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 скалярну проєкцію compb a вектора a = (−1, −6, −1) на b = (−5, −5, 3), тобто компоненту a у напрямі b.

a = (−1, −6, −1)b = (−5, −5, 3)
compb a =
2.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzrFOA

Сила F = (−20, 50, −40) N діє в точці A(4, 0, −2). Координати подано в метрах. Знайдіть x-компоненту Mx моменту сили відносно точка O(−2, −2, −1).

F = (−20, 50, −40) NA(4, 0, −2) mO(−2, −2, −1) m
Mx = N·m
3.Опорні реакції балокСередня
P1​ = 35 kNP2​ = 10 kNABRA​RB​ = ?1 m1 m2 m

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

L = 4 mP1 = 35 kN у 1 mP2 = 10 kN у 2 m
RB = kN
4.Опорні реакції балокСкладна
w = 6 kN/mP = 35 kNABRA​RB​ = ?2 m1 m1 m

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

L = 4 mP = 35 kN у 3 mw = 6 kN/m від 0 до 2 m
RB = kN
5.Ферма: метод вирізання вузлівСередня
ABCDEFGH30 kN20 kN35 kN35 kN4 × 4 m3 m

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

B: 30 kN ↓F: 20 kN ↓G: 35 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 FC
  13. 13елемент HC
6.Ферма: метод вирізання вузлівСкладна
ABCDEFGH20 kN25 kN40 kN10 kN35 kN4 × 4 m3 m

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

B: 20 kN ↓F: 25 kN ↓F: 40 kN →G: 10 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
7.Рами та механізмиСередня
8 kN5 m1,2 m3,3 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 4,5 м, а горизонтальна затяжка DE на 1,2 м над землею. У C діє навантаження 8 кН. Знайдіть модуль сили C, з якою шарнір C діє на ногу BC.

P = 8 kNAB = 5 mвисота C = 4,5 mвисота DE = 1,2 m
C = kN
8.Рами та механізмиСкладна
6 kN8 kN4 m3 m2,4 mABCK

Показана рама має шарніри в A, B і C; A і C закріплені на землі на відстані 4 м одна від одної, а B розташований на висоті 3 м і на 2,4 м праворуч від A. Стрижень AB несе вертикальне навантаження 6 кН у K на 0,6 м (по горизонталі) від A, а в B на стрижень AB діє горизонтальне навантаження 8 кН праворуч. Знайдіть величину горизонтальної реакції Ax у A.

P = 6 kNQ = 8 kNL = 4 mH = 3 mгоризонтальна відстань від A до B = 2,4 mгоризонтальна відстань від A до K = 0,6 m
Ax = kN
9.Поперечна сила і згинальний моментСередня
P1​ = 20 kNP2​ = 30 kNAB6 m1 m1 m

Шарнірно оперта балка навантажена двома зосередженими силами. Знайдіть максимальний згинальний момент Mmax у балці.

L = 8 mP1 = 20 kN у 6 mP2 = 30 kN у 7 m
Mmax = kN·m
10.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
w = 2 kN/mP = 25 kNAB8 m2 m

Шарнірно оперта балка навантажена рівномірно розподіленим навантаженням w на весь проліт і зосередженою силою P. Знайдіть максимальний згинальний момент Mmax у балці.

L = 10 mP = 25 kN у 8 mw = 2 kN/m від 0 до 10 m
Mmax = kN·m
11.Центр ваги й момент інерціїСередня
3001530012xрозміри в mm

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

bf = 300 mmtf = 15 mmtw = 12 mmhw = 300 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерціїСкладна
120302408xдодатний Mрозміри в mm

Чавунна балка має показаний тавровий переріз із полицею вгорі. Допустимі напруження: 40 MPa на розтяг і 100 MPa на стиск. Знайдіть найбільший додатний згинальний момент Mallow, який може витримати балка.

bf = 120 mmtf = 30 mmtw = 8 mmhw = 240 mmσt,allow = 40 MPaσc,allow = 100 MPa
Mallow = kN·m

3Розчини

1.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: compb a = 4,166

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 = (−1)·(−5) + (−6)·(−5) + (−1)·3 = 32

Довжина b

|b| = √((−5)² + (−5)² + 3²) = 7,681

Скалярна проєкція

compb a = a·b/|b| = 32/7,681 = 4,166

Відповідь

compb a = 4,166
2.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: Mx = −30 N·m

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.

Радіус-вектор від O до A

r = A − O = (4, 0, −2) − (−2, −2, −1) = (6, 2, −1) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 2·(−40) − (−1)·50 = −30 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−1)·(−20) − 6·(−40) = 260 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 6·50 − 2·(−20) = 340 N·m

Потрібна компонента

Mx = −30 N·m

Відповідь

Mx = −30 N·m
3.Опорні реакції балок

Відповідь: RB = 13,75 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.

P1​ = 35 kNP2​ = 10 kNABRA​RB​1 m1 m2 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·4 = 35·1 + 10·2
RB = 55/4 = 13,75 kN
ΣFy = 0: RA = 45 − 13,75 = 31,25 kN

Відповідь

RB = 13,75 kN
4.Опорні реакції балок

Відповідь: RB = 29,25 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.

w = 6 kN/mP = 35 kNABRA​RB​2 m1 m1 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 = 6·2 = 12 kN, прикладена в x̄ = 1 m
ΣMA = 0: RB·4 = 35·3 + 6·2·1
RB = 117/4 = 29,25 kN
ΣFy = 0: RA = 47 − 29,25 = 17,75 kN

Відповідь

RB = 29,25 kN
5.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: елемент DH

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 D

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

ΣF⊥ = 0 → FDH = 0

Перевірка методом вузлів

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

AB: 85 kN (T), BC: 85 kN (T), CD: 75 kN (T), DE: 75 kN (T), FG: 103,3 kN (C), GH: 103,3 kN (C), AF: 106,3 kN (C), HE: 93,75 kN (C), BF: 30 kN (T), CG: 35 kN (C), DH: 0, FC: 22,92 kN (T), HC: 35,42 kN (T)

Відповідь

Нульовий елемент: DH
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 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: 93,33 kN (T), BC: 86,67 kN (T), CD: 86,67 kN (T), DE: 66,67 kN (T), FG: 93,33 kN (C), GH: 66,67 kN (C), AF: 66,67 kN (C), HE: 83,33 kN (C), BF: 15 kN (T), CG: 0, DH: 15 kN (T), BG: 8,333 kN (T), DG: 25 kN (C)

Відповідь

Нульовий елемент: CG
7.Рами та механізми

Відповідь: C = 5,018 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 = 4 kN
T = 4·2,5/3,3 = 3,03 kN

Складові сили в шарнірі на BC

Cx = T = 3,03 kN, Cy = −By = −4 kN

Модуль

C = √(3,03² + 4²) = 5,018 kN

Відповідь

C = 5,018 kN
8.Рами та механізми

Відповідь: Ax = 4,32 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.

Напрям BC

BC = 3,4 m, cos = 0,4706, sin = 0,8824

Уся рама: моменти відносно A

FBC·0,8824·4 = 6·0,6 + 8·3
FBC = 7,82 kN

Горизонтальний баланс

Ax + 8 − 7,82·0,4706 = 0
Ax = −4,32 kN → |Ax| = 4,32 kN

Відповідь

Ax = 4,32 kN

Знак мінус означає, що Ax напрямлена ліворуч.

9.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mmax = 52,5 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.

ΣMA = 0: RB·8 = 20·6 + 30·7
RB = 330/8 = 41,25 kN
ΣFy = 0: RA = 50 − 41,25 = 8,75 kN

Момент під кожною силою

Залиште частину ліворуч від кожної сили.

під P1: M = RA·6 = 8,75·6 = 52,5 kN·m
під P2: M = RB·1 = 41,25·1 = 41,25 kN·m

Найбільше значення

Mmax = 52,5 kN·m (під P1)

Відповідь

Mmax = 52,5 kN·m
10.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mmax = 56,25 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. 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 = 2·10 = 20 kN, прикладена в x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 25·8 + 2·10·5
RB = 300/10 = 30 kN
ΣFy = 0: RA = 45 − 30 = 15 kN

Де V = 0?

RA − w·x0 = 0 → x0 = 15/2 = 7,5 m

Максимальний момент

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = 15·7,5 − 2·7,5²/2 = 56,25 kN·m

Відповідь

Mmax = 56,25 kN·m

Це в точці x = 7,5 m від A.

11.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Ix = 76,7 × 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 = 300·15 = 4500 mm², yf = 300 + 15/2 = 307,5 mm
стінка: Aw = 12·300 = 3600 mm², yw = 300/2 = 150 mm

Центр ваги

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4500·307,5 + 3600·150)/8100 = 237,5 mm

Теорема про паралельне перенесення осей

полиця: 300·15³/12 + 4500·(307,5 − 237,5)² = 2,213 × 10⁷ mm⁴
стінка: 12·300³/12 + 3600·(150 − 237,5)² = 5,456 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2,213 × 10⁷ + 5,456 × 10⁷ = 7,67 × 10⁷ mm⁴ = 76,7 × 10⁶ mm⁴

Відповідь

Ix = 76,7 × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Mallow = 6,212 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 = (3600·255 + 1920·120)/5520 = 208 mm
верхній край: c = 270 − 208 = 61,96 mm

Момент інерції перерізу

I = 120·30³/12 + 3600·46,96² + 8·240³/12 + 1920·88,04² = 3,231 × 10⁷ mm⁴

Момент, допустимий за кожним краєм

Додатний момент: верх стиснутий, низ розтягнутий.

верхній край: M = 100·3,231 × 10⁷/61,96 = 52,14 kN·m
нижній край: M = 40·3,231 × 10⁷/208 = 6,212 kN·m

Визначальне значення

Mallow = min = 6,212 kN·m (нижній край)

Відповідь

Mallow = 6,212 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics