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 = (5, 25, −15) N tác dụng lên một vật khi nó chuyển động thẳng từ điểm A(4, −3, −2) đến điểm B(−2, −2, 5). Tọa độ tính bằng mét. Tìm công W do lực sinh ra.

F = (5, 25, −15) NA(4, −3, −2) mB(−2, −2, 5) m
W = J
2.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướngKhó
xyzABC

Tìm diện tích A của tam giác có các đỉnh A(−2, 2, 3), B(−2, 0, 1) và C(−2, 3, 1). Tọa độ tính bằng mét.

A(−2, 2, 3)B(−2, 0, 1)C(−2, 3, 1)
A = m²
3.Phản lực gối của dầmTrung bình
P1​ = 30 kNP2​ = 40 kNABRA​RB​ = ?2 m7 m1 m

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

L = 10 mP1 = 30 kN tại 2 mP2 = 40 kN tại 9 m
RB = kN
4.Phản lực gối của dầmKhó
w = 4 kN/mP = 25 kNABRA​RB​ = ?1 m1 m2 m

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

L = 4 mP = 25 kN tại 1 mw = 4 kN/m từ 1 đến 2 m
RB = kN
5.Giàn: phương pháp tách nútTrung bình
ABBCACACB55 kN5 m2 m2 m

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

nhịp = 5 mchiều cao = 2 mB cách A 2 mtải thẳng đứng = 55 kN
FAB = kN
6.Giàn: phương pháp tách nútKhó
ABBCACACB45 kN5 kN8 m5 m2 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 = 2 mB cách A 5 mtải thẳng đứng = 45 kNtải ngang = 5 kN ←
FBC = kN
7.Khung và máyTrung bình
20 kN4 m2 m1,8 mABCK

Khung trong hình có các chốt tại A, B và C; A và C được cố định xuống đất, cách nhau 4 m, còn B cao 2 m so với mặt đất và cách A 1,8 m về bên phải. Một tải thẳng đứng 20 kN tác dụng lên thanh AB tại K, cách A 1,35 m (theo phương ngang). Tìm lực FBC trong thanh BC.

P = 20 kNL = 4 mH = 2 mkhoảng cách ngang từ A đến B = 1,8 mkhoảng cách ngang từ A đến K = 1,35 m
FBC = kN
8.Khung và máyKhó
8 kN8 kN8 m2 m4,8 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 và cách A 4,8 m về bên phải. Thanh AB mang một tải thẳng đứng 8 kN tại K, cách A 3,6 m (theo phương ngang), và một tải ngang 8 kN hướng sang phải tác dụng tại B lên thanh AB. Tìm độ lớn của phản lực ngang Ax tại A.

P = 8 kNQ = 8 kNL = 8 mH = 2 mkhoảng cách ngang từ A đến B = 4,8 mkhoảng cách ngang từ A đến K = 3,6 m
Ax = kN
9.Lực cắt và mômen uốnTrung bình
8 kN/m15 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 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.

15 kN @ 3 m8 kN/m, 0–6 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
10.Lực cắt và mômen uốnKhó
w = 2 kN/mABC5 m2 m

Dầm đặt trên gối cố định tại A và gối con lăn tại B, và đoạn công-xôn nhô ra khỏi B một đoạn 2 m tới đầu tự do C. Tải phân bố đều w tác dụng trên toàn bộ chiều dài A–C. Tìm khoảng cách xc từ A đến điểm đổi dấu mô-men giữa hai gối (nơi mô-men uốn đổi dấu).

L = 7 mw = 2 kN/m từ 0 đến 7 mcác gối tại x = 0 và x = 5 m
xc = m
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtTrung bình
100 mm150 mm45 mmØ40xIx​ = ?

Một tấm 100 mm × 150 mm có một lỗ tròn đường kính 40 mm trên đường tâm thẳng đứng, tâm lỗ cách đáy 45 mm. Tìm mômen quán tính diện tích Ix quanh trục nằm ngang đi qua trọng tâm.

b = 100 mmh = 150 mmd = 40 mmtâm lỗ: y = 45 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtKhó
150 mm240 mm84 mm80 × 40xIx​ = ?

Một tấm 150 mm × 240 mm có một lỗ khoét hình chữ nhật rộng 80 mm và cao 40 mm, đặt giữa đường tâm thẳng đứng với tâm cách đáy 84 mm. Tìm mômen quán tính diện tích Ix quanh trục nằm ngang đi qua trọng tâm.

b = 150 mmh = 240 mmlỗ khoét: 80 × 40 mmtâm lỗ: y = 84 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Dung dịch

1.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Đáp số: W = −110 J

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.

Độ dời

d = B − A = (−2, −2, 5) − (4, −3, −2) = (−6, 1, 7) m

Công

W = F·d = 5·(−6) + 25·1 + (−15)·7 = −110 J

Đáp số

W = −110 J

Công âm: lực chủ yếu tác dụng ngược với chuyển động.

2.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Đáp số: A = 3 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 = (0, −2, −2)
AC = C − A = (0, 1, −2)

Tích có hướng

(AB × AC)x = AByACz − ABzACy = (−2)·(−2) − (−2)·1 = 6
(AB × AC)y = ABzACx − ABxACz = (−2)·0 − 0·(−2) = 0
(AB × AC)z = ABxACy − AByACx = 0·1 − (−2)·0 = 0
|AB × AC| = √(6² + 0² + 0²) = 6

Diện tích tam giác

A = ½·6 = 3 m²

Đáp số

A = 3 m²
3.Phản lực gối của dầm

Đáp số: RB = 42 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​ = 30 kNP2​ = 40 kNABRA​RB​2 m7 m1 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·10 = 30·2 + 40·9
RB = 420/10 = 42 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 42 = 28 kN

Đáp số

RB = 42 kN
4.Phản lực gối của dầm

Đáp số: RB = 7,75 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 = 4 kN/mP = 25 kNABRA​RB​1 m1 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 = 4·1 = 4 kN, đặt tại x̄ = 1,5 m
ΣMA = 0: RB·4 = 25·1 + 4·1·1,5
RB = 31/4 = 7,75 kN
ΣFy = 0: RA = 29 − 7,75 = 21,25 kN

Đáp số

RB = 7,75 kN
5.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: FAB = −46,67 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.

ABBCACACB55 kNAy​Cy​

Phản lực gối

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 55·2 → Cy = 22 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 22 = 33 kN

Nút A

Giả sử mọi thanh đều chịu kéo (kéo ra khỏi nút). Chỉ có AB có thành phần thẳng đứng tại A.

sin α = 2/2,828 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −33/0,7071 = −46,67 kN

Đáp số

FAB = −46,67 kN (nén)
6.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: FBC = −48,45 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.

ABBCACACB45 kN5 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 = 45·5 − 5·2 → Cy = 26,88 kN
ΣFy = 0: Ay = 45 − 26,88 = 18,13 kN
ΣFx = 0: Ax = 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 = 2/3,606 = 0,5547, cos γ = 3/3,606 = 0,8321
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −26,88/0,5547 = −48,45 kN

Đáp số

FBC = −48,45 kN (nén)
7.Khung và máy

Đáp số: FBC = 10,03 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 = √(2,2² + 2²) = 2,973 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·(2/2,973)·4 = 20·1,35
FBC = 10,03 kN (nén)

Đáp số

FBC = 10,03 kN
8.Khung và máy

Đáp số: Ax = 0,96 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.

Hướng của BC

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

Toàn bộ khung: mômen quanh A

FBC·0,53·8 = 8·3,6 + 8·2
FBC = 10,57 kN

Cân bằng ngang

Ax + 8 − 10,57·0,848 = 0
Ax = 0,96 kN → |Ax| = 0,96 kN

Đáp số

Ax = 0,96 kN

Ax hướng sang phải.

9.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: D (x = 3 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 = 31,5 kN, R2 = 31,5 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 = 27,5, MC = 47, MD = 58,5 kN·m, ME = 47, MF = 27,5, MG = 0

Đáp số

Điểm đánh dấu D: MD = 58,5 kN·m
10.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: xc = 4,2 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 toàn bộ dầm, kể cả tải trên đoạn công-xôn.

Hợp lực của tải phân bố đều: W = w·ℓ = 2·7 = 14 kN, đặt tại x̄ = 3,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 2·7·3,5
RB = 49/5 = 9,8 kN
ΣFy = 0: RA = 14 − 9,8 = 4,2 kN

Mô-men bằng không

Giữa hai gối M(x) = RA·x − w·x²/2. Ngoài x = 0, nó bằng không tại x = 2RA/w.

RA·xc − w·xc²/2 = 0
xc = 2·4,2/2 = 4,2 m

Đáp số

xc = 4,2 m
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: Ix = 26,76 × 10⁶ mm⁴

Tiết diện có lỗ: coi lỗ là một diện tích âm. Trọng tâm là ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), với A₁, y₁ cho tấm đầy đủ và A₂, y₂ cho lỗ. Với mômen quán tính diện tích quanh trục đi qua trọng tâm, dùng định lý trục song song cho từng phần rồi trừ lỗ: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), trong đó d là khoảng cách từ trọng tâm riêng của mỗi phần đến trục đi qua ȳ. Hình chữ nhật có Ic = bh³/12 và hình tròn có Ic = πd⁴/64.

Trọng tâm

ȳ = (15000·75 − 1257·45)/(15000 − 1257) = 77,74 mm

Tấm đầy đủ quanh ȳ

100·150³/12 + 15000·−2,743² = 28,24 × 10⁶ mm⁴

Lỗ quanh ȳ

π·40⁴/64 + 1257·−32,74² = 1,473 × 10⁶ mm⁴

Trừ

Ix = 26,76 × 10⁶ mm⁴

Đáp số

Ix = 26,76 × 10⁶ mm⁴
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: Ix = 167,8 × 10⁶ mm⁴

Tiết diện có lỗ: coi lỗ là một diện tích âm. Trọng tâm là ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), với A₁, y₁ cho tấm đầy đủ và A₂, y₂ cho lỗ. Với mômen quán tính diện tích quanh trục đi qua trọng tâm, dùng định lý trục song song cho từng phần rồi trừ lỗ: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), trong đó d là khoảng cách từ trọng tâm riêng của mỗi phần đến trục đi qua ȳ. Hình chữ nhật có Ic = bh³/12 và hình tròn có Ic = πd⁴/64.

Trọng tâm

ȳ = (36000·120 − 3200·84)/(36000 − 3200) = 123,5 mm

Tấm đầy đủ quanh ȳ

150·240³/12 + 36000·−3,512² = 173,2 × 10⁶ mm⁴

Lỗ quanh ȳ

80·40³/12 + 3200·−39,51² = 5,423 × 10⁶ mm⁴

Trừ

Ix = 167,8 × 10⁶ mm⁴

Đáp số

Ix = 167,8 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics