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 = (4, −1, 4) і b = (−6, −2, −4) у градусах.

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

Для a = (4, 5, 6) і b = (2, 5, −4) знайдіть z-компоненту (a × b)z векторного добутку a × b.

a = (4, 5, 6)b = (2, 5, −4)
(a × b)z =
3.Опорні реакції балокСередня
w0​ = 12 kN/mABRA​ = ?4 m

Шарнірно оперта балка (нерухомий шарнір в A, рухома опора в B) навантажена лінійно змінним навантаженням, що спадає від 12 kN/m в A до нуля в B. Знайдіть вертикальну опорну реакцію RA.

L = 4 mw0 = 12 kN/m
RA = kN
4.Опорні реакції балокСкладна
w0​ = 8 kN/mP = 50 kNABMA​ = ?2,5 m3,5 m

Консольна балка защемлена в стіні в A. Вона навантажена лінійно змінним навантаженням, що дорівнює нулю біля стіни й зростає до 8 kN/m на вільному кінці B, а також зосередженою силою P на відстані 2,5 m від стіни. Знайдіть величину реактивного моменту MA у стіні.

L = 6 mw0 = 8 kN/mP = 50 kN у 2,5 m
MA = kN·m
5.Ферма: метод вирізання вузлівСередня
ABBCACACB25 kN8 m5 m3 m

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

проліт = 8 mвисота = 3 mB на відстані 5 m від Aвертикальне навантаження = 25 kN
FAC = kN
6.Ферма: метод вирізання вузлівСкладна
ABCDEFGH40 kN40 kN35 kN25 kN4 × 4 m3 m

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

B: 40 kN ↓G: 40 kN ↓H: 35 kN ↓H: 25 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
7.Рами та механізмиСередня
6 kN6 m1,5 m1,5 mABCDE

Показана А-подібна рама стоїть на шарнірній опорі в A і котковій опорі в B на відстані 6 м одна від одної. Ноги сходяться в шарнірі C на висоті 3 м, а горизонтальна затяжка DE на 1,5 м над землею. У C діє навантаження 6 кН. Знайдіть модуль сили C, з якою шарнір C діє на ногу BC.

P = 6 kNAB = 6 mвисота C = 3 mвисота DE = 1,5 m
C = kN
8.Рами та механізмиСкладна
20 kN6 kN8 m2 m4,8 mABCK

Показана рама має шарніри в A, B і C; A і C закріплені на землі на відстані 8 м одна від одної, а B розташований на висоті 2 м і на 4,8 м праворуч від A. Стрижень AB несе вертикальне навантаження 20 кН у K на 2,4 м (по горизонталі) від A, а в B на стрижень AB діє горизонтальне навантаження 6 кН праворуч. Знайдіть величину горизонтальної реакції Ax у A.

P = 20 kNQ = 6 kNL = 8 mH = 2 mгоризонтальна відстань від A до B = 4,8 mгоризонтальна відстань від A до K = 2,4 m
Ax = kN
9.Поперечна сила і згинальний моментСередня
M0​ = 30 kN·mAB1,5 m4,5 m

Шарнірно оперта балка навантажена зосередженим моментом M0 = 30 kN·m, що діє за годинниковою стрілкою, на відстані x = 1,5 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 = 6 mM0 = 30 kN·m за годинниковою стрілкою, на відстані 1,5 m
Mx = kN·m
10.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
6 kN/m35 kN25 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.

35 kN @ 0 m25 kN @ 12 m6 kN/m, 2–8 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
1704202210xрозміри в mm

Симетричний двотавровий переріз має полиці шириною 170 mm і товщиною 22 mm, повну висоту 420 mm і стінку товщиною 10 mm. Знайдіть його момент інерції Ix відносно горизонтальної центральної осі x.

B = 170 mmH = 420 mmtf = 22 mmtw = 10 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерціїСкладна
1803016018xдодатний Mрозміри в mm

Чавунна балка має показаний тавровий переріз із полицею вгорі. Допустимі напруження: 50 MPa на розтяг і 100 MPa на стиск. Знайдіть найбільший додатний згинальний момент Mallow, який може витримати балка.

bf = 180 mmtf = 30 mmtw = 18 mmhw = 160 mmσt,allow = 50 MPaσc,allow = 100 MPa
Mallow = kN·m

3Розчини

1.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: θ = 152,1 °

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 = 4·(−6) + (−1)·(−2) + 4·(−4) = −38

Модулі

|a| = √(4² + (−1)² + 4²) = 5,745
|b| = √((−6)² + (−2)² + (−4)²) = 7,483

Кут

cos θ = −38/(5,745·7,483) = −0,884
θ = arccos(−0,884) = 152,1°

Відповідь

θ = 152,1°
2.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: (a × b)z = 10

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 = 5·(−4) − 6·5 = −50
(a × b)y = azbx − axbz = 6·2 − 4·(−4) = 28
(a × b)z = axby − aybx = 4·5 − 5·2 = 10

Потрібна компонента

(a × b)z = 10

Відповідь

(a × b)z = 10

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

3.Опорні реакції балок

Відповідь: RA = 16 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 = ½·12·4 = 24 kN
x̄ = L/3 = 1,333 m

Рівновага

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

ΣMA = 0: RB·4 = 24·1,333
RB = 8 kN
RA = 24 − 8 = 16 kN

Відповідь

RA = 16 kN
4.Опорні реакції балок

Відповідь: MA = 221 kN·m

Рівновага консолі: защемлення може не лише підпирати, а й протидіяти повороту, тож воно дає вертикальну реакцію RA і реактивний момент MA. ΣFy = 0 дає RA, а моменти відносно стіни дають MA = Σ(навантаження × відстань від стіни). Розподілене навантаження діє як рівнодійна, прикладена в центрі ваги епюри навантаження.

Рівнодійна трикутного навантаження

W = ½·8·6 = 24 kN
x̄ = 2L/3 = 4 m

Момент відносно стіни

MA = W·x̄ + P·a = 24·4 + 50·2,5 = 221 kN·m

Відповідь

MA = 221 kN·m
5.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: FAC = 15,63 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.

ABBCACACB25 kNAy​Cy​

Опорні реакції

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 25·5 → Cy = 15,63 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 15,63 = 9,375 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 = 3/4,243 = 0,7071, cos γ = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −15,63/0,7071 = −22,1 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−22,1)·0,7071 = 15,63 kN

Відповідь

FAC = 15,63 kN (розтяг)
6.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: елемент DH

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 D

CD і DE лежать на одній прямій, а вузол не несе навантаження. Баланс сил поперек цієї прямої залишає лише DH.

ΣF⊥ = 0 → FDH = 0

Перевірка методом вузлів

Розв’язання всіх вузлів дає ці сили в елементах (T = розтяг, C = стиск).

AB: 59,58 kN (T), BC: 59,58 kN (T), CD: 68,75 kN (T), DE: 68,75 kN (T), FG: 115,8 kN (C), GH: 115,8 kN (C), AF: 105,7 kN (C), HE: 85,94 kN (C), BF: 40 kN (T), CG: 40 kN (C), DH: 0, FC: 39,06 kN (T), HC: 27,6 kN (T)

Відповідь

Нульовий елемент: DH
7.Рами та механізми

Відповідь: C = 6,708 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.

Сила в затяжці з ноги BC

By = 3 kN
T = 3·3/1,5 = 6 kN

Складові сили в шарнірі на BC

Cx = T = 6 kN, Cy = −By = −3 kN

Модуль

C = √(6² + 3²) = 6,708 kN

Відповідь

C = 6,708 kN
8.Рами та механізми

Відповідь: Ax = 6 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.

Напрям BC

BC = 3,774 m, cos = 0,848, sin = 0,53

Уся рама: моменти відносно A

FBC·0,53·8 = 20·2,4 + 6·2
FBC = 14,15 kN

Горизонтальний баланс

Ax + 6 − 14,15·0,848 = 0
Ax = 6 kN → |Ax| = 6 kN

Відповідь

Ax = 6 kN

Ax напрямлена праворуч.

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 = 30/6 = 5 kN (вгору)
RA = −RB = −5 kN (вниз)

Переріз безпосередньо ліворуч від зосередженого моменту

Ліва частина містить лише RA.

Mx = RA·a = −5·1,5 = −7,5 kN·m

Відповідь

Mx = −7,5 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 = 48 kN, R2 = 48 kN

Згинальний момент у кожній позначці

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

MA = 0, MB = −70, MC = −56, MD = −66, ME = −100 kN·m, MF = −50, MG = 0

Відповідь

Позначка E: ME = −100 kN·m
11.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Ix = 340,8 × 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 = 420 − 2·22 = 376 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (170·420³ − 160·376³)/12
Ix = 3,408 × 10⁸ mm⁴ = 340,8 × 10⁶ mm⁴

Відповідь

Ix = 340,8 × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Mallow = 8,277 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 = (5400·175 + 2880·80)/8280 = 142 mm
верхній край: c = 190 − 142 = 48,04 mm

Момент інерції перерізу

I = 180·30³/12 + 5400·33,04² + 18·160³/12 + 2880·61,96² = 2,35 × 10⁷ mm⁴

Момент, допустимий за кожним краєм

Додатний момент: верх стиснутий, низ розтягнутий.

верхній край: M = 100·2,35 × 10⁷/48,04 = 48,91 kN·m
нижній край: M = 50·2,35 × 10⁷/142 = 8,277 kN·m

Визначальне значення

Mallow = min = 8,277 kN·m (нижній край)

Відповідь

Mallow = 8,277 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics