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 скалярний добуток a·b векторів a = (0, −4, −5) і b = (−1, −2, −4).

a = (0, −4, −5)b = (−1, −2, −4)
a·b =
2.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzab

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

a = (1, −3, 1)b = (4, 4, −4)n̂z > 0
n̂x =
3.Опорні реакції балокСередня
P1​ = 50 kNP2​ = 10 kNABRA​RB​ = ?1 m1 m3 m

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

L = 5 mP1 = 50 kN у 1 mP2 = 10 kN у 2 m
RB = kN
4.Опорні реакції балокСкладна
w = 5 kN/mP = 50 kNABRA​ = ?RB​1,5 m0,5 m2 m1 m

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

L = 5 mP = 50 kN у 1,5 mw = 5 kN/m від 2 до 4 m
RA = kN
5.Ферма: метод вирізання вузлівСередня
ABBCACACB35 kN6 m5 m4 m

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

проліт = 6 mвисота = 4 mB на відстані 5 m від Aвертикальне навантаження = 35 kN
FAC = kN
6.Ферма: метод вирізання вузлівСкладна
ABCDEFGH35 kN40 kN20 kN35 kN30 kN4 × 3 m3 m

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

D: 35 kN ↓F: 40 kN ↓F: 20 kN →G: 35 kN ↓H: 30 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
15 kN5 m0,8 m1,2 m0,625 mABCDEK

Показана А-подібна рама стоїть на шарнірній опорі в A і котковій опорі в B на відстані 5 м одна від одної; її верхній шарнір C на висоті 2 м, а горизонтальна затяжка DE на 0,8 м над землею. Вертикальне навантаження 15 кН діє на ногу AC у K на 0,625 м (по горизонталі) від A. Знайдіть натяг T у затяжці.

P = 15 kNAB = 5 mвисота C = 2 mвисота DE = 0,8 mгоризонтальна відстань від A до K = 0,625 m
T = kN
8.Рами та механізмиСкладна
4 kN2,4 m1 m3 m0,48 mABCDEK

Показана А-подібна рама стоїть на шарнірній опорі в A і котковій опорі в B на відстані 2,4 м одна від одної; її верхній шарнір C на висоті 4 м, а горизонтальна затяжка DE на 1 м над землею. Вертикальне навантаження 4 кН діє на ногу AC у K на 0,48 м (по горизонталі) від A. Знайдіть модуль сили C, з якою шарнір C діє на ногу BC.

P = 4 kNAB = 2,4 mвисота C = 4 mвисота DE = 1 mгоризонтальна відстань від A до K = 0,48 m
C = kN
9.Поперечна сила і згинальний моментСередня
10 kN55 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.

10 kN @ 2 m55 kN @ 5 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)
10.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
w = 10 kN/mP = 15 kNAB1,5 m4,5 m

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

L = 6 mP = 15 kN у 1,5 mw = 10 kN/m від 0 до 6 m
Mmax = kN·m
11.Центр ваги й момент інерціїСередня
B = 240H = 300t = 6xрозміри в mm

Порожнистий прямокутний (коробчастий) переріз має зовнішню ширину B = 240 mm, зовнішню висоту H = 300 mm і сталу товщину стінки t = 6 mm. Знайдіть її радіус інерції r відносно горизонтальної центральної осі.

B = 240 mmH = 300 mmt = 6 mm
r = mm
12.Центр ваги й момент інерціїСкладна
100 mm200 mm60 mm60 × 20xIx​ = ?

Пластина 100 мм × 200 мм має прямокутний виріз завширшки 60 мм і заввишки 20 мм, розташований на вертикальній осі симетрії, із центром на 60 мм вище від низу. Знайдіть момент інерції площі Ix відносно горизонтальної осі, що проходить через центр ваги.

b = 100 mmh = 200 mmвиріз: 60 × 20 mmцентр отвору: y = 60 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Розчини

1.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: a·b = 28

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.

Перемножте відповідні компоненти й додайте

a·b = 0·(−1) + (−4)·(−2) + (−5)·(−4) = 0 + 8 + 20 = 28

Відповідь

a·b = 28

Додатний: кут між векторами менший за 90°.

2.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: n̂x = 0,4082

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) − 1·4 = 8
(a × b)y = azbx − axbz = 1·4 − 1·(−4) = 8
(a × b)z = axby − aybx = 1·4 − (−3)·4 = 16

Нормування

z-компонента a × b уже додатна.

|a × b| = √(8² + 8² + 16²) = 19,6
n̂ = (8, 8, 16)/19,6 = (0,4082, 0,4082, 0,8165)
n̂x = 0,4082

Відповідь

n̂x = 0,4082
3.Опорні реакції балок

Відповідь: RB = 14 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​ = 50 kNP2​ = 10 kNABRA​RB​1 m1 m3 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·5 = 50·1 + 10·2
RB = 70/5 = 14 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 14 = 46 kN

Відповідь

RB = 14 kN
4.Опорні реакції балок

Відповідь: RA = 39 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 = 5 kN/mP = 50 kNABRA​RB​1,5 m0,5 m2 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 = 5·2 = 10 kN, прикладена в x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·5 = 50·1,5 + 5·2·3
RB = 105/5 = 21 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 21 = 39 kN

Відповідь

RA = 39 kN
5.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: FAC = 7,292 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.

ABBCACACB35 kNAy​Cy​

Опорні реакції

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 35·5 → Cy = 29,17 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 29,17 = 5,833 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 = 4/4,123 = 0,9701, cos γ = 1/4,123 = 0,2425
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −29,17/0,9701 = −30,06 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−30,06)·0,2425 = 7,292 kN

Відповідь

FAC = 7,292 kN (розтяг)
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: 78,75 kN (T), BC: 97,5 kN (T), CD: 97,5 kN (T), DE: 81,25 kN (T), FG: 78,75 kN (C), GH: 81,25 kN (C), AF: 83,09 kN (C), HE: 114,9 kN (C), BF: 18,75 kN (T), CG: 0, DH: 51,25 kN (T), BG: 26,52 kN (C), DG: 22,98 kN (C)

Відповідь

Нульовий елемент: CG
7.Рами та механізми

Відповідь: T = 3,906 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.

Уся рама: моменти відносно A

By = 15·0,625/5 = 1,875 kN

Нога BC: моменти відносно C

1,875·2,5 = T·1,2
T = 3,906 kN

Відповідь

T = 3,906 kN
8.Рами та механізми

Відповідь: C = 0,8616 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 = 4·0,48/2,4 = 0,8 kN

Сила в затяжці

T = 0,8·1,2/3 = 0,32 kN

Сила в шарнірі на BC

Cx = 0,32 kN, Cy = −0,8 kN
C = √(0,32² + 0,8²) = 0,8616 kN

Відповідь

C = 0,8616 kN
9.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: F (x = 5 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 = 15,83 kN, R2 = 49,17 kN

Згинальний момент у кожній позначці

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

MA = 0, MB = 15,83, MC = 31,67, MD = 37,5, ME = 43,33, MF = 49,17 kN·m, MG = 0

Відповідь

Позначка F: MF = 49,17 kN·m
10.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mmax = 56,95 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 = 10·6 = 60 kN, прикладена в x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 15·1,5 + 10·6·3
RB = 202,5/6 = 33,75 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 33,75 = 41,25 kN

Де V = 0?

RA − P − w·x0 = 0 → x0 = (41,25 − 15)/10 = 2,625 m

Максимальний момент

Mmax = RA·x0 − P·(x0 − 1,5) − w·x0²/2 = 56,95 kN·m

Відповідь

Mmax = 56,95 kN·m

Це в точці x = 2,625 m від A.

11.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: r = 116,6 mm

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. Радіус інерції r = √(I/A) — це відстань, на якій уся площа дала б той самий I; його використовують у розрахунку колон на стійкість.

Площа нетто і момент інерції нетто

b = 228 mm, h = 288 mm
A = BH − bh = 240·300 − 228·288 = 6336 mm²
I = (BH³ − bh³)/12 = 8,613 × 10⁷ mm⁴

Радіус інерції

r = √(I/A) = √(8,613 × 10⁷/6336) = 116,6 mm

Відповідь

r = 116,6 mm
12.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Ix = 64,58 × 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 = (20000·100 − 1200·60)/(20000 − 1200) = 102,6 mm

Суцільна пластина відносно ȳ

100·200³/12 + 20000·−2,553² = 66,8 × 10⁶ mm⁴

Отвір відносно ȳ

60·20³/12 + 1200·−42,55² = 2,213 × 10⁶ mm⁴

Відніміть

Ix = 64,58 × 10⁶ mm⁴

Відповідь

Ix = 64,58 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics