Статика: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 12 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

Вектори: скалярний і векторний добутки

Модуль
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Одиничний вектор
û = a/|a|
Компоненти за кутом
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Скалярний добуток
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Скалярна проєкція a на b
a·b/|b|
Робота
W = F·d
Векторний добуток
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Площі
паралелограм |a × b|, трикутник ½|a × b|
Момент відносно O
MO = r × F, r = A − O
Об’єм паралелепіпеда
V = |a·(b × c)|

Метод

  1. Запишіть кожен вектор у компонентах; для сили, заданої модулем і кутом, використовуйте F·cos θ і F·sin θ.
  2. Для довжин і напрямів використовуйте модуль √(x² + y² + z²) та одиничний вектор a/|a|.
  3. Скалярний добуток використовуйте для кутів, проєкцій, перпендикулярності й роботи: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Векторний добуток використовуйте для перпендикулярних векторів, площ і моментів: акуратно запишіть три компоненти, зберігаючи порядок a × b.

Опорні реакції балок

Рівновага
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Рівномірне навантаження
рівнодійна w·L посередині навантаження
Момент
M = F·d

Метод

  1. Накресліть розрахункову схему й замініть кожну опору її реакціями.
  2. Замініть кожне розподілене навантаження однією силою в його центрі ваги.
  3. Візьміть моменти відносно однієї опори, щоб знайти реакцію другої.
  4. Використайте ΣFy = 0, щоб знайти решту реакції, і перевірте другим рівнянням моментів.

Ферма: метод вирізання вузлів

Метод вирізання вузлів
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Метод перерізів
ΣM = 0 about a cut point
Зусилля в стрижні
додатне = розтяг, від’ємне = стиск

Метод

  1. Знайдіть реакції опор для всієї ферми.
  2. Метод вирізання вузлів: почніть з вузла, де не більше двох невідомих зусиль у стрижнях, і використайте ΣFx = 0 і ΣFy = 0.
  3. Метод перерізів: розріжте потрібний стрижень і візьміть моменти відносно точки, де перетинаються інші невідомі стрижні.
  4. Припускайте розтяг; від’ємна відповідь означає стиск.

Рами та механізми

Рівновага кожного стрижня
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Двосиловий стрижень
сила напрямлена вздовж прямої, що проходить через два його шарніри
Сила в шарнірі
однакові за модулем і протилежні за напрямом на двох стрижнях, які він з’єднує
Модуль сили в шарнірі
F = √(Fx² + Fy²)
Важіль, кліщі, кутовий важіль
Fin·a = Fout·b
Колінно-важільний механізм
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Рівномірне навантаження
рівнодійна w·L посередині навантаження

Метод

  1. Накресліть усю конструкцію й знайдіть реакції опор, якщо невідомих не більше трьох.
  2. Знайдіть двосилові стрижні: вони навантажені лише у двох шарнірах, тож їхня сила діє вздовж прямої між шарнірами.
  3. Розбийте раму на частини й накресліть кожен стрижень окремо, з однаковими за модулем і протилежними за напрямом силами в шарнірах там, де стрижні сходяться.
  4. Для кожного стрижня візьміть моменти відносно шарніра з невідомими силами, потім використайте ΣFx = 0 і ΣFy = 0; складові об’єднайте в модуль наприкінці.

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)

2Задачі для практики

1.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
xyzab

Знайдіть значення k, за якого вектори a = (4, −4, 0) і b = (−2, k, 5) перпендикулярні.

a = (4, −4, 0)b = (−2, k, 5)
k =
2.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Одиничний вектор n̂ перпендикулярний до обох векторів a = (2, −3, 1) і b = (1, −1, 0) та має додатну z-компоненту. Знайдіть його x-компоненту n̂x.

a = (2, −3, 1)b = (1, −1, 0)n̂z > 0
n̂x =
3.Опорні реакції балокСередня
P1​ = 55 kNP2​ = 45 kNABRA​ = ?RB​3 m0,5 m2,5 m

Шарнірно оперта балка має нерухому шарнірну опору в A і рухому в B. Знайдіть вертикальну опорну реакцію RA.

L = 6 mP1 = 55 kN у 3 mP2 = 45 kN у 3,5 m
RA = kN
4.Опорні реакції балокСкладна
w = 3 kN/mP = 25 kNABRA​ = ?RB​3 m3 m

Шарнірно оперта балка має нерухому шарнірну опору в A і рухому в B. Знайдіть вертикальну опорну реакцію RA.

L = 6 mP = 25 kN у 3 mw = 3 kN/m від 3 до 6 m
RA = kN
5.Ферма: метод вирізання вузлівСередня
ABBCACACB45 kN6 m5 m2 m

Методом вирізання вузлів знайдіть зусилля FAB у стрижні AB. Розтяг давайте додатним, стиск — від’ємним.

проліт = 6 mвисота = 2 mB на відстані 5 m від Aвертикальне навантаження = 45 kN
FAB = kN
6.Ферма: метод вирізання вузлівСкладна
ABBCACACB25 kN25 kN6 m2 m3 m

Методом вирізання вузлів знайдіть зусилля FAC у стрижні AC. Розтяг давайте додатним, стиск — від’ємним.

проліт = 6 mвисота = 3 mB на відстані 2 m від Aвертикальне навантаження = 25 kNгоризонтальне навантаження = 25 kN →
FAC = kN
7.Рами та механізмиСередня
8 kN8 m3 m2,4 mABCK

Показана рама має шарніри в A, B і C; A і C закріплені на землі на відстані 8 м одна від одної, а B розташований на 3 м над землею і на 2,4 м праворуч від A. Вертикальне навантаження 8 кН діє на стрижень AB у K на 1,8 м (по горизонталі) від A. Знайдіть силу FBC у стрижні BC.

P = 8 kNL = 8 mH = 3 mгоризонтальна відстань від A до B = 2,4 mгоризонтальна відстань від A до K = 1,8 m
FBC = kN
8.Рами та механізмиСкладна
10 kN1,5 kN5 m2,5 mABC

Однорідна горизонтальна стріла AB вагою 1,5 кН закріплена шарніром до стіни в A і утримується канатом від B до точки C на стіні на 2,5 м вище від A. У B висить вантаж 10 кН. Знайдіть модуль реакції шарніра A.

W = 10 kNWb = 1,5 kNAB = 5 mAC = 2,5 m
A = kN
9.Поперечна сила і згинальний моментСередня
w = 8 kN/mABпереріз0,5 m5,5 m

Знайдіть поперечну силу Vx у перерізі x = 0,5 m від опори A. Додатними вважайте моменти, що розтягують нижні волокна, і поперечну силу, спрямовану вгору на лівій грані.

L = 6 mw = 8 kN/m від 0 до 6 mx = 0,5 m
Vx = kN
10.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
5 kN/m30 kN25 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.

30 kN @ 6 m25 kN @ 1 m5 kN/m, 0–5 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)
11.Центр ваги й момент інерціїСередня
2802516014xрозміри в mm

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

bf = 280 mmtf = 25 mmtw = 14 mmhw = 160 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерціїСкладна
1001528010xдодатний Mрозміри в mm

Чавунна балка має показаний тавровий переріз із полицею вгорі. Допустимі напруження: 30 MPa на розтяг і 90 MPa на стиск. Знайдіть найбільший додатний згинальний момент Mallow, який може витримати балка.

bf = 100 mmtf = 15 mmtw = 10 mmhw = 280 mmσt,allow = 30 MPaσc,allow = 90 MPa
Mallow = kN·m

3Розчини

1.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = −2

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.

Скалярний добуток дорівнює нулю

a·b = 4·(−2) + (−4)·k + 0·5 = 0
−8 + (−4)·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −(−8)/(−4) = −2

Відповідь

k = −2
2.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: n̂x = 0,5774

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.

Векторний добуток

(a × b)x = aybz − azby = (−3)·0 − 1·(−1) = 1
(a × b)y = azbx − axbz = 1·1 − 2·0 = 1
(a × b)z = axby − aybx = 2·(−1) − (−3)·1 = 1

Нормування

z-компонента a × b уже додатна.

|a × b| = √(1² + 1² + 1²) = 1,732
n̂ = (1, 1, 1)/1,732 = (0,5774, 0,5774, 0,5774)
n̂x = 0,5774

Відповідь

n̂x = 0,5774
3.Опорні реакції балок

Відповідь: RA = 46,25 kN

Статична рівновага: для тіла в спокої ΣFx = 0, ΣFy = 0 і ΣM = 0 відносно будь-якої точки. Моменти відносно однієї опори виключають її реакцію з рівняння.

P1​ = 55 kNP2​ = 45 kNABRA​RB​3 m0,5 m2,5 m

Розрахункова схема

Замініть опори силами реакції. Рухома опора дає одну вертикальну реакцію; якщо навантаження лише вертикальні, нерухома шарнірна опора теж дає одну вертикальну реакцію.

Рівновага

Моменти відносно A, додатні проти годинникової стрілки. Потім рівновага вертикальних сил.

ΣMA = 0: RB·6 = 55·3 + 45·3,5
RB = 322,5/6 = 53,75 kN
ΣFy = 0: RA = 100 − 53,75 = 46,25 kN

Відповідь

RA = 46,25 kN
4.Опорні реакції балок

Відповідь: RA = 14,75 kN

Статична рівновага: для тіла в спокої ΣFx = 0, ΣFy = 0 і ΣM = 0 відносно будь-якої точки. Моменти відносно однієї опори виключають її реакцію з рівняння.

w = 3 kN/mP = 25 kNABRA​RB​3 m3 m

Розрахункова схема

Замініть опори силами реакції. Рухома опора дає одну вертикальну реакцію; якщо навантаження лише вертикальні, нерухома шарнірна опора теж дає одну вертикальну реакцію.

Рівновага

Моменти відносно A, додатні проти годинникової стрілки. Потім рівновага вертикальних сил.

Рівнодійна розподіленого навантаження: W = w·ℓ = 3·3 = 9 kN, прикладена в x̄ = 4,5 m
ΣMA = 0: RB·6 = 25·3 + 3·3·4,5
RB = 115,5/6 = 19,25 kN
ΣFy = 0: RA = 34 − 19,25 = 14,75 kN

Відповідь

RA = 14,75 kN
5.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: FAB = −20,19 kN

Метод вирізання вузлів: кожен вузол ферми перебуває в рівновазі, тож у кожному вузлі ΣFx = 0 і ΣFy = 0. Почніть із вузла, де не більше двох невідомих зусиль. Від’ємний результат означає, що стрижень стиснутий.

ABBCACACB45 kNAy​Cy​

Опорні реакції

Рівновага всієї ферми. Моменти відносно A, додатні проти годинникової стрілки.

ΣMA = 0: Cy·6 = 45·5 → Cy = 37,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 37,5 = 7,5 kN

Вузол A

Припустіть, що кожен стрижень розтягнутий (тягне від вузла). Лише AB має вертикальну складову у вузлі A.

sin α = 2/5,385 = 0,3714
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −7,5/0,3714 = −20,19 kN

Відповідь

FAB = −20,19 kN (стиск)
6.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: FAC = 27,78 kN

Метод вирізання вузлів: кожен вузол ферми перебуває в рівновазі, тож у кожному вузлі ΣFx = 0 і ΣFy = 0. Почніть із вузла, де не більше двох невідомих зусиль. Від’ємний результат означає, що стрижень стиснутий.

ABBCACACB25 kN25 kNAy​Cy​Ax​

Опорні реакції

Рівновага всієї ферми. Моменти відносно A, додатні проти годинникової стрілки.

ΣMA = 0: Cy·6 = 25·2 + 25·3 → Cy = 20,83 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 20,83 = 4,167 kN
ΣFx = 0: Ax = −25 kN

Вузол C

Рухома опора дає лише вертикальну реакцію, тож у вузлі C лише дві невідомі сили в стрижнях. Припустіть, що обидва розтягнуті.

sin γ = 3/5 = 0,6, cos γ = 4/5 = 0,8
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −20,83/0,6 = −34,72 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−34,72)·0,8 = 27,78 kN

Відповідь

FAC = 27,78 kN (розтяг)
7.Рами та механізми

Відповідь: FBC = 3,812 kN

Рами та механізми: на відміну від ферми, рама містить принаймні один стрижень, що сприймає сили у більш ніж двох точках, або навантаження між шарнірами. Спершу шукайте двосилові стрижні: стрижень, навантажений лише у двох шарнірах, має силу вздовж прямої через них, тож додає одну невідому, а не дві. Потім використайте всю конструкцію для реакцій опор, якщо невідомих не більше трьох. Нарешті розбийте раму: накресліть кожен стрижень окремо з однаковими за модулем і протилежними за напрямом силами в шарнірах на двох стрижнях, які вони з’єднують, і запишіть для нього ΣFx = 0, ΣFy = 0 і ΣM = 0. Моменти відносно шарніра усувають із рівняння обидві складові сили в цьому шарнірі.

Двосиловий стрижень BC

BC = √(5,6² + 3²) = 6,353 m

Уся рама: моменти відносно A

Земля штовхає BC у C вздовж CB; її горизонтальна складова проходить через A, момент має лише вертикальна.

FBC·(3/6,353)·8 = 8·1,8
FBC = 3,812 kN (стиск)

Відповідь

FBC = 3,812 kN
8.Рами та механізми

Відповідь: A = 21,51 kN

Рами та механізми: на відміну від ферми, рама містить принаймні один стрижень, що сприймає сили у більш ніж двох точках, або навантаження між шарнірами. Спершу шукайте двосилові стрижні: стрижень, навантажений лише у двох шарнірах, має силу вздовж прямої через них, тож додає одну невідому, а не дві. Потім використайте всю конструкцію для реакцій опор, якщо невідомих не більше трьох. Нарешті розбийте раму: накресліть кожен стрижень окремо з однаковими за модулем і протилежними за напрямом силами в шарнірах на двох стрижнях, які вони з’єднують, і запишіть для нього ΣFx = 0, ΣFy = 0 і ΣM = 0. Моменти відносно шарніра усувають із рівняння обидві складові сили в цьому шарнірі.

Натяг каната

T = (10 + 1,5/2)/0,4472 = 24,04 kN

Складові в A

Ax = T·cos β = 21,5 kN
Ay = 10 + 1,5 − T·sin β = 0,75 kN

Модуль

A = √(21,5² + 0,75²) = 21,51 kN

Відповідь

A = 21,51 kN
9.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Vx = 20 kN

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 = 8·6 = 48 kN, прикладена в x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 8·6·3
RB = 144/6 = 24 kN
ΣFy = 0: RA = 48 − 24 = 24 kN
w = 8 kN/mABRA​ = 24RB​ = 24переріз0,5 m5,5 m

Розріжте в x = 0,5 m і залиште ліву частину

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

V = RA − (усі навантаження донизу ліворуч від перерізу)
Vx = 24 − 8·0,5 = 20 kN

Відповідь

Vx = 20 kN
10.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: F (x = 5 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 = 26,5 kN, R2 = 53,5 kN

Згинальний момент у кожній позначці

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

MA = 0, MB = 24, MC = 18, MD = 7, ME = −9, MF = −30 kN·m, MG = 0

Відповідь

Позначка F: MF = −30 kN·m
11.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Ix = 19,66 × 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 = 280·25 = 7000 mm², yf = 160 + 25/2 = 172,5 mm
стінка: Aw = 14·160 = 2240 mm², yw = 160/2 = 80 mm

Центр ваги

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (7000·172,5 + 2240·80)/9240 = 150,1 mm

Теорема про паралельне перенесення осей

полиця: 280·25³/12 + 7000·(172,5 − 150,1)² = 3,885 × 10⁶ mm⁴
стінка: 14·160³/12 + 2240·(80 − 150,1)² = 1,578 × 10⁷ mm⁴
Ix = 3,885 × 10⁶ + 1,578 × 10⁷ = 1,966 × 10⁷ mm⁴ = 19,66 × 10⁶ mm⁴

Відповідь

Ix = 19,66 × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Mallow = 6,201 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 = (1500·287,5 + 2800·140)/4300 = 191,5 mm
верхній край: c = 295 − 191,5 = 103,5 mm

Момент інерції перерізу

I = 100·15³/12 + 1500·96,05² + 10·280³/12 + 2800·51,45² = 3,957 × 10⁷ mm⁴

Момент, допустимий за кожним краєм

Додатний момент: верх стиснутий, низ розтягнутий.

верхній край: M = 90·3,957 × 10⁷/103,5 = 34,39 kN·m
нижній край: M = 30·3,957 × 10⁷/191,5 = 6,201 kN·m

Визначальне значення

Mallow = min = 6,201 kN·m (нижній край)

Відповідь

Mallow = 6,201 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics