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 hình chiếu vô hướng compb a của a = (7, −4, −6) lên b = (4, −6, −2), tức là thành phần của a theo hướng của b.

a = (7, −4, −6)b = (4, −6, −2)
compb a =
2.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướngKhó
xyzab

Vectơ đơn vị n̂ vuông góc với cả a = (−1, −2, −1) và b = (2, −4, −5) và có thành phần z dương. Tìm thành phần x là n̂x của nó.

a = (−1, −2, −1)b = (2, −4, −5)n̂z > 0
n̂x =
3.Phản lực gối của dầmTrung bình
P1​ = 50 kNP2​ = 15 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 RB.

L = 10 mP1 = 50 kN tại 1 mP2 = 15 kN tại 7 m
RB = kN
4.Phản lực gối của dầmKhó
w = 12 kN/mP = 45 kNABRA​ = ?RB​1 m1 m6 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 = 45 kN tại 1 mw = 12 kN/m từ 1 đến 2 m
RA = kN
5.Giàn: phương pháp tách nútTrung bình
ABBCACACB60 kN5 m2 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 2 mtải thẳng đứng = 60 kN
FAC = kN
6.Giàn: phương pháp tách nútKhó
ABBCACACB30 kN5 kN5 m1 m3 m

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

nhịp = 5 mchiều cao = 3 mB cách A 1 mtải thẳng đứng = 30 kNtải ngang = 5 kN ←
FBC = kN
7.Khung và máyTrung bình
OAB200 NQ240 mm80 mmFO​ = ?

Tay quay chữ L trong hình quay quanh chốt O. Một lực thẳng đứng 200 N tại A (cách O 240 mm) được cân bằng bởi một lực ngang tại B (cao hơn O 80 mm). Tìm độ lớn của phản lực tại chốt FO.

F = 200 NOA = 240 mmOB = 80 mm
FO = N
8.Khung và máyKhó
15 kN10 kN5 m2,5 m2,25 mABCK

Khung trong hình có các chốt tại A, B và C; A và C được cố định xuống đất, cách nhau 5 m, còn B cao 2,5 m và cách A 2,25 m về bên phải. Thanh AB mang một tải thẳng đứng 15 kN tại K, cách A 1,125 m (theo phương ngang), và một tải ngang 10 kN hướng sang phải tác dụng tại B lên thanh AB. Tìm độ lớn của phản lực ngang Ax tại A.

P = 15 kNQ = 10 kNL = 5 mH = 2,5 mkhoảng cách ngang từ A đến B = 2,25 mkhoảng cách ngang từ A đến K = 1,125 m
Ax = kN
9.Lực cắt và mômen uốnTrung bình
30 kN20 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.

30 kN @ 10 m20 kN @ 8 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
55 kN50 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.

55 kN @ 12 m50 kN @ 2 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
2802028012xkích thước tính bằng mm

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

bf = 280 mmtf = 20 mmtw = 12 mmhw = 280 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắtKhó
100240201502414xkích thước tính bằng mm

Một tiết diện chữ I hàn có cánh trên 100 × 20 mm, bụng cao 150 mm và dày 14 mm, và cánh dưới 240 × 24 mm (chiều rộng × chiều dày). Tìm mô-men quán tính Ix của nó đối với trục nằm ngang x qua trọng tâm.

cánh trên: 100 × 20 mmbụng: 14 × 150 mmcánh dưới: 240 × 24 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Dung dịch

1.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Đáp số: compb a = 8,552

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 = 7·4 + (−4)·(−6) + (−6)·(−2) = 64

Độ dài của b

|b| = √(4² + (−6)² + (−2)²) = 7,483

Hình chiếu vô hướng

compb a = a·b/|b| = 64/7,483 = 8,552

Đáp số

compb a = 8,552
2.Vectơ: tích vô hướng và tích có hướng

Đáp số: n̂x = 0,4915

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

(a × b)x = aybz − azby = (−2)·(−5) − (−1)·(−4) = 6
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·2 − (−1)·(−5) = −7
(a × b)z = axby − aybx = (−1)·(−4) − (−2)·2 = 8

Chuẩn hóa

Thành phần z của a × b đã dương.

|a × b| = √(6² + (−7)² + 8²) = 12,21
n̂ = (6, −7, 8)/12,21 = (0,4915, −0,5735, 0,6554)
n̂x = 0,4915

Đáp số

n̂x = 0,4915
3.Phản lực gối của dầm

Đáp số: RB = 15,5 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​ = 50 kNP2​ = 15 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.

ΣMA = 0: RB·10 = 50·1 + 15·7
RB = 155/10 = 15,5 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 15,5 = 49,5 kN

Đáp số

RB = 15,5 kN
4.Phản lực gối của dầm

Đáp số: RA = 49,13 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 = 12 kN/mP = 45 kNABRA​RB​1 m1 m6 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 = 12·1 = 12 kN, đặt tại x̄ = 1,5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 45·1 + 12·1·1,5
RB = 63/8 = 7,875 kN
ΣFy = 0: RA = 57 − 7,875 = 49,13 kN

Đáp số

RA = 49,13 kN
5.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: FAC = 18 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·5 = 60·2 → Cy = 24 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 24 = 36 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 = −24/0,8 = −30 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−30)·0,6 = 18 kN

Đáp số

FAC = 18 kN (kéo)
6.Giàn: phương pháp tách nút

Đáp số: FBC = −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.

ABBCACACB30 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·5 = 30·1 − 5·3 → Cy = 3 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 3 = 27 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 = 3/5 = 0,6, cos γ = 4/5 = 0,8
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −3/0,6 = −5 kN

Đáp số

FBC = −5 kN (nén)
7.Khung và máy

Đáp số: FO = 632,5 N

Máy: kìm, đòn bẩy, cơ cấu thanh nối và kẹp biến một lực vào thành lực ra lớn hơn hoặc khác hướng. Vẽ một bộ phận như một vật thể tự do và lấy mômen quanh trục quay của nó: lực tại chốt biến mất, và Fin·a = Fout·b cho lợi thế cơ học a/b. Lực tại chốt khi đó suy ra từ ΣF = 0 trên cùng bộ phận. Trong cơ cấu khuỷu, hai thanh nối gặp nhau ở góc nhỏ θ; mỗi thanh nối là một thanh chịu hai lực, nên một lực nhỏ F tại khớp tạo ra lực lớn trong các thanh nối F/(2 sin θ) và lực kẹp F/(2 tan θ).

Lực tại B

Q = 200·240/80 = 600 N

Phản lực tại chốt

Ox = 600 N, Oy = 200 N
FO = √(600² + 200²) = 632,5 N

Đáp số

FO = 632,5 N
8.Khung và máy

Đáp số: Ax = 0,7875 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 = 3,717 m, cos = 0,7399, sin = 0,6727

Toàn bộ khung: mômen quanh A

FBC·0,6727·5 = 15·1,125 + 10·2,5
FBC = 12,45 kN

Cân bằng ngang

Ax + 10 − 12,45·0,7399 = 0
Ax = −0,7875 kN → |Ax| = 0,7875 kN

Đáp số

Ax = 0,7875 kN

Dấu trừ nghĩa là Ax hướng sang trái.

9.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: E (x = 8 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 = 11,67 kN, R2 = 38,33 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 = 23,33, MC = 46,67, MD = 70, ME = 93,33 kN·m, MF = 76,67, MG = 0

Đáp số

Điểm đánh dấu E: ME = 93,33 kN·m
10.Lực cắt và mômen uốn

Đáp số: F (x = 10 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 = 29 kN, R2 = 76 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 = 16, MD = −26, ME = −68, MF = −110 kN·m, MG = 0

Đáp số

Điểm đánh dấu F: MF = −110 kN·m
11.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: Ix = 69,39 × 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 = 280·20 = 5600 mm², yf = 280 + 20/2 = 290 mm
bụng: Aw = 12·280 = 3360 mm², yw = 280/2 = 140 mm

Trọng tâm

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (5600·290 + 3360·140)/8960 = 233,8 mm

Định lý trục song song

cánh: 280·20³/12 + 5600·(290 − 233,8)² = 1,791 × 10⁷ mm⁴
bụng: 12·280³/12 + 3360·(140 − 233,8)² = 5,148 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,791 × 10⁷ + 5,148 × 10⁷ = 6,939 × 10⁷ mm⁴ = 69,39 × 10⁶ mm⁴

Đáp số

Ix = 69,39 × 10⁶ mm⁴
12.Trọng tâm và mômen quán tính mặt cắt

Đáp số: Ix = 51,21 × 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 = 2000 mm², y = 184 mm
bụng: A = 2100 mm², y = 99 mm
cánh dưới: A = 5760 mm², y = 12 mm

Trọng tâm

ȳ = (2000·184 + 2100·99 + 5760·12)/9860 = 65,42 mm

Định lý trục song song

cánh trên: 100·20³/12 + 2000·118,6² = 2,819 × 10⁷ mm⁴
bụng: 14·150³/12 + 2100·33,58² = 6,306 × 10⁶ mm⁴
cánh dưới: 240·24³/12 + 5760·53,42² = 1,671 × 10⁷ mm⁴
Ix = 2,819 × 10⁷ + 6,306 × 10⁶ + 1,671 × 10⁷
Ix = 5,121 × 10⁷ mm⁴ = 51,21 × 10⁶ mm⁴

Đáp số

Ix = 51,21 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics