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 = (15, −10, −15) N діє на тіло, яке рухається по прямій від точки A(2, −1, 3) до точки B(−5, 2, −3). Координати подано в метрах. Знайдіть роботу W, виконану силою.

F = (15, −10, −15) NA(2, −1, 3) mB(−5, 2, −3) m
W = J
2.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

Для a = (0, 2, 5) і b = (4, −5, −5) знайдіть z-компоненту (a × b)z векторного добутку a × b.

a = (0, 2, 5)b = (4, −5, −5)
(a × b)z =
3.Опорні реакції балокСередня
w0​ = 6 kN/mP = 40 kNABRB​ = ?3 m1 m

Шарнірно оперта балка (нерухомий шарнір в A, рухома опора в B) навантажена лінійно змінним навантаженням, що спадає від 6 kN/m в A до нуля в B. Також на відстані 3 m від A прикладена зосереджена сила P. Знайдіть вертикальну опорну реакцію RB.

L = 4 mw0 = 6 kN/mP = 40 kN у 3 m
RB = kN
4.Опорні реакції балокСкладна
w = 2 kN/mP = 10 kNQ = 45 kNADCRD​ = ?2 m1 m1 m4 m

Складена балка защемлена в стіні в A, має проміжний шарнір у C (3 m від A) і спирається на рухому опору в D (8 m від A). Вона навантажена зосередженою силою P на відстані 4 m від A, рівномірно розподіленим навантаженням w на всій ділянці CD і зосередженою силою Q на відстані 2 m від A. Знайдіть реакцію RD рухомої опори.

AC = 3 mAD = 8 mP = 10 kN у 4 mw = 2 kN/m від 3 до 8 mQ = 45 kN у 2 m
RD = kN
5.Ферма: метод вирізання вузлівСередня
ABBCACACB55 kN6 m5 m4 m

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

проліт = 6 mвисота = 4 mB на відстані 5 m від Aвертикальне навантаження = 55 kN
FAB = kN
6.Ферма: метод вирізання вузлівСкладна
ABCDEFGH35 kN10 kN20 kN4 × 4 m4 m

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

F: 35 kN ↓F: 10 kN →H: 20 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
300 NQ = ?12°ABC

У показаному колінно-важільному затискачі дві однакові ланки AB і BC з’єднані шарніром у B, і кожна становить 12° 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 = 12°
Q = N
8.Рами та механізмиСкладна
w = 4 kN/m5 kN1,5 m1,5 m1,2 mABCD

Балка AB показаного настінного кронштейна закріплена шарніром у A і підперта розкосом CD (C на 1,2 м нижче від A). Балка несе рівномірне навантаження 4 кН/м по всій довжині та зосереджене навантаження 5 кН на вільному кінці B. Знайдіть силу FCD в розкосі.

w = 4 kN/mP = 5 kNAD = 1,5 mAB = 3 mAC = 1,2 m
FCD = kN
9.Поперечна сила і згинальний моментСередня
M0​ = 30 kN·mAB3 m2 m

Шарнірно оперта балка навантажена зосередженим моментом M0 = 30 kN·m, що діє за годинниковою стрілкою, на відстані x = 3 m від A, і більше нічим. Знайдіть згинальний момент Mx безпосередньо ліворуч від зосередженого моменту. Додатними вважайте моменти, що розтягують нижні волокна, і поперечну силу, спрямовану вгору на лівій грані.

L = 5 mM0 = 30 kN·m за годинниковою стрілкою, на відстані 3 m
Mx = kN·m
10.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
w = 8 kN/mP = 30 kNABпереріз3 m2 m

Знайдіть згинальний момент Mx у перерізі x = 3 m від опори A. Додатними вважайте моменти, що розтягують нижні волокна, і поперечну силу, спрямовану вгору на лівій грані.

L = 5 mP = 30 kN у 3 mw = 8 kN/m від 0 до 5 mx = 3 m
Mx = kN·m
11.Центр ваги й момент інерціїСередня
1802020012xрозміри в mm

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

bf = 180 mmtf = 20 mmtw = 12 mmhw = 200 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерціїСкладна
120 mm300 mm90 mm30 × 40xIx​ = ?

Пластина 120 мм × 300 мм має прямокутний виріз завширшки 30 мм і заввишки 40 мм, розташований на вертикальній осі симетрії, із центром на 90 мм вище від низу. Знайдіть момент інерції площі Ix відносно горизонтальної осі, що проходить через центр ваги.

b = 120 mmh = 300 mmвиріз: 30 × 40 mmцентр отвору: y = 90 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Розчини

1.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: W = −45 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 = (−5, 2, −3) − (2, −1, 3) = (−7, 3, −6) m

Робота

W = F·d = 15·(−7) + (−10)·3 + (−15)·(−6) = −45 J

Відповідь

W = −45 J

Від’ємна робота: сила здебільшого діє проти руху.

2.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: (a × b)z = −8

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 покомпонентно

(a × b)x = aybz − azby = 2·(−5) − 5·(−5) = 15
(a × b)y = azbx − axbz = 5·4 − 0·(−5) = 20
(a × b)z = axby − aybx = 0·(−5) − 2·4 = −8

Потрібна компонента

(a × b)z = −8

Відповідь

(a × b)z = −8

Перевірка: a × b перпендикулярний до обох векторів, тож його скалярний добуток з a і з b дорівнює нулю.

3.Опорні реакції балок

Відповідь: RB = 34 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 = ½·6·4 = 12 kN
x̄ = L/3 = 1,333 m

Рівновага

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

ΣMA = 0: RB·4 = 12·1,333 + 40·3
RB = 34 kN
RA = 52 − 34 = 18 kN

Відповідь

RB = 34 kN
4.Опорні реакції балок

Відповідь: RD = 7 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. Проміжний шарнір не може передавати згинальний момент, що дає одне додаткове рівняння: момент відносно шарніра сил з будь-якого боку дорівнює нулю.

Ділянка CD

У шарнірі немає моменту, тож моменти відносно C лише для CD мають зрівноважуватися.

W = 2·5 = 10 kN у 2,5 m від C
ΣMC = 0: RD·5 = 10·1 + 10·2,5
RD = 7 kN
VC = 20 − 7 = 13 kN

Відповідь

RD = 7 kN
5.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: FAB = −14,67 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.

ABBCACACB55 kNAy​Cy​

Опорні реакції

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 55·5 → Cy = 45,83 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 45,83 = 9,167 kN

Вузол A

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

sin α = 4/6,403 = 0,6247
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −9,167/0,6247 = −14,67 kN

Відповідь

FAB = −14,67 kN (стиск)
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: 38,75 kN (T), BC: 32,5 kN (T), CD: 32,5 kN (T), DE: 26,25 kN (T), FG: 38,75 kN (C), GH: 26,25 kN (C), AF: 40,66 kN (C), HE: 37,12 kN (C), BF: 6,25 kN (C), CG: 0, DH: 6,25 kN (T), BG: 8,839 kN (T), DG: 8,839 kN (C)

Відповідь

Нульовий елемент: CG
7.Рами та механізми

Відповідь: Q = 705,7 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 12° = 300
Flink = 721,5 N

Сила затиску

Q = Flink·cos 12° = 300/(2·tan 12°) = 705,7 N

Відповідь

Q = 705,7 N

Відношення сил Q/F = 2,352 необмежено зростає, коли ланки випрямляються.

8.Рами та механізми

Відповідь: FCD = 35,22 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.

Рівнодійна рівномірного навантаження

w·L = 4·3 = 12 kN у 1,5 m

Моменти відносно A для балки

FCD·0,6247·1,5 = 12·1,5 + 5·3 = 33 kN·m
FCD = 35,22 kN

Відповідь

FCD = 35,22 kN
9.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mx = −18 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 = 30/5 = 6 kN (вгору)
RA = −RB = −6 kN (вниз)

Переріз безпосередньо ліворуч від зосередженого моменту

Ліва частина містить лише RA.

Mx = RA·a = −6·3 = −18 kN·m

Відповідь

Mx = −18 kN·m
10.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mx = 60 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.

Опорні реакції

Рівновага всієї балки.

Рівнодійна розподіленого навантаження: W = w·ℓ = 8·5 = 40 kN, прикладена в x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 30·3 + 8·5·2,5
RB = 190/5 = 38 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 38 = 32 kN
w = 8 kN/mP = 30 kNABRA​ = 32RB​ = 38переріз3 m2 m

Розріжте в x = 3 m і залиште ліву частину

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

M = RA·x − (кожне навантаження ліворуч від перерізу × його відстань до перерізу)
Mx = 32·3 − 8·3·1,5 = 60 kN·m

Відповідь

Mx = 60 kN·m
11.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Ix = 25,54 × 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 = 180·20 = 3600 mm², yf = 200 + 20/2 = 210 mm
стінка: Aw = 12·200 = 2400 mm², yw = 200/2 = 100 mm

Центр ваги

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3600·210 + 2400·100)/6000 = 166 mm

Теорема про паралельне перенесення осей

полиця: 180·20³/12 + 3600·(210 − 166)² = 7,09 × 10⁶ mm⁴
стінка: 12·200³/12 + 2400·(100 − 166)² = 1,845 × 10⁷ mm⁴
Ix = 7,09 × 10⁶ + 1,845 × 10⁷ = 2,554 × 10⁷ mm⁴ = 25,54 × 10⁶ mm⁴

Відповідь

Ix = 25,54 × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Ix = 265,4 × 10⁶ mm⁴

Перерізи з отворами: розглядайте отвір як від’ємну площу. Центр ваги ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), де A₁, y₁ — для суцільної пластини, а A₂, y₂ — для отвору. Для моменту інерції площі відносно центральної осі застосуйте теорему про паралельне перенесення осей для кожної частини й відніміть отвір: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), де d — відстань від власного центра ваги кожної частини до осі, що проходить через ȳ. Прямокутник має Ic = bh³/12, а круг — Ic = πd⁴/64.

Центр ваги

ȳ = (36000·150 − 1200·90)/(36000 − 1200) = 152,1 mm

Суцільна пластина відносно ȳ

120·300³/12 + 36000·−2,069² = 270,2 × 10⁶ mm⁴

Отвір відносно ȳ

30·40³/12 + 1200·−62,07² = 4,783 × 10⁶ mm⁴

Відніміть

Ix = 265,4 × 10⁶ mm⁴

Відповідь

Ix = 265,4 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics