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 giá trị của k để các vectơ a = (−3, −1, −5) và b = (−5, 2, k) vuông góc.

a = (−3, −1, −5)b = (−5, 2, k)
k =
2.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướngKhó
xyzab

Với a = (2, −6, −2) và b = (−5, 6, 3), tìm thành phần z (a × b)z của tích có hướng a × b.

a = (2, −6, −2)b = (−5, 6, 3)
(a × b)z =
3.Phản lực gối của dầmTrung bình
w = 6 kN/mP = 70 kNABRA​ = ?2,5 m0,5 m3 m

Dầm công-xôn được ngàm vào tường tại A. Nó chịu tải phân bố đều w từ tường đến 3 m và một lực tập trung P tại vị trí cách tường 2,5 m. Tìm phản lực thẳng đứng RA tại tường.

L = 6 mP = 70 kN tại 2,5 mw = 6 kN/m từ 0 đến 3 m
RA = kN
4.Phản lực gối của dầmKhó
w = 5 kN/mP = 60 kNABRA​ = ?RB​1 m6 m3 m

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

L = 10 mP = 60 kN tại 7 mw = 5 kN/m từ 1 đến 7 m
RA = kN
5.Giàn: phương pháp tách nútTrung bình
ABBCACACB60 kN4 m1 m3 m

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

nhịp = 4 mchiều cao = 3 mB cách A 1 mtải thẳng đứng = 60 kN
FAC = kN
6.Giàn: phương pháp tách nútKhó
ABBCACACB50 kN30 kN8 m5 m3 m

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

nhịp = 8 mchiều cao = 3 mB cách A 5 mtải thẳng đứng = 50 kNtải ngang = 30 kN →
FBC = kN
7.Khung và máyTrung bình
10 kN8 m2 m2,4 mABCK

Khung trong hình có các chốt tại A, B và C; A và C được cố định xuống đất, cách nhau 8 m, còn B cao 2 m so với mặt đất và cách A 2,4 m về bên phải. Một tải thẳng đứng 10 kN tác dụng lên thanh AB tại K, cách A 0,6 m (theo phương ngang). Tìm lực FBC trong thanh BC.

P = 10 kNL = 8 mH = 2 mkhoảng cách ngang từ A đến B = 2,4 mkhoảng cách ngang từ A đến K = 0,6 m
FBC = kN
8.Khung và máyKhó
2 kN2 kN4 m1 mABC

Một cần đồng chất nằm ngang AB có trọng lượng 2 kN được liên kết chốt vào tường tại A và được giữ bằng một sợi cáp từ B đến điểm C trên tường, cao hơn A 1 m. Một tải 2 kN treo tại B. Tìm độ lớn của phản lực tại chốt A.

W = 2 kNWb = 2 kNAB = 4 mAC = 1 m
A = kN
9.Lực cắt và mômen uốnTrung bình
w = 8 kN/mABmặt cắt2 m2 m

Tìm mômen uốn Mx tại mặt cắt x = 2 m tính từ gối A. Coi mômen làm dầm võng xuống là dương và lực cắt hướng lên trên mặt trái là dương.

L = 4 mw = 8 kN/m từ 0 đến 4 mx = 2 m
Mx = kN·m
10.Lực cắt và mômen uốnKhó
w = 20 kN/mAB5 m3 m

Dầm đơn giản chịu tải phân bố đều trên một phần nhịp. Tìm mô-men uốn lớn nhất Mmax trong dầm.

L = 8 mw = 20 kN/m từ 5 đến 8 m
Mmax = kN·m
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtTrung bình
260190t = 16ȳ = ?kích thước tính bằng mm

Một tiết diện chữ U đặt với mặt hở hướng lên: một bản đáy rộng 260 mm với hai cánh đứng, tổng chiều cao 190 mm. Đáy và các cánh đều dày 16 mm. Tìm độ cao ȳ của trọng tâm so với cạnh đáy.

b = 260 mmh = 190 mmt = 16 mm
ȳ = mm
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtKhó
1603026012xM võng xuốngkích thước tính bằng mm

Một dầm gang có tiết diện chữ T như hình, cánh nằm phía trên. Ứng suất cho phép là 35 MPa khi kéo và 120 MPa khi nén. Tìm mô-men uốn võng xuống lớn nhất Mallow mà dầm có thể chịu.

bf = 160 mmtf = 30 mmtw = 12 mmhw = 260 mmσt,allow = 35 MPaσc,allow = 120 MPa
Mallow = kN·m

3Dung dịch

1.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Đáp số: k = 2,6

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 bằng không

a·b = (−3)·(−5) + (−1)·2 + (−5)·k = 0
13 + (−5)·k = 0

Giải tìm k

k = −13/(−5) = 2,6

Đáp số

k = 2,6
2.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Đáp số: (a × b)z = −18

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.

Tích có hướng, từng thành phần

(a × b)x = aybz − azby = (−6)·3 − (−2)·6 = −6
(a × b)y = azbx − axbz = (−2)·(−5) − 2·3 = 4
(a × b)z = axby − aybx = 2·6 − (−6)·(−5) = −18

Thành phần cần tìm

(a × b)z = −18

Đáp số

(a × b)z = −18

Kiểm tra: a × b vuông góc với cả hai vectơ, nên tích vô hướng của nó với a và với b bằng 0.

3.Phản lực gối của dầm

Đáp số: RA = 88 kN

Cân bằng của dầm công-xôn: một gối ngàm có thể đẩy lên và còn chống lại sự quay, nên nó cho một phản lực thẳng đứng RA và một mô-men phản lực MA. ΣFy = 0 cho RA, và mô-men đối với tường cho MA = Σ(tải × khoảng cách đến tường). Tải phân bố tác dụng như hợp lực của nó tại trọng tâm của biểu đồ tải.

Hợp lực của tải phân bố

W = 6·3 = 18 kN, x̄ = 1,5 m

Cân bằng theo phương thẳng đứng

RA = P + W = 70 + 18 = 88 kN

Đáp số

RA = 88 kN
4.Phản lực gối của dầm

Đáp số: RA = 36 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 = 5 kN/mP = 60 kNABRA​RB​1 m6 m3 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 = 5·6 = 30 kN, đặt tại x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·10 = 60·7 + 5·6·4
RB = 540/10 = 54 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 54 = 36 kN

Đáp số

RA = 36 kN
5.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: FAC = 15 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.

ABBCACACB60 kNAy​Cy​

Phản lực gối

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 60·1 → Cy = 15 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 15 = 45 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 = 3/4,243 = 0,7071, cos γ = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −15/0,7071 = −21,21 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−21,21)·0,7071 = 15 kN

Đáp số

FAC = 15 kN (kéo)
6.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: FBC = −60,1 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 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Phản lực gối

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 50·5 + 30·3 → Cy = 42,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 42,5 = 7,5 kN
ΣFx = 0: Ax = −30 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 = 3/4,243 = 0,7071, cos γ = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −42,5/0,7071 = −60,1 kN

Đáp số

FBC = −60,1 kN (nén)
7.Khung và máy

Đáp số: FBC = 2,23 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.

Thanh chịu hai lực BC

BC = √(5,6² + 2²) = 5,946 m

Toàn bộ khung: mômen quanh A

Mặt đất đẩy BC tại C dọc theo CB; thành phần ngang của nó đi qua A, chỉ thành phần thẳng đứng mới có mômen.

FBC·(2/5,946)·8 = 10·0,6
FBC = 2,23 kN (nén)

Đáp số

FBC = 2,23 kN
8.Khung và máy

Đáp số: A = 12,04 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.

Lực căng cáp

T = (2 + 2/2)/0,2425 = 12,37 kN

Các thành phần tại A

Ax = T·cos β = 12 kN
Ay = 2 + 2 − T·sin β = 1 kN

Độ lớn

A = √(12² + 1²) = 12,04 kN

Đáp số

A = 12,04 kN
9.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: Mx = 16 kN·m

Phương pháp mặt cắt: cắt dầm tại vị trí cần tìm nội lực và giữ lại một phía. Lực cắt V cân bằng với các lực thẳng đứng ở phía đó, và mômen uốn M cân bằng với mômen của chúng quanh mặt cắt.

Phản lực gối

Cân bằng của cả dầm.

Hợp lực của tải phân bố đều: W = w·ℓ = 8·4 = 32 kN, đặt tại x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 8·4·2
RB = 64/4 = 16 kN
ΣFy = 0: RA = 32 − 16 = 16 kN
w = 8 kN/mABRA​ = 16RB​ = 16mặt cắt2 m2 m

Cắt tại x = 2 m và giữ phần bên trái

Chỉ các lực bên trái mặt cắt xuất hiện. Phần tải phân bố đều được thay bằng một lực đặt tại giữa phần đó.

M = RA·x − (mỗi tải bên trái mặt cắt × cánh tay đòn đến mặt cắt)
Mx = 16·2 − 8·2·1 = 16 kN·m

Đáp số

Mx = 16 kN·m
10.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: Mmax = 59,41 kN·m

Phương pháp mặt cắt: cắt dầm tại vị trí cần tìm nội lực và giữ lại một phía. Lực cắt V cân bằng với các lực thẳng đứng ở phía đó, và mômen uốn M cân bằng với mômen của chúng quanh mặt cắt. Mô-men lớn nhất: vì dM/dx = V, mô-men uốn đạt cực trị tại nơi lực cắt đi qua không, hoặc tại một lực tập trung hoặc bên trong một tải phân bố.

Phản lực gối

Cân bằng của cả dầm.

Hợp lực của tải phân bố đều: W = w·ℓ = 20·3 = 60 kN, đặt tại x̄ = 6,5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 20·3·6,5
RB = 390/8 = 48,75 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 48,75 = 11,25 kN

Lực cắt bằng không

Lực cắt bắt đầu bằng RA, không đổi trên mọi đoạn không chịu tải và giảm với độ dốc w bên trong đoạn tải.

RA − w·(x0 − 5) = 0
x0 = 5 + 11,25/20 = 5,563 m

Mô-men lớn nhất

Mmax = RA·x0 − w·(x0 − 5)²/2 = 11,25·5,563 − 20·0,5625²/2 = 59,41 kN·m

Đáp số

Mmax = 59,41 kN·m
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: ȳ = 62,38 mm

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 các hình chữ nhật

Lấy đáy với toàn bộ chiều rộng và hai cánh phía trên nó (cao h − t), để không có phần nào bị tính hai lần.

nền: A1 = 260·16 = 4160 mm², y1 = 8 mm
hai cánh: A2 = 2·16·174 = 5568 mm², y2 = 16 + 174/2 = 103 mm

Trọng tâm

ȳ = (4160·8 + 5568·103)/9728 = 62,38 mm

Đáp số

ȳ = 62,38 mm
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: Mallow = 9,268 kN·m

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.

Trọng tâm

ȳ = (4800·275 + 3120·130)/7920 = 217,9 mm
cạnh trên: c = 290 − 217,9 = 72,12 mm

Mômen quán tính mặt cắt

I = 160·30³/12 + 4800·57,12² + 12·260³/12 + 3120·87,88² = 5,769 × 10⁷ mm⁴

Mô-men cho phép theo từng cạnh

Võng xuống: thớ trên chịu nén, thớ dưới chịu kéo.

cạnh trên: M = 120·5,769 × 10⁷/72,12 = 95,99 kN·m
cạnh dưới: M = 35·5,769 × 10⁷/217,9 = 9,268 kN·m

Giá trị quyết định

Mallow = min = 9,268 kN·m (cạnh dưới)

Đáp số

Mallow = 9,268 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics