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 кут θ між векторами a = (2, −3, −5) і b = (1, 5, −5) у градусах.

a = (2, −3, −5)b = (1, 5, −5)
θ = °
2.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Знайдіть площу A паралелограма, натягнутого на a = (−6, −3, −1) і b = (4, −1, 4).

a = (−6, −3, −1)b = (4, −1, 4)
A =
3.Опорні реакції балокСередня
w = 3 kN/mP = 75 kNABMA​ = ?5 m2 m1 m

Консольна балка защемлена в стіні в A. Вона навантажена рівномірно розподіленим навантаженням w від стіни до 5 m і зосередженою силою P на відстані 7 m від стіни. Знайдіть величину реактивного моменту MA у стіні.

L = 8 mP = 75 kN у 7 mw = 3 kN/m від 0 до 5 m
MA = kN·m
4.Опорні реакції балокСкладна
w = 5 kN/mP = 50 kNABCRB​ = ?1 m1,5 m0,5 m2 m

Балка має нерухому шарнірну опору в A і рухому опору в B на відстані 3 m від A та консоль за B до вільного кінця C. Вона навантажена зосередженою силою P на відстані 1 m від A і рівномірно розподіленим навантаженням w від 2,5 m до вільного кінця в 5 m. Знайдіть вертикальну реакцію RB, вважаючи напрямок угору додатним.

AB = 3 mAC = 5 mP = 50 kN у 1 mw = 5 kN/m від 2,5 до 5 m
RB = kN
5.Ферма: метод вирізання вузлівСередня
ABCDEFGH35 kN30 kN35 kN4 × 3 m3 m

Рівно один елемент цієї ферми не несе сили за цих навантажень. Який це нульовий елемент? Клацніть його на діаграмі.

B: 35 kN ↓G: 30 kN ↓H: 35 kN ↓
  1. 1елемент AB
  2. 2елемент BC
  3. 3елемент CD
  4. 4елемент DE
  5. 5елемент FG
  6. 6елемент GH
  7. 7елемент AF
  8. 8елемент HE
  9. 9елемент BF
  10. 10елемент CG
  11. 11елемент DH
  12. 12елемент BG
  13. 13елемент DG
6.Ферма: метод вирізання вузлівСкладна
ABCDEFGH25 kN40 kN20 kN40 kN25 kN4 × 4 m3 m

Рівно один елемент цієї ферми не несе сили за цих навантажень. Який це нульовий елемент? Клацніть його на діаграмі.

B: 25 kN ↓C: 40 kN ↓D: 20 kN ↓F: 40 kN →H: 25 kN ↓
  1. 1елемент AB
  2. 2елемент BC
  3. 3елемент CD
  4. 4елемент DE
  5. 5елемент FG
  6. 6елемент GH
  7. 7елемент AF
  8. 8елемент HE
  9. 9елемент BF
  10. 10елемент CG
  11. 11елемент DH
  12. 12елемент FC
  13. 13елемент HC
7.Рами та механізмиСередня
5 kN5 m1 m2 mABCDE

Показана А-подібна рама стоїть на шарнірній опорі в A і котковій опорі в B на відстані 5 м одна від одної. Ноги сходяться в шарнірі C на висоті 3 м, а горизонтальна затяжка DE на 1 м над землею. У C діє навантаження 5 кН. Знайдіть модуль сили C, з якою шарнір C діє на ногу BC.

P = 5 kNAB = 5 mвисота C = 3 mвисота DE = 1 m
C = kN
8.Рами та механізмиСкладна
10 kN3 m2 m1,6 m0,375 mABCDEK

Показана А-подібна рама стоїть на шарнірній опорі в A і котковій опорі в B на відстані 3 м одна від одної; її верхній шарнір C на висоті 3,6 м, а горизонтальна затяжка DE на 2 м над землею. Вертикальне навантаження 10 кН діє на ногу AC у K на 0,375 м (по горизонталі) від A. Знайдіть модуль сили C, з якою шарнір C діє на ногу BC.

P = 10 kNAB = 3 mвисота C = 3,6 mвисота DE = 2 mгоризонтальна відстань від A до K = 0,375 m
C = kN
9.Поперечна сила і згинальний моментСередня
50 kN15 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 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 @ 6 m15 kN @ 8 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
10.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
10 kN/m30 kN20 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 m20 kN @ 1 m10 kN/m, 0–4 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
140150t = 10xрозміри в mm

Швелерний переріз лежить відкритою стороною вгору: основа шириною 140 mm з двома вертикальними полицями, повна висота 150 mm. Основа й полиці мають товщину 10 mm. Знайдіть його момент інерції Ix відносно горизонтальної осі x, що проходить через центр ваги.

b = 140 mmh = 150 mmt = 10 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерціїСкладна
1002030020xM = 5 kN·mрозміри в mm

Тавровий переріз працює як балка з полицею вгорі й сприймає додатний згинальний момент 5 kN·m. Знайдіть напруження згину σниз на нижньому краї.

bf = 100 mmtf = 20 mmtw = 20 mmhw = 300 mmM = 5 kN·m
σниз = MPa

3Розчини

1.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: θ = 74,18 °

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

a·b = 2·1 + (−3)·5 + (−5)·(−5) = 12

Модулі

|a| = √(2² + (−3)² + (−5)²) = 6,164
|b| = √(1² + 5² + (−5)²) = 7,141

Кут

cos θ = 12/(6,164·7,141) = 0,2726
θ = arccos(0,2726) = 74,18°

Відповідь

θ = 74,18°
2.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: A = 29,88

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)·4 − (−1)·(−1) = −13
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·4 − (−6)·4 = 20
(a × b)z = axby − aybx = (−6)·(−1) − (−3)·4 = 18

Площа

A = |a × b| = √((−13)² + 20² + 18²) = 29,88

Відповідь

A = 29,88
3.Опорні реакції балок

Відповідь: MA = 562,5 kN·m

Рівновага консолі: защемлення може не лише підпирати, а й протидіяти повороту, тож воно дає вертикальну реакцію RA і реактивний момент MA. ΣFy = 0 дає RA, а моменти відносно стіни дають MA = Σ(навантаження × відстань від стіни). Розподілене навантаження діє як рівнодійна, прикладена в центрі ваги епюри навантаження.

Рівнодійна розподіленого навантаження

W = 3·5 = 15 kN, x̄ = 2,5 m

Момент відносно стіни

MA = P·a + W·x̄ = 75·7 + 15·2,5 = 562,5 kN·m

Відповідь

MA = 562,5 kN·m
4.Опорні реакції балок

Відповідь: RB = 32,29 kN

Статична рівновага: для тіла в спокої ΣFx = 0, ΣFy = 0 і ΣM = 0 відносно будь-якої точки. Замініть кожне розподілене навантаження його рівнодійною (площею епюри навантаження), прикладеною в центрі ваги епюри, і складіть рівняння моментів відносно опори, щоб виключити її реакцію.

Рівнодійна розподіленого навантаження

W = 5·2,5 = 12,5 kN, x̄ = (2,5 + 5)/2 = 3,75 m

Рівновага

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

ΣMA = 0: RB·3 = 50·1 + 12,5·3,75
RB = 96,88/3 = 32,29 kN
RA = 62,5 − 32,29 = 30,21 kN

Відповідь

RB = 32,29 kN
5.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: елемент CG

Нульові елементи: у вузлі сили мають врівноважуватися в кожному напрямку. Якщо вузол не має навантаження й опори, а два з трьох його елементів лежать на одній прямій, то баланс поперек цієї прямої включає лише третій елемент, тож його сила нульова. Якщо в ненавантаженому вузлі сходяться лише два елементи й не на одній прямій, обидва нульові.

Вузол C

BC і CD лежать на одній прямій, а вузол не несе навантаження. Баланс сил поперек цієї прямої залишає лише CG.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Перевірка методом вузлів

Розв’язання всіх вузлів дає ці сили в елементах (T = розтяг, C = стиск).

AB: 50 kN (T), BC: 65 kN (T), CD: 65 kN (T), DE: 50 kN (T), FG: 50 kN (C), GH: 50 kN (C), AF: 70,71 kN (C), HE: 70,71 kN (C), BF: 50 kN (T), CG: 0, DH: 15 kN (T), BG: 21,21 kN (C), DG: 21,21 kN (C)

Відповідь

Нульовий елемент: CG
6.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: елемент CG

Нульові елементи: у вузлі сили мають врівноважуватися в кожному напрямку. Якщо вузол не має навантаження й опори, а два з трьох його елементів лежать на одній прямій, то баланс поперек цієї прямої включає лише третій елемент, тож його сила нульова. Якщо в ненавантаженому вузлі сходяться лише два елементи й не на одній прямій, обидва нульові.

Вузол G

FG і GH лежать на одній прямій, а вузол не несе навантаження. Баланс сил поперек цієї прямої залишає лише CG.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Перевірка методом вузлів

Розв’язання всіх вузлів дає ці сили в елементах (T = розтяг, C = стиск).

AB: 96,67 kN (T), BC: 96,67 kN (T), CD: 90 kN (T), DE: 90 kN (T), FG: 120 kN (C), GH: 120 kN (C), AF: 70,83 kN (C), HE: 112,5 kN (C), BF: 25 kN (T), CG: 0, DH: 20 kN (T), FC: 29,17 kN (T), HC: 37,5 kN (T)

Відповідь

Нульовий елемент: CG
7.Рами та механізми

Відповідь: C = 4,002 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.

Сила в затяжці з ноги BC

By = 2,5 kN
T = 2,5·2,5/2 = 3,125 kN

Складові сили в шарнірі на BC

Cx = T = 3,125 kN, Cy = −By = −2,5 kN

Модуль

C = √(3,125² + 2,5²) = 4,002 kN

Відповідь

C = 4,002 kN
8.Рами та механізми

Відповідь: C = 1,713 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.

Реакція опори в B

By = 10·0,375/3 = 1,25 kN

Сила в затяжці

T = 1,25·1,5/1,6 = 1,172 kN

Сила в шарнірі на BC

Cx = 1,172 kN, Cy = −1,25 kN
C = √(1,172² + 1,25²) = 1,713 kN

Відповідь

C = 1,713 kN
9.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: D (x = 6 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 = 30 kN, R2 = 35 kN

Згинальний момент у кожній позначці

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

MA = 0, MB = 60, MC = 120, MD = 180 kN·m, ME = 140, MF = 70, MG = 0

Відповідь

Позначка D: MD = 180 kN·m
10.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: E (x = 4 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 = 20 kN, R2 = 70 kN

Згинальний момент у кожній позначці

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

MA = 0, MB = 15, MC = 0, MD = −25, ME = −60 kN·m, MF = −30, MG = 0

Відповідь

Позначка E: ME = −60 kN·m
11.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Ix = 9,835 × 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.

Розділіть на прямокутники

Візьміть основу на всю ширину і дві полиці над нею (висотою h − t), щоб нічого не врахувати двічі.

основа: A1 = 140·10 = 1400 mm², y1 = 5 mm
дві полиці: A2 = 2·10·140 = 2800 mm², y2 = 10 + 140/2 = 80 mm

Центр ваги

ȳ = (1400·5 + 2800·80)/4200 = 55 mm

Теорема про паралельне перенесення осей

основа: 140·10³/12 + 1400·(5 − 55)² = 3,512 × 10⁶ mm⁴
дві полиці: 2·10·140³/12 + 2800·(80 − 55)² = 6,323 × 10⁶ mm⁴
Ix = 3,512 × 10⁶ + 6,323 × 10⁶
Ix = 9,835 × 10⁶ mm⁴ = 9,835 × 10⁶ mm⁴

Відповідь

Ix = 9,835 × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: σниз = 11,38 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 = 100·20 = 2000 mm², yf = 300 + 20/2 = 310 mm
стінка: Aw = 20·300 = 6000 mm², yw = 300/2 = 150 mm

Центр ваги

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2000·310 + 6000·150)/8000 = 190 mm

Теорема про паралельне перенесення осей

полиця: 100·20³/12 + 2000·(310 − 190)² = 2,887 × 10⁷ mm⁴
стінка: 20·300³/12 + 6000·(150 − 190)² = 5,46 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2,887 × 10⁷ + 5,46 × 10⁷ = 8,347 × 10⁷ mm⁴

Напруження згину

Нижній край на відстані ȳ від осі.

y = 190 mm
σ = M·y/I = 5 × 10⁶·190/8,347 × 10⁷ = 11,38 MPa

Відповідь

σниз = 11,38 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics