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
Viết mọi vectơ theo các thành phần; với lực cho bằng độ lớn và một góc, dùng F·cos θ và F·sin θ.
Với độ dài và hướng, dùng độ lớn √(x² + y² + z²) và vectơ đơn vị a/|a|.
Dùng tích vô hướng cho góc, hình chiếu, tính vuông góc và công: a·b = |a||b|cos θ.
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
Vẽ sơ đồ vật thể tự do và thay mỗi gối đỡ bằng các phản lực của nó.
Thay mọi tải phân bố bằng một lực duy nhất đặt tại trọng tâm của nó.
Lấy mômen quanh một gối để tìm phản lực ở gối kia.
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
Tìm phản lực gối cho cả giàn.
Phương pháp tách nút: bắt đầu từ nút có tối đa hai nội lực thanh chưa biết và dùng ΣFx = 0 và ΣFy = 0.
Phương pháp mặt cắt: cắt qua thanh bạn cần và lấy mômen quanh điểm mà các thanh chưa biết khác gặp nhau.
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
Vẽ toàn bộ kết cấu và tìm các phản lực gối đỡ nếu có không quá ba ẩn.
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.
Tháo khung ra và vẽ riêng từng thanh, với các lực tại chốt bằng nhau và ngược chiều ở nơi các thanh gặp nhau.
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
Tìm phản lực gối từ cân bằng của cả dầm.
Cắt dầm tại mặt cắt bạn cần và giữ lại một phía.
Lực cắt: tổng các lực thẳng đứng ở phía đó. Mômen uốn: tổng mômen của chúng quanh mặt cắt.
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
Tìm hình chiếu vô hướng compb a của a = (5, −4, −6) lên b = (−4, 2, 4), tức là thành phần của a theo hướng của b.
a = (5, −4, −6)b = (−4, 2, 4)
compb a =
2.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướngKhó
Vectơ đơn vị n̂ vuông góc với cả a = (−1, −1, −2) và b = (5, −5, −4) và có thành phần z dương. Tìm thành phần y là n̂y của nó.
a = (−1, −1, −2)b = (5, −5, −4)n̂z > 0
n̂y =
3.Phản lực gối của dầmTrung bình
Dầm có gối cố định tại A và gối con lăn tại B, cách A 3 m, và đoạn công-xôn nhô ra khỏi B tới đầu tự do C. Tìm phản lực thẳng đứng RA, lấy chiều hướng lên là dương.
AB = 3 mAC = 5 mP1 = 55 kN tại 2 mP2 = 15 kN tại 5 m
RA = kN
4.Phản lực gối của dầmKhó
Một dầm ghép được ngàm vào tường tại A, có một khớp bản lề bên trong tại C (cách A 4 m) và tựa trên một gối con lăn tại D (cách A 8 m). Dầm chịu một lực tập trung P tại vị trí cách A 6 m. Tìm phản lực RD tại gối con lăn.
AC = 4 mAD = 8 mP = 55 kN tại 6 m
RD = kN
5.Giàn: phương pháp tách nútTrung bình
Dùng phương pháp tách nút để tìm lực FAC trong thanh AC. Lấy kéo là dương và nén là âm.
nhịp = 8 mchiều cao = 3 mB cách A 1 mtải thẳng đứng = 60 kN
FAC = kN
6.Giàn: phương pháp tách nútKhó
Dùng phương pháp tách nút để tìm lực FAC trong thanh AC. Lấy kéo là dương và nén là âm.
nhịp = 8 mchiều cao = 4 mB cách A 6 mtải thẳng đứng = 20 kNtải ngang = 15 kN ←
FAC = kN
7.Khung và máyTrung bình
Khung chữ A trong hình đứng trên một gối cố định tại A và một con lăn tại B, cách nhau 5 m. Các chân gặp nhau tại chốt C, cao 3,6 m, và thanh giằng ngang DE cách mặt đất 1,8 m. Một tải 10 kN tác dụng tại C. Tìm độ lớn của lực C mà chốt C tác dụng lên chân BC.
P = 10 kNAB = 5 mđộ cao của C = 3,6 mđộ cao của DE = 1,8 m
C = kN
8.Khung và máyKhó
Dầm AB của giá đỡ tường trong hình được liên kết chốt tại A và được chống bởi thanh CD (C thấp hơn A 1,5 m). Dầm mang tải phân bố đều 2 kN/m trên toàn chiều dài và một tải tập trung 8 kN ở đầu tự do B. Tìm lực FCD trong thanh chống.
w = 2 kN/mP = 8 kNAD = 1,5 mAB = 4 mAC = 1,5 m
FCD = kN
9.Lực cắt và mômen uốnTrung bình
Tìm mômen uốn Mx tại mặt cắt x = 3 m tính từ gối A. Coi mômen làm dầm võng xuống là dương và lực cắt hướng lên trên mặt trái là dương.
L = 10 mw = 12 kN/m từ 0 đến 10 mx = 3 m
Mx = kN·m
10.Lực cắt và mômen uốnKhó
Tìm mômen uốn Mx tại mặt cắt x = 0,5 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 mP = 10 kN tại 3 mw = 6 kN/m từ 0 đến 4 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtTrung bình
Một tiết diện hộp chữ nhật rỗng có chiều rộng ngoài B = 220 mm, chiều cao ngoài H = 250 mm và chiều dày thành đều t = 16 mm. Tìm bán kính quán tính r của nó đối với trục nằm ngang qua trọng tâm.
B = 220 mmH = 250 mmt = 16 mm
r = mm
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtKhó
Một tiết diện chữ I hàn có cánh trên 190 × 18 mm, bụng cao 340 mm và dày 16 mm, và cánh dưới 260 × 16 mm (chiều rộng × chiều dày). Tìm mô-men quán tính Ix của nó đối với trục nằm ngang x qua trọng tâm.
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 = 5·(−4) + (−4)·2 + (−6)·4 = −52
Độ dài của b
|b| = √((−4)² + 2² + 4²) = 6
Hình chiếu vô hướng
compb a = a·b/|b| = −52/6 = −8,667
Đáp số
compb a = −8,667
Âm: a có một thành phần hướng ngược với b.
2.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng
Đáp số: n̂y = −0,7683
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.
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·3 = 55·2 + 15·5
RB = 185/3 = 61,67 kN
Cân bằng theo phương thẳng đứng
RA = 55 + 15 − 61,67 = 8,333 kN
Đáp số
RA = 8,333 kN
4.Phản lực gối của dầm
Đáp số: RD = 27,5 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. Một khớp bản lề bên trong không truyền được mô-men uốn, điều này cho thêm một phương trình: mô-men đối với khớp của các lực ở mỗi phía bằng không.
Phần CD
Khớp không có mô-men, nên mô-men đối với C chỉ trên CD phải cân bằng.
ΣMC = 0: RD·4 = 55·2
RD = 27,5 kN
VC = 55 − 27,5 = 27,5 kN
Đáp số
RD = 27,5 kN
5.Giàn: phương pháp tách nút
Đáp số: FAC = 17,5 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.
Phản lực gối
Cân bằng của cả giàn. Mômen quanh A, chiều ngược kim đồng hồ là dương.
ΣMA = 0: Cy·8 = 60·1 → Cy = 7,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 7,5 = 52,5 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 = 3/7,616 = 0,3939, cos γ = 7/7,616 = 0,9191
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.
Phản lực gối
Cân bằng của cả giàn. Mômen quanh A, chiều ngược kim đồng hồ là dương.
ΣMA = 0: Cy·8 = 20·6 − 15·4 → Cy = 7,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 20 − 7,5 = 12,5 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 = 4/4,472 = 0,8944, cos γ = 2/4,472 = 0,4472
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 trong thanh giằng từ chân BC
By = 5 kN
T = 5·2,5/1,8 = 6,944 kN
Các thành phần của lực chốt lên BC
Cx = T = 6,944 kN, Cy = −By = −5 kN
Độ lớn
C = √(6,944² + 5²) = 8,557 kN
Đáp số
C = 8,557 kN
8.Khung và máy
Đáp số: FCD = 45,25 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.
Hợp lực của tải phân bố đều
w·L = 2·4 = 8 kN tại 2 m
Mômen quanh A cho dầm
FCD·0,7071·1,5 = 8·2 + 8·4 = 48 kN·m
FCD = 45,25 kN
Đáp số
FCD = 45,25 kN
9.Lực cắt và mômen uốn
Đáp số: Mx = 126 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 = 12·10 = 120 kN, đặt tại x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 12·10·5
RB = 600/10 = 60 kN
ΣFy = 0: RA = 120 − 60 = 60 kN
Cắt tại x = 3 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 = 60·3 − 12·3·1,5 = 126 kN·m
Đáp số
Mx = 126 kN·m
10.Lực cắt và mômen uốn
Đáp số: Mx = 6,5 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 = 6·4 = 24 kN, đặt tại x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 10·3 + 6·4·2
RB = 78/4 = 19,5 kN
ΣFy = 0: RA = 34 − 19,5 = 14,5 kN
Cắt tại x = 0,5 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 = 14,5·0,5 − 6·0,5·0,25 = 6,5 kN·m
Đáp số
Mx = 6,5 kN·m
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt
Đáp số: r = 94,11 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 = 188 mm, h = 218 mm
A = BH − bh = 220·250 − 188·218 = 14016 mm²
I = (BH³ − bh³)/12 = 1,241 × 10⁸ mm⁴
Bán kính quán tính
r = √(I/A) = √(1,241 × 10⁸/14016) = 94,11 mm
Đáp số
r = 94,11 mm
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt
Đáp số: Ix = 292,7 × 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 ba hình chữ nhật
Đo mọi y từ mép dưới.
cánh trên: A = 3420 mm², y = 365 mm
bụng: A = 5440 mm², y = 186 mm
cánh dưới: A = 4160 mm², y = 8 mm
Trọng tâm
ȳ = (3420·365 + 5440·186 + 4160·8)/13020 = 176,1 mm