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 кут θ між векторами a = (5, −6, 1) і b = (4, 4, −5) у градусах.

a = (5, −6, 1)b = (4, 4, −5)
θ = °
2.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzABC

Знайдіть площу A трикутника з вершинами A(3, −2, 1), B(−1, 4, −4) і C(−3, 3, 4). Координати подано в метрах.

A(3, −2, 1)B(−1, 4, −4)C(−3, 3, 4)
A = m²
3.Опорні реакції балокСередня
P1​ = 35 kNP2​ = 55 kNABRA​RB​ = ?2 m1,5 m2,5 m

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

L = 6 mP1 = 35 kN у 2 mP2 = 55 kN у 3,5 m
RB = kN
4.Опорні реакції балокСкладна
w = 2 kN/mP = 30 kNADCMA​ = ?5 m4 m1 m

Складена балка защемлена в стіні в A, має проміжний шарнір у C (5 m від A) і спирається на рухому опору в D (10 m від A). Вона навантажена зосередженою силою P на відстані 9 m від A, рівномірно розподіленим навантаженням w на всій ділянці CD. Знайдіть величину реактивного моменту MA у стіні.

AC = 5 mAD = 10 mP = 30 kN у 9 mw = 2 kN/m від 5 до 10 m
MA = kN·m
5.Ферма: метод вирізання вузлівСередня
ABBCACACB40 kN8 m3 m4 m

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

проліт = 8 mвисота = 4 mB на відстані 3 m від Aвертикальне навантаження = 40 kN
FAC = kN
6.Ферма: метод вирізання вузлівСкладна
ABBCACACB60 kN30 kN6 m1 m3 m

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

проліт = 6 mвисота = 3 mB на відстані 1 m від Aвертикальне навантаження = 60 kNгоризонтальне навантаження = 30 kN ←
FAB = kN
7.Рами та механізмиСередня
6 kN3 m2 m0,9 mABCK

Показана рама має шарніри в A, B і C; A і C закріплені на землі на відстані 3 м одна від одної, а B розташований на 2 м над землею і на 0,9 м праворуч від A. Вертикальне навантаження 6 кН діє на стрижень AB у K на 0,54 м (по горизонталі) від A. Знайдіть силу FBC у стрижні BC.

P = 6 kNL = 3 mH = 2 mгоризонтальна відстань від A до B = 0,9 mгоризонтальна відстань від A до K = 0,54 m
FBC = kN
8.Рами та механізмиСкладна
15 kN1 kN4 m3 mABC

Однорідна горизонтальна стріла AB вагою 1 кН закріплена шарніром до стіни в A і утримується канатом від її кінця B до точки C на стіні на 3 м вище від A. У B висить вантаж 15 кН. Знайдіть натяг T каната.

W = 15 kNWb = 1 kNAB = 4 mAC = 3 m
T = kN
9.Поперечна сила і згинальний моментСередня
15 kN15 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.

15 kN @ 5 m15 kN @ 2 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 = 40 kNABпереріз1 m7 m

Знайдіть згинальний момент Mx у перерізі x = 1 m від опори A. Додатними вважайте моменти, що розтягують нижні волокна, і поперечну силу, спрямовану вгору на лівій грані.

L = 8 mP = 40 kN у 1 mw = 10 kN/m від 0 до 8 mx = 1 m
Mx = kN·m
11.Центр ваги й момент інерціїСередня
xD = 70d = 50розміри в mm

Кругла труба має зовнішній діаметр D = 70 mm і внутрішній діаметр d = 50 mm. Знайдіть її радіус інерції r відносно горизонтальної центральної осі.

D = 70 mmd = 50 mm
r = mm
12.Центр ваги й момент інерціїСкладна
3001522014xдодатний 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 = 300 mmtf = 15 mmtw = 14 mmhw = 220 mmσt,allow = 40 MPaσc,allow = 100 MPa
Mallow = kN·m

3Розчини

1.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: θ = 98,71 °

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 = 5·4 + (−6)·4 + 1·(−5) = −9

Модулі

|a| = √(5² + (−6)² + 1²) = 7,874
|b| = √(4² + 4² + (−5)²) = 7,55

Кут

cos θ = −9/(7,874·7,55) = −0,1514
θ = arccos(−0,1514) = 98,71°

Відповідь

θ = 98,71°
2.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: A = 31,1 m²

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.

Вектори сторін

AB = B − A = (−4, 6, −5)
AC = C − A = (−6, 5, 3)

Векторний добуток

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = 6·3 − (−5)·5 = 43
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−5)·(−6) − (−4)·3 = 42
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = (−4)·5 − 6·(−6) = 16
|AB × AC| = √(43² + 42² + 16²) = 62,2

Площа трикутника

A = ½·62,2 = 31,1 m²

Відповідь

A = 31,1 m²
3.Опорні реакції балок

Відповідь: RB = 43,75 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​ = 55 kNABRA​RB​2 m1,5 m2,5 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·6 = 35·2 + 55·3,5
RB = 262,5/6 = 43,75 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 43,75 = 46,25 kN

Відповідь

RB = 43,75 kN
4.Опорні реакції балок

Відповідь: MA = 55 kN·m

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 = 30·4 + 10·2,5
RD = 29 kN
VC = 40 − 29 = 11 kN

Ділянка AC

Сила в шарнірі VC діє на AC униз (рівна за величиною й протилежна її дії на CD).

RA = 11 = 11 kN
MA = 11·5 = 55 kN·m

Відповідь

MA = 55 kN·m
5.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: FAC = 18,75 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.

ABBCACACB40 kNAy​Cy​

Опорні реакції

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 40·3 → Cy = 15 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 15 = 25 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 = 4/6,403 = 0,6247, cos γ = 5/6,403 = 0,7809
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −15/0,6247 = −24,01 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−24,01)·0,7809 = 18,75 kN

Відповідь

FAC = 18,75 kN (розтяг)
6.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: FAB = −68,52 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.

ABBCACACB60 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Опорні реакції

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 60·1 − 30·3 → Cy = −5 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − −5 = 65 kN
ΣFx = 0: Ax = 30 kN

Вузол A

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

sin α = 3/3,162 = 0,9487
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −65/0,9487 = −68,52 kN

Відповідь

FAB = −68,52 kN (стиск)
7.Рами та механізми

Відповідь: FBC = 1,566 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 = √(2,1² + 2²) = 2,9 m

Уся рама: моменти відносно A

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

FBC·(2/2,9)·3 = 6·0,54
FBC = 1,566 kN (стиск)

Відповідь

FBC = 1,566 kN
8.Рами та механізми

Відповідь: T = 25,83 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.

Кут каната

BC = √(4² + 3²) = 5 m, sin β = 0,6

Моменти відносно A

T·0,6·4 = 15·4 + 1·2
T = 25,83 kN

Відповідь

T = 25,83 kN
9.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: C (x = 2 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 = 12,5 kN, R2 = 17,5 kN

Згинальний момент у кожній позначці

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

MA = 0, MB = 12,5, MC = 25 kN·m, MD = 22,5, ME = 20, MF = 17,5, MG = 0

Відповідь

Позначка C: MC = 25 kN·m
10.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mx = 70 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 = 10·8 = 80 kN, прикладена в x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 40·1 + 10·8·4
RB = 360/8 = 45 kN
ΣFy = 0: RA = 120 − 45 = 75 kN
w = 10 kN/mP = 40 kNABRA​ = 75RB​ = 45переріз1 m7 m

Розріжте в x = 1 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 = 75·1 − 10·1·0,5 = 70 kN·m

Відповідь

Mx = 70 kN·m
11.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: r = 21,51 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

A = π(D² − d²)/4 = 1885 mm²
I = π(D⁴ − d⁴)/64 = 871792 mm⁴

Радіус інерції

r = √(I/A) = √(871792/1885) = 21,51 mm

Відповідь

r = 21,51 mm
12.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Mallow = 8,401 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 = (4500·227,5 + 3080·110)/7580 = 179,8 mm
верхній край: c = 235 − 179,8 = 55,24 mm

Момент інерції перерізу

I = 300·15³/12 + 4500·47,74² + 14·220³/12 + 3080·69,76² = 3,775 × 10⁷ mm⁴

Момент, допустимий за кожним краєм

Додатний момент: верх стиснутий, низ розтягнутий.

верхній край: M = 100·3,775 × 10⁷/55,24 = 68,34 kN·m
нижній край: M = 40·3,775 × 10⁷/179,8 = 8,401 kN·m

Визначальне значення

Mallow = min = 8,401 kN·m (нижній край)

Відповідь

Mallow = 8,401 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics