Tĩnh học: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 12 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Độ lớn
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vectơ đơn vị
û = a/|a|
Các thành phần từ một góc
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Tích vô hướng
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Hình chiếu vô hướng của a lên b
a·b/|b|
Công
W = F·d
Tích có hướng
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Diện tích
hình bình hành |a × b|, tam giác ½|a × b|
Mô-men đối với O
MO = r × F, r = A − O
Thể tích hình hộp
V = |a·(b × c)|

Phương pháp

  1. Viết mọi vectơ theo các thành phần; với lực cho bằng độ lớn và một góc, dùng F·cos θ và F·sin θ.
  2. Với độ dài và hướng, dùng độ lớn √(x² + y² + z²) và vectơ đơn vị a/|a|.
  3. Dùng tích vô hướng cho góc, hình chiếu, tính vuông góc và công: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Dùng tích có hướng cho các vectơ vuông góc, diện tích và mô-men: viết cẩn thận ba thành phần, giữ đúng thứ tự a × b.

Phản lực gối của dầm

Cân bằng
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Tải phân bố đều
hợp lực w·L đặt tại giữa đoạn tải
Mômen
M = F·d

Phương pháp

  1. Vẽ sơ đồ vật thể tự do và thay mỗi gối đỡ bằng các phản lực của nó.
  2. Thay mọi tải phân bố bằng một lực duy nhất đặt tại trọng tâm của nó.
  3. Lấy mômen quanh một gối để tìm phản lực ở gối kia.
  4. Dùng ΣFy = 0 để tìm phản lực còn lại, và kiểm tra bằng một phương trình mômen thứ hai.

Giàn: phương pháp tách nút

Phương pháp tách nút
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Phương pháp mặt cắt
ΣM = 0 about a cut point
Nội lực thanh
dương = kéo, âm = nén

Phương pháp

  1. Tìm phản lực gối cho cả giàn.
  2. Phương pháp tách nút: bắt đầu từ nút có tối đa hai nội lực thanh chưa biết và dùng ΣFx = 0 và ΣFy = 0.
  3. Phương pháp mặt cắt: cắt qua thanh bạn cần và lấy mômen quanh điểm mà các thanh chưa biết khác gặp nhau.
  4. Giả sử chịu kéo; đáp án âm nghĩa là chịu nén.

Khung và máy

Cân bằng của từng thanh
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Thanh chịu hai lực
lực dọc theo đường thẳng đi qua hai chốt của nó
Lực tại chốt
bằng nhau và ngược chiều trên hai thanh mà nó nối
Độ lớn của lực tại chốt
F = √(Fx² + Fy²)
Đòn bẩy, kìm, tay quay chữ L
Fin·a = Fout·b
Cơ cấu khuỷu (toggle)
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Tải phân bố đều
hợp lực w·L đặt tại giữa đoạn tải

Phương pháp

  1. Vẽ toàn bộ kết cấu và tìm các phản lực gối đỡ nếu có không quá ba ẩn.
  2. Nhận ra các thanh chịu hai lực: chỉ chịu tải tại hai chốt, lực của chúng tác dụng dọc theo đường thẳng giữa hai chốt.
  3. Tháo khung ra và vẽ riêng từng thanh, với các lực tại chốt bằng nhau và ngược chiều ở nơi các thanh gặp nhau.
  4. Với mỗi thanh, lấy mômen quanh một chốt có các lực chưa biết, rồi dùng ΣFx = 0 và ΣFy = 0; ghép các thành phần thành độ lớn ở cuối.

Lực cắt và mômen uốn

Lực cắt và mômen
V = ΣF ở một phía, M = ΣF·d ở một phía
Ứng suất uốn
σ = M·y/I
Hình chữ nhật
I = bh³/12
Mômen chống uốn của mặt cắt
W = I/ymax
Dầm đơn giản, tải phân bố đều
Mmax = wL²/8

Phương pháp

  1. Tìm phản lực gối từ cân bằng của cả dầm.
  2. Cắt dầm tại mặt cắt bạn cần và giữ lại một phía.
  3. Lực cắt: tổng các lực thẳng đứng ở phía đó. Mômen uốn: tổng mômen của chúng quanh mặt cắt.
  4. Để tìm mômen lớn nhất, hãy tìm nơi lực cắt bằng không.

Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Trọng tâm
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Hình chữ nhật
I = bh³/12
Định lý trục song song
I = Ic + A·d²
Mặt cắt ghép
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

2Bài tập

1.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướngTrung bình
xyzab

Tìm góc θ giữa các vectơ a = (−6, −5, 1) và b = (1, −2, −2), theo độ.

a = (−6, −5, 1)b = (1, −2, −2)
θ = °
2.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướngKhó
xyzABC

Tìm diện tích A của tam giác có các đỉnh A(−4, 2, −1), B(−3, −3, 2) và C(2, −4, −3). Tọa độ tính bằng mét.

A(−4, 2, −1)B(−3, −3, 2)C(2, −4, −3)
A = m²
3.Phản lực gối của dầmTrung bình
P1​ = 10 kNP2​ = 15 kNABCRB​ = ?5 m1 m4 m

Dầm có gối cố định tại A và gối con lăn tại B, cách A 6 m, và đoạn công-xôn nhô ra khỏi B tới đầu tự do C. Tìm phản lực thẳng đứng RB, lấy chiều hướng lên là dương.

AB = 6 mAC = 10 mP1 = 10 kN tại 5 mP2 = 15 kN tại 10 m
RB = kN
4.Phản lực gối của dầmKhó
w = 10 kN/mP = 10 kNABRA​ = ?RB​1 m5 m2 m

Dầm đơn giản có gối cố định tại A và gối di động tại B. Tìm phản lực thẳng đứng RA.

L = 8 mP = 10 kN tại 1 mw = 10 kN/m từ 6 đến 8 m
RA = kN
5.Giàn: phương pháp tách nútTrung bình
ABBCACACB30 kN5 m1 m4 m

Dùng phương pháp tách nút để tìm lực FAC trong thanh AC. Lấy kéo là dương và nén là âm.

nhịp = 5 mchiều cao = 4 mB cách A 1 mtải thẳng đứng = 30 kN
FAC = kN
6.Giàn: phương pháp tách nútKhó
ABBCACACB50 kN15 kN5 m4 m2 m

Dùng phương pháp tách nút để tìm lực FAC trong thanh AC. Lấy kéo là dương và nén là âm.

nhịp = 5 mchiều cao = 2 mB cách A 4 mtải thẳng đứng = 50 kNtải ngang = 15 kN ←
FAC = kN
7.Khung và máyTrung bình
4 kN3,2 m2 m1,6 m0,64 mABCDEK

Khung chữ A trong hình đứng trên một gối cố định tại A và một con lăn tại B, cách nhau 3,2 m, với chốt đỉnh C cao 3,6 m và thanh giằng ngang DE cách mặt đất 2 m. Một tải thẳng đứng 4 kN tác dụng lên chân AC tại K, cách A 0,64 m (theo phương ngang). Tìm lực kéo T trong thanh giằng.

P = 4 kNAB = 3,2 mđộ cao của C = 3,6 mđộ cao của DE = 2 mkhoảng cách ngang từ A đến K = 0,64 m
T = kN
8.Khung và máyKhó
6 kN6 m2 m2 m0,75 mABCDEK

Khung chữ A trong hình đứng trên một gối cố định tại A và một con lăn tại B, cách nhau 6 m, với chốt đỉnh C cao 4 m và thanh giằng ngang DE cách mặt đất 2 m. Một tải thẳng đứng 6 kN tác dụng lên chân AC tại K, cách A 0,75 m (theo phương ngang). Tìm độ lớn của lực C mà chốt C tác dụng lên chân BC.

P = 6 kNAB = 6 mđộ cao của C = 4 mđộ cao của DE = 2 mkhoảng cách ngang từ A đến K = 0,75 m
C = kN
9.Lực cắt và mômen uốnTrung bình
12 kN/m10 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

Các điểm đánh dấu từ A đến G chia dầm thành sáu phần bằng nhau. Tại điểm nào mômen uốn có độ lớn lớn nhất, dù võng hay vồng? Nhấp vào nó trong sơ đồ.

10 kN @ 6 m12 kN/m, 4–10 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)
10.Lực cắt và mômen uốnKhó
4 kN/m25 kN45 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 m

Các điểm đánh dấu từ A đến G chia dầm thành sáu phần bằng nhau. Tại điểm nào mômen uốn có độ lớn lớn nhất, dù võng hay vồng? Nhấp vào nó trong sơ đồ.

25 kN @ 12 m45 kN @ 6 m4 kN/m, 0–10 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.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtTrung bình
2003022020xkích thước tính bằng mm

Tìm mômen quán tính Ix của mặt cắt chữ T đối với trục ngang x đi qua trọng tâm.

bf = 200 mmtf = 30 mmtw = 20 mmhw = 220 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtKhó
2304001010xM = 100 kN·mkích thước tính bằng mm

Một tiết diện chữ I đối xứng có các cánh rộng 230 mm và dày 10 mm, chiều cao tổng thể 400 mm và bụng dày 10 mm. Nó chịu mô-men uốn 100 kN·m quanh trục x. Tìm độ lớn của ứng suất uốn σj tại chỗ nối giữa bụng và cánh trên.

B = 230 mmH = 400 mmtf = 10 mmtw = 10 mmM = 100 kN·m
σj = MPa

3Dung dịch

1.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Đáp số: θ = 85,14 °

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.

Tích vô hướng

a·b = (−6)·1 + (−5)·(−2) + 1·(−2) = 2

Các độ lớn

|a| = √((−6)² + (−5)² + 1²) = 7,874
|b| = √(1² + (−2)² + (−2)²) = 3

Góc

cos θ = 2/(7,874·3) = 0,08467
θ = arccos(0,08467) = 85,14°

Đáp số

θ = 85,14°
2.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Đáp số: A = 20,98 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.

Các vectơ cạnh

AB = B − A = (1, −5, 3)
AC = C − A = (6, −6, −2)

Tích có hướng

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = (−5)·(−2) − 3·(−6) = 28
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = 3·6 − 1·(−2) = 20
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 1·(−6) − (−5)·6 = 24
|AB × AC| = √(28² + 20² + 24²) = 41,95

Diện tích tam giác

A = ½·41,95 = 20,98 m²

Đáp số

A = 20,98 m²
3.Phản lực gối của dầm

Đáp số: RB = 33,33 kN

Cân bằng tĩnh: một vật ở trạng thái nghỉ có ΣFx = 0, ΣFy = 0 và ΣM = 0 đối với mọi điểm. Thay mỗi tải phân bố bằng hợp lực của nó (diện tích) đặt tại trọng tâm của biểu đồ tải, và lấy mô-men đối với một gối để khử phản lực của gối đó khỏi phương trình.

Mômen quanh A

Ngược chiều kim đồng hồ là dương.

ΣMA = 0: RB·6 = 10·5 + 15·10
RB = 200/6 = 33,33 kN

Cân bằng theo phương thẳng đứng

RA = 10 + 15 − 33,33 = −8,333 kN

Đáp số

RB = 33,33 kN

RA âm: gối cố định tại A phải giữ dầm xuống.

4.Phản lực gối của dầm

Đáp số: RA = 11,25 kN

Cân bằng tĩnh: một vật đứng yên có ΣFx = 0, ΣFy = 0 và ΣM = 0 quanh mọi điểm. Lấy mômen quanh một gối sẽ loại phản lực của gối đó khỏi phương trình.

w = 10 kN/mP = 10 kNABRA​RB​1 m5 m2 m

Sơ đồ vật thể tự do

Thay các gối đỡ bằng phản lực. Gối di động cho một phản lực thẳng đứng; khi chỉ có tải thẳng đứng, gối cố định cũng cho một phản lực thẳng đứng.

Cân bằng

Mômen quanh A, chiều ngược kim đồng hồ là dương. Sau đó cân bằng lực theo phương thẳng đứng.

Hợp lực của tải phân bố đều: W = w·ℓ = 10·2 = 20 kN, đặt tại x̄ = 7 m
ΣMA = 0: RB·8 = 10·1 + 10·2·7
RB = 150/8 = 18,75 kN
ΣFy = 0: RA = 30 − 18,75 = 11,25 kN

Đáp số

RA = 11,25 kN
5.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: FAC = 6 kN

Phương pháp tách nút: mọi chốt của giàn đều cân bằng, nên ΣFx = 0 và ΣFy = 0 tại mỗi nút. Bắt đầu từ nút có tối đa hai nội lực thanh chưa biết. Kết quả âm nghĩa là thanh chịu nén.

ABBCACACB30 kNAy​Cy​

Phản lực gối

Cân bằng của cả giàn. Mômen quanh A, chiều ngược kim đồng hồ là dương.

ΣMA = 0: Cy·5 = 30·1 → Cy = 6 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 6 = 24 kN

Nút C

Gối di động chỉ cho phản lực thẳng đứng, nên nút C chỉ có hai nội lực thanh chưa biết. Giả sử cả hai chịu kéo.

sin γ = 4/5,657 = 0,7071, cos γ = 4/5,657 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −6/0,7071 = −8,485 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−8,485)·0,7071 = 6 kN

Đáp số

FAC = 6 kN (kéo)
6.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: FAC = 17 kN

Phương pháp tách nút: mọi chốt của giàn đều cân bằng, nên ΣFx = 0 và ΣFy = 0 tại mỗi nút. Bắt đầu từ nút có tối đa hai nội lực thanh chưa biết. Kết quả âm nghĩa là thanh chịu nén.

ABBCACACB50 kN15 kNAy​Cy​Ax​

Phản lực gối

Cân bằng của cả giàn. Mômen quanh A, chiều ngược kim đồng hồ là dương.

ΣMA = 0: Cy·5 = 50·4 − 15·2 → Cy = 34 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 34 = 16 kN
ΣFx = 0: Ax = 15 kN

Nút C

Gối di động chỉ cho phản lực thẳng đứng, nên nút C chỉ có hai nội lực thanh chưa biết. Giả sử cả hai chịu kéo.

sin γ = 2/2,236 = 0,8944, cos γ = 1/2,236 = 0,4472
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −34/0,8944 = −38,01 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−38,01)·0,4472 = 17 kN

Đáp số

FAC = 17 kN (kéo)
7.Khung và máy

Đáp số: T = 0,8 kN

Khung và máy: khác với giàn, khung chứa ít nhất một thanh chịu lực tại nhiều hơn hai điểm, hoặc chịu tải giữa các chốt của nó. Trước hết tìm các thanh chịu hai lực: một thanh chỉ chịu tải tại hai chốt có lực dọc theo đường thẳng đi qua chúng, nên chỉ thêm một ẩn, không phải hai. Sau đó dùng toàn bộ kết cấu để tìm phản lực gối đỡ khi có không quá ba ẩn. Cuối cùng tháo khung ra: vẽ riêng từng thanh, với các lực tại chốt bằng nhau và ngược chiều trên hai thanh mà chúng nối, rồi viết ΣFx = 0, ΣFy = 0 và ΣM = 0 cho nó. Lấy mômen quanh một chốt loại bỏ cả hai thành phần lực của chốt đó khỏi phương trình.

Toàn bộ khung: mômen quanh A

By = 4·0,64/3,2 = 0,8 kN

Chân BC: mômen quanh C

0,8·1,6 = T·1,6
T = 0,8 kN

Đáp số

T = 0,8 kN
8.Khung và máy

Đáp số: C = 1,352 kN

Khung và máy: khác với giàn, khung chứa ít nhất một thanh chịu lực tại nhiều hơn hai điểm, hoặc chịu tải giữa các chốt của nó. Trước hết tìm các thanh chịu hai lực: một thanh chỉ chịu tải tại hai chốt có lực dọc theo đường thẳng đi qua chúng, nên chỉ thêm một ẩn, không phải hai. Sau đó dùng toàn bộ kết cấu để tìm phản lực gối đỡ khi có không quá ba ẩn. Cuối cùng tháo khung ra: vẽ riêng từng thanh, với các lực tại chốt bằng nhau và ngược chiều trên hai thanh mà chúng nối, rồi viết ΣFx = 0, ΣFy = 0 và ΣM = 0 cho nó. Lấy mômen quanh một chốt loại bỏ cả hai thành phần lực của chốt đó khỏi phương trình.

Phản lực gối đỡ tại B

By = 6·0,75/6 = 0,75 kN

Lực trong thanh giằng

T = 0,75·3/2 = 1,125 kN

Lực tại chốt lên BC

Cx = 1,125 kN, Cy = −0,75 kN
C = √(1,125² + 0,75²) = 1,352 kN

Đáp số

C = 1,352 kN
9.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: D (x = 6 m)

Mômen uốn lớn nhất: M đổi độ dốc ở bất cứ chỗ nào lực cắt thay đổi, nên các đỉnh của nó nằm nơi lực cắt đi qua không: dưới một tải tập trung, bên trong một tải phân bố, hoặc trên một gối của phần công-xon. Tại ngàm của dầm công-xon, mômen lớn nhất ở chân tường. So sánh độ lớn của M tại những chỗ đó, dù là mômen làm võng hay làm vồng.

Phản lực gối

Lấy mômen quanh một gối tựa, rồi dùng cân bằng lực thẳng đứng.

R1 = 35 kN, R2 = 47 kN

Mômen uốn tại mỗi điểm đánh dấu

Cộng các mômen của mọi lực ở một phía của mặt cắt. Võng là dương, vồng là âm.

MA = 0, MB = 70, MC = 140, MD = 186 kN·m, ME = 164, MF = 94, MG = 0

Đáp số

Điểm đánh dấu D: MD = 186 kN·m
10.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: D (x = 6 m)

Mômen uốn lớn nhất: M đổi độ dốc ở bất cứ chỗ nào lực cắt thay đổi, nên các đỉnh của nó nằm nơi lực cắt đi qua không: dưới một tải tập trung, bên trong một tải phân bố, hoặc trên một gối của phần công-xon. Tại ngàm của dầm công-xon, mômen lớn nhất ở chân tường. So sánh độ lớn của M tại những chỗ đó, dù là mômen làm võng hay làm vồng.

Phản lực gối

Lấy mômen quanh một gối tựa, rồi dùng cân bằng lực thẳng đứng.

R1 = 33 kN, R2 = 77 kN

Mômen uốn tại mỗi điểm đánh dấu

Cộng các mômen của mọi lực ở một phía của mặt cắt. Võng là dương, vồng là âm.

MA = 0, MB = 58, MC = 100, MD = 126 kN·m, ME = 46, MF = −50, MG = 0

Đáp số

Điểm đánh dấu D: MD = 126 kN·m
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: Ix = 57,86 × 10⁶ mm⁴

Diện tích ghép: chia mặt cắt thành các hình chữ nhật. Trọng tâm là trung bình có trọng số theo diện tích ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Mômen quán tính của mặt cắt đối với trục đi qua trọng tâm bằng tổng bh³/12 của từng phần và số hạng trục song song A·d², trong đó d là khoảng cách từ trọng tâm của phần đó đến trọng tâm chung. Ứng suất uốn là σ = M·y/I.

Chia thành hai hình chữ nhật

Đo mọi y từ mép dưới.

cánh: Af = 200·30 = 6000 mm², yf = 220 + 30/2 = 235 mm
bụng: Aw = 20·220 = 4400 mm², yw = 220/2 = 110 mm

Trọng tâm

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (6000·235 + 4400·110)/10400 = 182,1 mm

Định lý trục song song

cánh: 200·30³/12 + 6000·(235 − 182,1)² = 1,723 × 10⁷ mm⁴
bụng: 20·220³/12 + 4400·(110 − 182,1)² = 4,063 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,723 × 10⁷ + 4,063 × 10⁷ = 5,786 × 10⁷ mm⁴ = 57,86 × 10⁶ mm⁴

Đáp số

Ix = 57,86 × 10⁶ mm⁴
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: σj = 86,1 MPa

Diện tích ghép: chia mặt cắt thành các hình chữ nhật. Trọng tâm là trung bình có trọng số theo diện tích ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Mômen quán tính của mặt cắt đối với trục đi qua trọng tâm bằng tổng bh³/12 của từng phần và số hạng trục song song A·d², trong đó d là khoảng cách từ trọng tâm của phần đó đến trọng tâm chung. Ứng suất uốn là σ = M·y/I.

Hình chữ nhật ngoài trừ hai phần khuyết hai bên

Hai phần khuyết cộng lại rộng (B − tw) và cao hw = H − 2tf, và có chung trục x.

hw = 400 − 2·10 = 380 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (230·400³ − 220·380³)/12
Ix = 2,207 × 10⁸ mm⁴

Ứng suất uốn

y = 200 − 10 = 190 mm
σ = M·y/I = 1 × 10⁸·190/2,207 × 10⁸ = 86,1 MPa

Đáp số

σj = 86,1 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics