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 = (−5, 6, 3) і b = (1, 3, k) перпендикулярні.

a = (−5, 6, 3)b = (1, 3, k)
k =
2.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
xyzrFOA

Сила F = (−10, 10, −30) N діє в точці A(4, −3, 0). Координати подано в метрах. Знайдіть z-компоненту Mz моменту сили відносно точка O(−3, −3, −1).

F = (−10, 10, −30) NA(4, −3, 0) mO(−3, −3, −1) m
Mz = N·m
3.Опорні реакції балокСередня
P1​ = 35 kNP2​ = 45 kNABRA​ = ?RB​6 m3 m1 m

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

L = 10 mP1 = 35 kN у 6 mP2 = 45 kN у 9 m
RA = kN
4.Опорні реакції балокСкладна
w = 6 kN/mP = 45 kNABRA​RB​ = ?1,5 m1,5 m2 m

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

L = 5 mP = 45 kN у 1,5 mw = 6 kN/m від 3 до 5 m
RB = kN
5.Ферма: метод вирізання вузлівСередня
ABCDEFGH35 kN25 kN25 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 ↓F: 25 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 BG
  13. 13елемент DG
6.Ферма: метод вирізання вузлівСкладна
ABBCACACB10 kN10 kN8 m5 m2 m

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

проліт = 8 mвисота = 2 mB на відстані 5 m від Aвертикальне навантаження = 10 kNгоризонтальне навантаження = 10 kN →
FAC = kN
7.Рами та механізмиСередня
12 kN4 m1,2 m2,8 m1 mABCDEK

Показана А-подібна рама стоїть на шарнірній опорі в A і котковій опорі в B на відстані 4 м одна від одної; її верхній шарнір C на висоті 4 м, а горизонтальна затяжка DE на 1,2 м над землею. Вертикальне навантаження 12 кН діє на ногу AC у K на 1 м (по горизонталі) від A. Знайдіть натяг T у затяжці.

P = 12 kNAB = 4 mвисота C = 4 mвисота DE = 1,2 mгоризонтальна відстань від A до K = 1 m
T = kN
8.Рами та механізмиСкладна
w = 3 kN/m12 kN1,6 m2 m1,5 mABCD

Балка AB показаного настінного кронштейна закріплена шарніром у A і підперта розкосом CD (C на 1,5 м нижче від A). Балка несе рівномірне навантаження 3 кН/м по всій довжині та зосереджене навантаження 12 кН на вільному кінці B. Знайдіть силу FCD в розкосі.

w = 3 kN/mP = 12 kNAD = 1,6 mAB = 3,6 mAC = 1,5 m
FCD = kN
9.Поперечна сила і згинальний моментСередня
w = 3 kN/mP = 10 kNAB1 m1 m

Консоль защемлена в A. Вона навантажена рівномірно розподіленим навантаженням w по всій довжині і зосередженою силою P на відстані 1 m від A. Знайдіть згинальний момент MA у защемленні A. Додатними вважайте моменти, що розтягують нижні волокна, і поперечну силу, спрямовану вгору на лівій грані.

L = 2 mP = 10 kN у 1 mw = 3 kN/m від 0 до 2 m
MA = kN·m
10.Поперечна сила і згинальний моментСкладна
w = 12 kN/mP = 35 kNABпереріз3 m7 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 = 10 mP = 35 kN у 3 mw = 12 kN/m від 0 до 10 mx = 3 m
Mx = kN·m
11.Центр ваги й момент інерціїСередня
100380106xрозміри в mm

Симетричний двотавровий переріз має полиці шириною 100 mm і товщиною 10 mm, повну висоту 380 mm і стінку товщиною 6 mm. Знайдіть його момент інерції Ix відносно горизонтальної центральної осі x.

B = 100 mmH = 380 mmtf = 10 mmtw = 6 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерціїСкладна
140460148xM = 80 kN·mрозміри в mm

Симетричний двотавровий переріз має полиці шириною 140 mm і товщиною 14 mm, повну висоту 460 mm і стінку товщиною 8 mm. Він сприймає згинальний момент 80 kN·m відносно осі x. Знайдіть величину максимального нормального напруження при згині σmax у перерізі.

B = 140 mmH = 460 mmtf = 14 mmtw = 8 mmM = 80 kN·m
σmax = MPa

3Розчини

1.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: k = −4,333

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 = (−5)·1 + 6·3 + 3·k = 0
13 + 3·k = 0

Розв’яжіть щодо k

k = −13/3 = −4,333

Відповідь

k = −4,333
2.Вектори: скалярний і векторний добутки

Відповідь: Mz = 70 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 = (4, −3, 0) − (−3, −3, −1) = (7, 0, 1) m

Момент M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 0·(−30) − 1·10 = −10 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 1·(−10) − 7·(−30) = 200 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 7·10 − 0·(−10) = 70 N·m

Потрібна компонента

Mz = 70 N·m

Відповідь

Mz = 70 N·m
3.Опорні реакції балок

Відповідь: RA = 18,5 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​ = 45 kNABRA​RB​6 m3 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.

ΣMA = 0: RB·10 = 35·6 + 45·9
RB = 615/10 = 61,5 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 61,5 = 18,5 kN

Відповідь

RA = 18,5 kN
4.Опорні реакції балок

Відповідь: RB = 23,1 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 = 6 kN/mP = 45 kNABRA​RB​1,5 m1,5 m2 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 = 6·2 = 12 kN, прикладена в x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·5 = 45·1,5 + 6·2·4
RB = 115,5/5 = 23,1 kN
ΣFy = 0: RA = 57 − 23,1 = 33,9 kN

Відповідь

RB = 23,1 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 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: 38,44 kN (T), BC: 31,87 kN (T), CD: 31,87 kN (T), DE: 25,31 kN (T), FG: 38,44 kN (C), GH: 25,31 kN (C), AF: 64,06 kN (C), HE: 42,19 kN (C), BF: 26,25 kN (T), CG: 0, DH: 8,75 kN (T), BG: 10,94 kN (T), DG: 10,94 kN (C)

Відповідь

Нульовий елемент: CG
6.Ферма: метод вирізання вузлів

Відповідь: FAC = 13,13 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.

ABBCACACB10 kN10 kNAy​Cy​Ax​

Опорні реакції

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 10·5 + 10·2 → Cy = 8,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 8,75 = 1,25 kN
ΣFx = 0: Ax = −10 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 = 2/3,606 = 0,5547, cos γ = 3/3,606 = 0,8321
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −8,75/0,5547 = −15,77 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−15,77)·0,8321 = 13,13 kN

Відповідь

FAC = 13,13 kN (розтяг)
7.Рами та механізми

Відповідь: T = 2,143 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 = 12·1/4 = 3 kN

Нога BC: моменти відносно C

3·2 = T·2,8
T = 2,143 kN

Відповідь

T = 2,143 kN
8.Рами та механізми

Відповідь: FCD = 57,24 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 = 3·3,6 = 10,8 kN у 1,8 m

Моменти відносно A для балки

FCD·0,6839·1,6 = 10,8·1,8 + 12·3,6 = 62,64 kN·m
FCD = 57,24 kN

Відповідь

FCD = 57,24 kN
9.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: MA = −16 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.

Залиште частину з вільним кінцем

P: −10·1 = −10 kN·m
w: −3·2²/2 = −6 kN·m
MA = −10 − 6 = −16 kN·m

Відповідь

MA = −16 kN·m

Від’ємний момент означає, що розтягнута верхня грань.

10.Поперечна сила і згинальний момент

Відповідь: Mx = 199,5 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.

Опорні реакції

Рівновага всієї балки.

Рівнодійна розподіленого навантаження: W = w·ℓ = 12·10 = 120 kN, прикладена в x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 35·3 + 12·10·5
RB = 705/10 = 70,5 kN
ΣFy = 0: RA = 155 − 70,5 = 84,5 kN
w = 12 kN/mP = 35 kNABRA​ = 84,5RB​ = 70,5переріз3 m7 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 = 84,5·3 − 12·3·1,5 = 199,5 kN·m

Відповідь

Mx = 199,5 kN·m
11.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: Ix = 91,79 × 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 = 380 − 2·10 = 360 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (100·380³ − 94·360³)/12
Ix = 9,179 × 10⁷ mm⁴ = 91,79 × 10⁶ mm⁴

Відповідь

Ix = 91,79 × 10⁶ mm⁴
12.Центр ваги й момент інерції

Відповідь: σmax = 73,97 MPa

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.

Зовнішній прямокутник мінус два бічні вирізи

Обидва вирізи разом мають ширину (B − tw) і висоту hw = H − 2tf та спільну вісь x.

hw = 460 − 2·14 = 432 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (140·460³ − 132·432³)/12
Ix = 2,487 × 10⁸ mm⁴

Напруження згину

y = 230 mm
σ = M·y/I = 8 × 10⁷·230/2,487 × 10⁸ = 73,97 MPa

Відповідь

σmax = 73,97 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics