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
xyzdFAB

Một lực không đổi F = (0, 30, −25) N tác dụng lên một vật khi nó chuyển động thẳng từ điểm A(−2, −2, −2) đến điểm B(−1, 1, −2). Tọa độ tính bằng mét. Tìm công W do lực sinh ra.

F = (0, 30, −25) NA(−2, −2, −2) mB(−1, 1, −2) m
W = J
2.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướngKhó
xyzab

Vectơ đơn vị n̂ vuông góc với cả a = (−4, −4, −3) và b = (5, −4, 1) và có thành phần z dương. Tìm thành phần x là n̂x của nó.

a = (−4, −4, −3)b = (5, −4, 1)n̂z > 0
n̂x =
3.Phản lực gối của dầmTrung bình
P1​ = 55 kNP2​ = 20 kNABRA​RB​ = ?1 m1,5 m2,5 m

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

L = 5 mP1 = 55 kN tại 1 mP2 = 20 kN tại 2,5 m
RB = kN
4.Phản lực gối của dầmKhó
P = 35 kN, 40°Q = 40 kNABRA​ = ?2 m1,5 m0,5 m

Dầm đơn giản có gối cố định tại A và gối con lăn tại B. Một lực P tác dụng tại vị trí cách A 3,5 m, nghiêng 40° so với phương ngang, và một lực thẳng đứng Q tác dụng tại vị trí cách A 2 m. Tìm độ lớn của tổng phản lực RA tại gối cố định A.

L = 4 mP = 35 kN tại 3,5 m, θ = 40°Q = 40 kN tại 2 m
RA = kN
5.Giàn: phương pháp tách nútTrung bình
ABBCACACB25 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 = 25 kN
FAC = kN
6.Giàn: phương pháp tách nútKhó
ABBCACACB50 kN25 kN4 m1 m4 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 = 4 mB cách A 1 mtải thẳng đứng = 50 kNtải ngang = 25 kN →
FAC = kN
7.Khung và máyTrung bình
8 kN6 m1,2 m2,8 m2,25 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 1,2 m. Một tải thẳng đứng 8 kN tác dụng lên chân AC tại K, cách A 2,25 m (theo phương ngang). Tìm lực kéo T trong thanh giằng.

P = 8 kNAB = 6 mđộ cao của C = 4 mđộ cao của DE = 1,2 mkhoảng cách ngang từ A đến K = 2,25 m
T = kN
8.Khung và máyKhó
8 kN4,8 m1,2 m3,3 m0,96 mABCDEK

Khung chữ A trong hình đứng trên một gối cố định tại A và một con lăn tại B, cách nhau 4,8 m, với chốt đỉnh C cao 4,5 m và thanh giằng ngang DE cách mặt đất 1,2 m. Một tải thẳng đứng 8 kN tác dụng lên chân AC tại K, cách A 0,96 m (theo phương ngang). Tìm độ lớn của lực C mà chốt C tác dụng lên chân BC.

P = 8 kNAB = 4,8 mđộ cao của C = 4,5 mđộ cao của DE = 1,2 mkhoảng cách ngang từ A đến K = 0,96 m
C = kN
9.Lực cắt và mômen uốnTrung bình
w = 12 kN/mP = 10 kNAB2 m

Dầm công-xôn ngàm tại A. Dầm chịu tải phân bố đều w trên toàn bộ chiều dài và một lực tập trung P tại vị trí cách A 2 m. Tìm mô-men uốn MA tại ngàm A. Dùng quy ước mô-men làm võng xuống là dương và lực cắt hướng lên trên mặt cắt bên trái là dương.

L = 2 mP = 10 kN tại 2 mw = 12 kN/m từ 0 đến 2 m
MA = kN·m
10.Lực cắt và mômen uốnKhó
w = 4 kN/mP = 15 kNABmặt cắt1,5 m0,5 m3 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 = 5 mP = 15 kN tại 1,5 mw = 4 kN/m từ 0 đến 5 mx = 2 m
Mx = kN·m
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtTrung bình
B = 180H = 225t = 18xkích thước tính bằng mm

Một tiết diện hộp chữ nhật rỗng có chiều rộng ngoài B = 180 mm, chiều cao ngoài H = 225 mm và chiều dày thành đều t = 18 mm. Tìm bán kính quán tính r của nó đối với trục nằm ngang qua trọng tâm.

B = 180 mmH = 225 mmt = 18 mm
r = mm
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtKhó
1602518012xM = 50 kN·mkích thước tính bằng mm

Mặt cắt chữ T được dùng làm dầm với cánh ở trên và chịu mômen uốn làm võng xuống 50 kN·m. Tìm độ lớn ứng suất uốn σtrên ở mép trên.

bf = 160 mmtf = 25 mmtw = 12 mmhw = 180 mmM = 50 kN·m
σtrên = MPa

3Dung dịch

1.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Đáp số: W = 90 J

Tích vô hướng: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, là một đại lượng vô hướng. Nó cho góc giữa hai vectơ, cos θ = a·b/(|a|·|b|), và bằng không khi chúng vuông góc. Hình chiếu vô hướng của a lên b là a·b/|b|, và một lực không đổi F dịch chuyển qua độ dời d sinh công W = F·d.

Độ dời

d = B − A = (−1, 1, −2) − (−2, −2, −2) = (1, 3, 0) m

Công

W = F·d = 0·1 + 30·3 + (−25)·0 = 90 J

Đáp số

W = 90 J
2.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Đáp số: n̂x = −0,3912

Tích có hướng: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) vuông góc với cả hai vectơ, và |a × b| = |a|·|b|·sin θ là diện tích hình bình hành mà chúng tạo ra (tam giác có một nửa diện tích đó). Thứ tự có ý nghĩa: b × a = −(a × b). Mô-men của một lực F đặt tại điểm A đối với điểm O là MO = r × F, với r = A − O.

Tích có hướng

(a × b)x = aybz − azby = (−4)·1 − (−3)·(−4) = −16
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·5 − (−4)·1 = −11
(a × b)z = axby − aybx = (−4)·(−4) − (−4)·5 = 36

Chuẩn hóa

Thành phần z của a × b đã dương.

|a × b| = √((−16)² + (−11)² + 36²) = 40,9
n̂ = (−16, −11, 36)/40,9 = (−0,3912, −0,2689, 0,8801)
n̂x = −0,3912

Đáp số

n̂x = −0,3912
3.Phản lực gối của dầm

Đáp số: RB = 21 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.

P1​ = 55 kNP2​ = 20 kNABRA​RB​1 m1,5 m2,5 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.

ΣMA = 0: RB·5 = 55·1 + 20·2,5
RB = 105/5 = 21 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 21 = 54 kN

Đáp số

RB = 21 kN
4.Phản lực gối của dầm

Đáp số: RA = 35,2 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.

Các thành phần của P

Pv = 35·sin 40° = 22,5 kN
Ph = 35·cos 40° = 26,81 kN

Các phản lực

ΣMA = 0: RB·4 = 22,5·3,5 + 40·2 → RB = 39,69 kN
Ay = 22,5 + 40 − 39,69 = 22,81 kN
Ax = Ph = 26,81 kN

Hợp lực tại A

RA = √(26,81² + 22,81²) = 35,2 kN

Đáp số

RA = 35,2 kN
5.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: FAC = 10 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.

ABBCACACB25 kNAy​Cy​

Phản lực gối

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 25·4 → Cy = 20 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 20 = 5 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 = −20/0,8944 = −22,36 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−22,36)·0,4472 = 10 kN

Đáp số

FAC = 10 kN (kéo)
6.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: FAC = 28,13 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 kN25 kNAy​Cy​Ax​

Phản lực gối

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 50·1 + 25·4 → Cy = 37,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 37,5 = 12,5 kN
ΣFx = 0: Ax = −25 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 = 0,8, cos γ = 3/5 = 0,6
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −37,5/0,8 = −46,88 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−46,88)·0,6 = 28,13 kN

Đáp số

FAC = 28,13 kN (kéo)
7.Khung và máy

Đáp số: T = 3,214 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 = 8·2,25/6 = 3 kN

Chân BC: mômen quanh C

3·3 = T·2,8
T = 3,214 kN

Đáp số

T = 3,214 kN
8.Khung và máy

Đáp số: C = 1,978 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 = 8·0,96/4,8 = 1,6 kN

Lực trong thanh giằng

T = 1,6·2,4/3,3 = 1,164 kN

Lực tại chốt lên BC

Cx = 1,164 kN, Cy = −1,6 kN
C = √(1,164² + 1,6²) = 1,978 kN

Đáp số

C = 1,978 kN
9.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: MA = −44 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.

Giữ phần đầu tự do

P: −10·2 = −20 kN·m
w: −12·2²/2 = −24 kN·m
MA = −20 − 24 = −44 kN·m

Đáp số

MA = −44 kN·m

Dấu âm nghĩa là uốn võng lên: thớ trên chịu kéo.

10.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: Mx = 25,5 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 = 4·5 = 20 kN, đặt tại x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 15·1,5 + 4·5·2,5
RB = 72,5/5 = 14,5 kN
ΣFy = 0: RA = 35 − 14,5 = 20,5 kN
w = 4 kN/mP = 15 kNABRA​ = 20,5RB​ = 14,5mặt cắt1,5 m0,5 m3 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 = 20,5·2 − 15·(2 − 1,5) − 4·2·1 = 25,5 kN·m

Đáp số

Mx = 25,5 kN·m
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: r = 82,24 mm

Mô-men quán tính của tiết diện: với hình chữ nhật đối với trục qua trọng tâm của nó I = bh³/12, và đối với trục đáy bh³/3 (định lý trục song song I = Ic + A·d²). Lỗ rỗng được xử lý bằng cách trừ đi I của nó, miễn là cả hai phần có chung một trục. Mô-đun chống uốn đàn hồi là S = I/c, với c là khoảng cách đến thớ ngoài cùng. Bán kính quán tính r = √(I/A) là khoảng cách mà tại đó toàn bộ diện tích cho cùng giá trị I; nó được dùng trong bài toán mất ổn định của cột.

Diện tích thực và mô-men quán tính

b = 144 mm, h = 189 mm
A = BH − bh = 180·225 − 144·189 = 13284 mm²
I = (BH³ − bh³)/12 = 8,984 × 10⁷ mm⁴

Bán kính quán tính

r = √(I/A) = √(8,984 × 10⁷/13284) = 82,24 mm

Đáp số

r = 82,24 mm
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: σtrên = 116,6 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.

Chia thành hai hình chữ nhật

Đo mọi y từ mép dưới.

cánh: Af = 160·25 = 4000 mm², yf = 180 + 25/2 = 192,5 mm
bụng: Aw = 12·180 = 2160 mm², yw = 180/2 = 90 mm

Trọng tâm

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4000·192,5 + 2160·90)/6160 = 156,6 mm

Định lý trục song song

cánh: 160·25³/12 + 4000·(192,5 − 156,6)² = 5,376 × 10⁶ mm⁴
bụng: 12·180³/12 + 2160·(90 − 156,6)² = 1,54 × 10⁷ mm⁴
Ix = 5,376 × 10⁶ + 1,54 × 10⁷ = 2,078 × 10⁷ mm⁴

Ứng suất uốn

Mép trên cách trục h − ȳ.

y = 205 − 156,6 = 48,44 mm
σ = M·y/I = 5 × 10⁷·48,44/2,078 × 10⁷ = 116,6 MPa

Đáp số

σtrên = 116,6 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics