються лише сили ліворуч від перерізу. Ділянка розподіленого навантаження діє як одна сила посередині цієї ділянки.

M = RA·x − (кожне навантаження ліворуч від перерізу × його відстань до перерізу)
Mx = 5·2,5 − 2·2,5·1,25 = 6,25 kN·m

Відповідь

Mx = 6,25 kN·m
6.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mmax = 28,13 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 = 16·3 = 48 kN, прикладена в x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 16·3·2,5
RB = 120/4 = 30 kN
ΣFy = 0: RA = 48 − 30 = 18 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 − 1) = 0
x0 = 1 + 18/16 = 2,125 m

Максимальний момент

Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 1)²/2 = 18·2,125 − 16·1,125²/2 = 28,13 kN·m

Відповідь

Mmax = 28,13 kN·m
7.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Ix = 102,1 × 10⁶ mm⁴

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 = 220·30 = 6600 mm², yf = 280 + 30/2 = 295 mm
стінка: Aw = 18·280 = 5040 mm², yw = 280/2 = 140 mm

Центр ваги

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (6600·295 + 5040·140)/11640 = 227,9 mm

Теорема про паралельне перенесення осей

полиця: 220·30³/12 + 6600·(295 − 227,9)² = 3,022 × 10⁷ mm⁴
стінка: 18·280³/12 + 5040·(140 − 227,9)² = 7,186 × 10⁷ mm⁴
Ix = 3,022 × 10⁷ + 7,186 × 10⁷ = 1,021 × 10⁸ mm⁴ = 102,1 × 10⁶ mm⁴

Відповідь

Ix = 102,1 × 10⁶ mm⁴
8.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Mallow = 3,854 kN·m

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.

Центр ваги

ȳ = (3600·150 + 2800·70)/6400 = 115 mm
верхній край: c = 160 − 115 = 45 mm

Момент інерції перерізу

I = 180·20³/12 + 3600·35² + 20·140³/12 + 2800·45² = 1,477 × 10⁷ mm⁴

Момент, допустимий за кожним краєм

Додатний момент: верх стиснутий, низ розтягнутий.

верхній край: M = 120·1,477 × 10⁷/45 = 39,4 kN·m
нижній край: M = 30·1,477 × 10⁷/115 = 3,854 kN·m

Визначальне значення

Mallow = min = 3,854 kN·m (нижній край)

Відповідь

Mallow = 3,854 kN·m
9.Коло Мора й перетворення напружень

Відповідь: τxy = 45,83 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.

Потрібний радіус

C = (−30 + 10)/2 = −10 MPa
R = σ1 − C = 40 − (−10) = 50 MPa
στxyCσ1​σ2​

Дотичне напруження

τxy = √(R² − ((σₓ − σᵧ)/2)²) = √(50² − 20²) = 45,83 MPa

Відповідь

τxy = 45,83 MPa
10.Коло Мора й перетворення напружень

Відповідь: σθ = 145,7 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.

Формула перетворення

σθ = 120 + 0·0,766 + 40·0,6428 = 145,7 MPa

Відповідь

σθ = 145,7 MPa
11.Прогин балки

Відповідь: δ = 3,401 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.

w = 10 N/mm, L = 2000 mm
EI = 5,88 × 10¹² N·mm²

Прогин

δ = wL⁴/(8EI) = 10·2000⁴/(8·5,88 × 10¹²) = 3,401 mm

Відповідь

δ = 3,401 mm
12.Прогин балки

Відповідь: RB = 12,5 kN

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 = 5·40/16 = 12,5 kN

Відповідь

RB = 12,5 kN
13.Стійкість колон

Відповідь: Pcr = 21,7 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

Круглий переріз має однаковий I відносно будь-якої осі.

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

Розрахункова довжина

KL = 2·4000 = 8000 mm

Критична сила

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·2,011 × 10⁶/8000² = 21704 N = 21,7 kN

Відповідь

Pcr = 21,7 kN
14.Стійкість колон

Відповідь: σcr = 7,676 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Радіус інерції і гнучкість

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 2·1500 = 3000 mm
KL/r = 3000/10 = 300

Критичне напруження

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/300² = 7,676 MPa

Відповідь

σcr = 7,676 MPa

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