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
xyzdFAB

Стала сила F = (10, −5, −5) N діє на тіло, яке рухається по прямій від точки A(−1, −4, −5) до точки B(1, −1, 1). Координати подано в метрах. Знайдіть роботу W, виконану силою.

F = (10, −5, −5) NA(−1, −4, −5) mB(1, −1, 1) m
W = J
2.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Одиничний вектор n̂ перпендикулярний до обох векторів a = (5, −1, 3) і b = (4, 2, −3) та має додатну z-компоненту. Знайдіть його y-компоненту n̂y.

a = (5, −1, 3)b = (4, 2, −3)n̂z > 0
n̂y =
3.Опорні реакції балокСередня
P1​ = 50 kNP2​ = 45 kNABCRB​ = ?2 m2 m1 m

Балка має нерухому шарнірну опору в A і рухому опору в B на відстані 4 m від A та консоль за B до вільного кінця C. Знайдіть вертикальну реакцію RB, вважаючи напрямок угору додатним.

AB = 4 mAC = 5 mP1 = 50 kN у 2 mP2 = 45 kN у 5 m
RB = kN
4.Опорні реакції балокСкладна
w = 2 kN/mP = 40 kNABRA​ = ?RB​1 m1 m2 m

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

L = 4 mP = 40 kN у 1 mw = 2 kN/m від 0 до 2 m
RA = kN
5.Ферма: метод вирізання вузлівСередня
ABCDEFGH10 kN15 kN35 kN35 kN4 × 4 m4 m

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

B: 10 kN ↓C: 15 kN ↓D: 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
ABBCACACB50 kN5 kN6 m4 m2 m

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

проліт = 6 mвисота = 2 mB на відстані 4 m від Aвертикальне навантаження = 50 kNгоризонтальне навантаження = 5 kN ←
FAC = kN
7.Рами та механізмиСередня
300 NQ = ?5°ABC

У показаному колінно-важільному затискачі дві однакові ланки AB і BC з’єднані шарніром у B, і кожна становить 5° з прямою AC. У B прикладена сила 300 Н, напрямлена вниз. Повзун C тисне на заготовку. Нехтуючи тертям і вагою, знайдіть горизонтальну силу затиску Q.

F = 300 Nθ = 5°
Q = N
8.Рами та механізмиСкладна
4 kN0,5 kN5 m2 mABC

Однорідна горизонтальна стріла AB вагою 0,5 кН закріплена шарніром до стіни в A і утримується канатом від B до точки C на стіні на 2 м вище від A. У B висить вантаж 4 кН. Знайдіть модуль реакції шарніра A.

W = 4 kNWb = 0,5 kNAB = 5 mAC = 2 m
A = kN
9.Поперечна сила і згинальний моментСередня
M0​ = 40 kN·mAB1,5 m4,5 m

Шарнірно оперта балка навантажена зосередженим моментом M0 = 40 kN·m, що діє за годинниковою стрілкою, на відстані x = 1,5 m від A, і більше нічим. Знайдіть згинальний момент Mx безпосередньо праворуч від зосередженого моменту. Додатними вважайте моменти, що розтягують нижні волокна, і поперечну силу, спрямовану вгору на лівій грані.

L = 6 mM0 = 40 kN·m за годинниковою стрілкою, на відстані 1,5 m
Mx = kN·m
10.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
4 kN/m30 kN40 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.

30 kN @ 12 m40 kN @ 2 m4 kN/m, 0–8 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)
11.Центр ваги й момент інерціїСередня
160240166xрозміри в mm

Симетричний двотавровий переріз має полиці шириною 160 mm і товщиною 16 mm, повну висоту 240 mm і стінку товщиною 6 mm. Знайдіть його момент інерції Ix відносно горизонтальної центральної осі x.

B = 160 mmH = 240 mmtf = 16 mmtw = 6 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерціїСкладна
2201520020xдодатний Mрозміри в mm

Чавунна балка має показаний тавровий переріз із полицею вгорі. Допустимі напруження: 60 MPa на розтяг і 150 MPa на стиск. Знайдіть найбільший додатний згинальний момент Mallow, який може витримати балка.

bf = 220 mmtf = 15 mmtw = 20 mmhw = 200 mmσt,allow = 60 MPaσc,allow = 150 MPa
Mallow = kN·m

3Розчини

1.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: W = −25 J

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.

Переміщення

d = B − A = (1, −1, 1) − (−1, −4, −5) = (2, 3, 6) m

Робота

W = F·d = 10·2 + (−5)·3 + (−5)·6 = −25 J

Відповідь

W = −25 J

Від’ємна робота: сила здебільшого діє проти руху.

2.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: n̂y = 0,8835

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 = (−1)·(−3) − 3·2 = −3
(a × b)y = azbx − axbz = 3·4 − 5·(−3) = 27
(a × b)z = axby − aybx = 5·2 − (−1)·4 = 14

Нормування

z-компонента a × b уже додатна.

|a × b| = √((−3)² + 27² + 14²) = 30,56
n̂ = (−3, 27, 14)/30,56 = (−0,09816, 0,8835, 0,4581)
n̂y = 0,8835

Відповідь

n̂y = 0,8835
3.Опорні реакції балок

Відповідь: RB = 81,25 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.

Моменти відносно A

Проти годинникової стрілки — додатний напрямок.

ΣMA = 0: RB·4 = 50·2 + 45·5
RB = 325/4 = 81,25 kN

Рівновага по вертикалі

RA = 50 + 45 − 81,25 = 13,75 kN

Відповідь

RB = 81,25 kN
4.Опорні реакції балок

Відповідь: RA = 33 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 = 2 kN/mP = 40 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.

Рівнодійна розподіленого навантаження: W = w·ℓ = 2·2 = 4 kN, прикладена в x̄ = 1 m
ΣMA = 0: RB·4 = 40·1 + 2·2·1
RB = 44/4 = 11 kN
ΣFy = 0: RA = 44 − 11 = 33 kN

Відповідь

RA = 33 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 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: 32,5 kN (T), BC: 32,5 kN (T), CD: 62,5 kN (T), DE: 62,5 kN (T), FG: 55 kN (C), GH: 55 kN (C), AF: 45,96 kN (C), HE: 88,39 kN (C), BF: 10 kN (T), CG: 0, DH: 35 kN (T), FC: 31,82 kN (T), HC: 10,61 kN (C)

Відповідь

Нульовий елемент: CG
6.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: FAC = 31,67 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.

ABBCACACB50 kN5 kNAy​Cy​Ax​

Опорні реакції

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 50·4 − 5·2 → Cy = 31,67 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 31,67 = 18,33 kN
ΣFx = 0: Ax = 5 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 = 2/2,828 = 0,7071, cos γ = 2/2,828 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −31,67/0,7071 = −44,78 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−44,78)·0,7071 = 31,67 kN

Відповідь

FAC = 31,67 kN (розтяг)
7.Рами та механізми

Відповідь: Q = 1715 N

Механізми: кліщі, важелі, шарнірні системи та затискачі перетворюють вхідну силу на більшу або інакше напрямлену вихідну. Накресліть одну частину як вільне тіло й візьміть моменти відносно її осі: сила в шарнірі випадає, а Fin·a = Fout·b дає виграш у силі a/b. Сила в шарнірі випливає з ΣF = 0 для тієї самої частини. У колінно-важільному механізмі дві ланки сходяться під малим кутом θ; кожна ланка — двосиловий стрижень, тож мала сила F у шарнірі створює великі сили в ланках F/(2 sin θ) і силу затиску F/(2 tan θ).

Рівновага шарніра B

2·Flink·sin 5° = 300
Flink = 1721 N

Сила затиску

Q = Flink·cos 5° = 300/(2·tan 5°) = 1715 N

Відповідь

Q = 1715 N

Відношення сил Q/F = 5,715 необмежено зростає, коли ланки випрямляються.

8.Рами та механізми

Відповідь: A = 10,63 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 = (4 + 0,5/2)/0,3714 = 11,44 kN

Складові в A

Ax = T·cos β = 10,63 kN
Ay = 4 + 0,5 − T·sin β = 0,25 kN

Модуль

A = √(10,63² + 0,25²) = 10,63 kN

Відповідь

A = 10,63 kN
9.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mx = 30 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. Прикладений зосереджений момент змінює епюру згинальних моментів стрибком на величину цього моменту.

Опорні реакції

Моменти відносно A, проти годинникової стрілки додатні: RB·L − M0 = 0. Рівновага по вертикалі: RA + RB = 0.

RB = M0/L = 40/6 = 6,667 kN (вгору)
RA = −RB = −6,667 kN (вниз)

Переріз безпосередньо праворуч від зосередженого моменту

Тепер ліва частина містить RA і зосереджений момент.

Mx = RA·a + M0 = −6,667·1,5 + 40 = 30 kN·m

Відповідь

Mx = 30 kN·m
10.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: E (x = 8 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 = 31 kN, R2 = 71 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, MC = 12, MD = −46, ME = −120 kN·m, MF = −60, MG = 0

Відповідь

Позначка E: ME = −120 kN·m
11.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Ix = 68,83 × 10⁶ mm⁴

Момент інерції перерізу: для прямокутника відносно власної центральної осі I = bh³/12, а відносно основи bh³/3 (теорема про паралельні осі I = Ic + A·d²). Отвір враховують, віднімаючи його I, якщо обидві частини мають ту саму вісь. Пружний момент опору перерізу S = I/c, де c — відстань до найвіддаленішого волокна.

Зовнішній прямокутник мінус два бічні вирізи

Обидва вирізи разом мають ширину (B − tw) і висоту hw = H − 2tf та спільну вісь x.

hw = 240 − 2·16 = 208 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (160·240³ − 154·208³)/12
Ix = 6,883 × 10⁷ mm⁴ = 68,83 × 10⁶ mm⁴

Відповідь

Ix = 68,83 × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Mallow = 13,85 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 = (3300·207,5 + 4000·100)/7300 = 148,6 mm
верхній край: c = 215 − 148,6 = 66,4 mm

Момент інерції перерізу

I = 220·15³/12 + 3300·58,9² + 20·200³/12 + 4000·48,6² = 3,429 × 10⁷ mm⁴

Момент, допустимий за кожним краєм

Додатний момент: верх стиснутий, низ розтягнутий.

верхній край: M = 150·3,429 × 10⁷/66,4 = 77,46 kN·m
нижній край: M = 60·3,429 × 10⁷/148,6 = 13,85 kN·m

Визначальне значення

Mallow = min = 13,85 kN·m (нижній край)

Відповідь

Mallow = 13,85 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics