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 = (2, −6, 4) і b = (6, k, −5) перпендикулярні.

a = (2, −6, 4)b = (6, k, −5)
k =
2.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzrFOA

Сила F = (20, −60, −20) N діє в точці A(−3, 4, −1). Координати подано в метрах. Знайдіть z-компоненту Mz моменту сили відносно точка O(0, −1, 2).

F = (20, −60, −20) NA(−3, 4, −1) mO(0, −1, 2) m
Mz = N·m
3.Опорні реакції балокСередня
w0​ = 10 kN/mP = 70 kNABRA​ = ?6 m2 m

Шарнірно оперта балка (нерухомий шарнір в A, рухома опора в B) навантажена лінійно змінним навантаженням, що спадає від 10 kN/m в A до нуля в B. Також на відстані 6 m від A прикладена зосереджена сила P. Знайдіть вертикальну опорну реакцію RA.

L = 8 mw0 = 10 kN/mP = 70 kN у 6 m
RA = kN
4.Опорні реакції балокСкладна
P = 30 kN, 30°Q = 20 kNABRA​ = ?5 m3 m2 m

Шарнірно оперта балка має нерухому шарнірну опору в A і рухому в B. Сила P прикладена на відстані 5 m від A під кутом 30° до горизонталі, а вертикальна сила Q — на відстані 8 m від A. Знайдіть величину повної реакції RA у шарнірі A.

L = 10 mP = 30 kN у 5 m, θ = 30°Q = 20 kN у 8 m
RA = kN
5.Ферма: метод вирізання вузлівСередня
ABCDEFGH35 kN40 kN10 kN4 × 3 m4 m

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

B: 35 kN ↓D: 40 kN ↓F: 10 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
ABBCACACB45 kN5 kN5 m4 m3 m

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

проліт = 5 mвисота = 3 mB на відстані 4 m від Aвертикальне навантаження = 45 kNгоризонтальне навантаження = 5 kN →
FAB = kN
7.Рами та механізмиСередня
8 kN4 m2 m1,2 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 2 м над землею і на 1,2 м праворуч від A. Вертикальне навантаження 8 кН діє на стрижень AB у K на 0,9 м (по горизонталі) від A. Знайдіть силу FBC у стрижні BC.

P = 8 kNL = 4 mH = 2 mгоризонтальна відстань від A до B = 1,2 mгоризонтальна відстань від A до K = 0,9 m
FBC = kN
8.Рами та механізмиСкладна
8 kN4,8 m1,2 m1,8 m0,6 mABCDEK

Показана А-подібна рама стоїть на шарнірній опорі в A і котковій опорі в B на відстані 4,8 м одна від одної; її верхній шарнір C на висоті 3 м, а горизонтальна затяжка DE на 1,2 м над землею. Вертикальне навантаження 8 кН діє на ногу AC у K на 0,6 м (по горизонталі) від A. Знайдіть модуль сили C, з якою шарнір C діє на ногу BC.

P = 8 kNAB = 4,8 mвисота C = 3 mвисота DE = 1,2 mгоризонтальна відстань від A до K = 0,6 m
C = kN
9.Поперечна сила і згинальний моментСередня
M0​ = 15 kN·mAB3 m3 m

Шарнірно оперта балка навантажена зосередженим моментом M0 = 15 kN·m, що діє за годинниковою стрілкою, на відстані x = 3 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 = 15 kN·m за годинниковою стрілкою, на відстані 3 m
Mx = kN·m
10.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
w = 12 kN/mABC4 m2 m

Балка спирається на нерухому шарнірну опору в A і рухому опору в B і має консоль довжиною 2 m за B до вільного кінця C. Рівномірно розподілене навантаження w діє по всій довжині A–C. Знайдіть максимальний додатний згинальний момент Mmax між опорами.

L = 6 mw = 12 kN/m від 0 до 6 mопори в x = 0 і x = 4 m
Mmax = kN·m
11.Центр ваги й момент інерціїСередня
130480188xрозміри в mm

Симетричний двотавровий переріз має полиці шириною 130 mm і товщиною 18 mm, повну висоту 480 mm і стінку товщиною 8 mm. Знайдіть його момент інерції Ix відносно горизонтальної центральної осі x.

B = 130 mmH = 480 mmtf = 18 mmtw = 8 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерціїСкладна
1001026018xвід’ємний Mрозміри в mm

Чавунна балка має показаний тавровий переріз із полицею вгорі. Допустимі напруження: 50 MPa на розтяг і 90 MPa на стиск. Знайдіть найбільший від’ємний згинальний момент Mallow, який може витримати балка (вкажіть його величину).

bf = 100 mmtf = 10 mmtw = 18 mmhw = 260 mmσt,allow = 50 MPaσc,allow = 90 MPa
Mallow = kN·m

3Розчини

1.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = −1,333

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 = 2·6 + (−6)·k + 4·(−5) = 0
−8 + (−6)·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −(−8)/(−6) = −1,333

Відповідь

k = −1,333
2.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: Mz = 80 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 = (−3, 4, −1) − (0, −1, 2) = (−3, 5, −3) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 5·(−20) − (−3)·(−60) = −280 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = (−3)·20 − (−3)·(−20) = −120 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = (−3)·(−60) − 5·20 = 80 N·m

Потрібна компонента

Mz = 80 N·m

Відповідь

Mz = 80 N·m
3.Опорні реакції балок

Відповідь: RA = 44,17 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 трикутного навантаження

W = ½·10·8 = 40 kN
x̄ = L/3 = 2,667 m

Рівновага

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

ΣMA = 0: RB·8 = 40·2,667 + 70·6
RB = 65,83 kN
RA = 110 − 65,83 = 44,17 kN

Відповідь

RA = 44,17 kN
4.Опорні реакції балок

Відповідь: RA = 28,41 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.

Складові P

Pv = 30·sin 30° = 15 kN
Ph = 30·cos 30° = 25,98 kN

Реакції

ΣMA = 0: RB·10 = 15·5 + 20·8 → RB = 23,5 kN
Ay = 15 + 20 − 23,5 = 11,5 kN
Ax = Ph = 25,98 kN

Повна реакція в A

RA = √(25,98² + 11,5²) = 28,41 kN

Відповідь

RA = 28,41 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: 32,81 kN (T), BC: 32,81 kN (T), CD: 30,94 kN (T), DE: 30,94 kN (T), FG: 31,87 kN (C), GH: 31,87 kN (C), AF: 54,69 kN (C), HE: 51,56 kN (C), BF: 35 kN (T), CG: 0, DH: 40 kN (T), FC: 1,563 kN (C), HC: 1,563 kN (T)

Відповідь

Нульовий елемент: CG
6.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: FAB = −10 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 kN5 kNAy​Cy​Ax​

Опорні реакції

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 45·4 + 5·3 → Cy = 39 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 39 = 6 kN
ΣFx = 0: Ax = −5 kN

Вузол A

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

sin α = 3/5 = 0,6
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −6/0,6 = −10 kN

Відповідь

FAB = −10 kN (стиск)
7.Рами та механізми

Відповідь: FBC = 3,097 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 = √(2,8² + 2²) = 3,441 m

Уся рама: моменти відносно A

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

FBC·(2/3,441)·4 = 8·0,9
FBC = 3,097 kN (стиск)

Відповідь

FBC = 3,097 kN
8.Рами та механізми

Відповідь: C = 1,667 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 = 8·0,6/4,8 = 1 kN

Сила в затяжці

T = 1·2,4/1,8 = 1,333 kN

Сила в шарнірі на BC

Cx = 1,333 kN, Cy = −1 kN
C = √(1,333² + 1²) = 1,667 kN

Відповідь

C = 1,667 kN
9.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mx = 7,5 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. 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 = 15/6 = 2,5 kN (вгору)
RA = −RB = −2,5 kN (вниз)

Переріз безпосередньо праворуч від зосередженого моменту

Тепер ліва частина містить RA і зосереджений момент.

Mx = RA·a + M0 = −2,5·3 + 15 = 7,5 kN·m

Відповідь

Mx = 7,5 kN·m
10.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mmax = 13,5 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 з урахуванням навантаження на консолі.

Рівнодійна розподіленого навантаження: W = w·ℓ = 12·6 = 72 kN, прикладена в x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·4 = 12·6·3
RB = 216/4 = 54 kN
ΣFy = 0: RA = 72 − 54 = 18 kN

Нульова поперечна сила

RA − w·x0 = 0 → x0 = 18/12 = 1,5 m

Максимальний додатний момент

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = RA²/(2w) = 18²/(2·12) = 13,5 kN·m

Відповідь

Mmax = 13,5 kN·m
11.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Ix = 308,2 × 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 = 480 − 2·18 = 444 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (130·480³ − 122·444³)/12
Ix = 3,082 × 10⁸ mm⁴ = 308,2 × 10⁶ mm⁴

Відповідь

Ix = 308,2 × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Mallow = 17,8 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 = (1000·265 + 4680·130)/5680 = 153,8 mm
верхній край: c = 270 − 153,8 = 116,2 mm

Момент інерції перерізу

I = 100·10³/12 + 1000·111,2² + 18·260³/12 + 4680·23,77² = 4,139 × 10⁷ mm⁴

Момент, допустимий за кожним краєм

Від’ємний момент: верх розтягнутий, низ стиснутий.

верхній край: M = 50·4,139 × 10⁷/116,2 = 17,8 kN·m
нижній край: M = 90·4,139 × 10⁷/153,8 = 24,22 kN·m

Визначальне значення

Mallow = min = 17,8 kN·m (верхній край)

Відповідь

Mallow = 17,8 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics