Mühendislik Mekaniği Statik. Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

Transkript

1 Mühendislik Mekaniği Statik Yrd.Doç.Dr. Akın Ataş

2 Bölüm 4 Kuvvet Sistemi Bileşkeleri Kaynak: Mühendislik Mekaniği: Statik, R.C.Hibbeler, S.C.Fan, Çevirenler: A. Soyuçok, Ö. Soyuçok.

3 4. Kuvvet Sitemi Bileşkeleri Bölüm 3 te, bir parçacığın veya bir noktadan geçen bir kuvvet sisteminin bileşkesinin sıfır, yani ΣF=0 olması gerektiği gösterildi. Bölüm 5 te böyle bir kısıtlamanın bir rijit cismin dengesi için gerekli ama yeterli olmadığı gösterilecektir. Bir cisim bir büyüklüğe sahip olduğundan, ek kısıtlama, moment kavramını ortaya çıkaran, uygulanan kuvvet sisteminin bir noktadan geçmemesi durumu dikkate alınarak yapılmalıdır. Moment bir cismi döndürmeye çalışır, denge ise cismin dönmemesini gerektirir. Bu bölümde, momentin formal bir tanımı verilecek ve bir kuvvetin, bir nokta veya eksene göre momentini bulma yolları ele alınacaktır.

4 4.1 Vektörel Çarpım Bir kuvvetin momentini belirlemeden önce vektörel çarpım yöntemini öğrenmemiz gerekir. A ve B vektörlerinin vektörel çarpımı, C = A x B şeklinde yazılır, «C eşittir A vektörel çarpım B» diye okunur. Büyüklük. C nin büyüklüğü, A ve B nin büyüklükleri ve bunlar arasındaki θ açısının sinüsünün çarpımı olarak tanımlanır. Buna göre, C = ABsin θ dır.

5 4.1 Vektörel Çarpım Doğrultu. C vektörünün doğrultusu, A ve B yi içeren düzleme diktir. Yönü sağ el kuralına göre belirlenir. C nin doğrultu ve yönünü biliyorsak, yazabiliriz. C = A x B = (ABsin θ)u c Burada, ABsinθ C nin büyüklüğünü, u c birim vektörü doğrultusunu tanımlar.

6 4.1 Vektörel Çarpım İşlem Kuralları. 1. Değişme özelliği: 2. Skaler ile çarpım: 3. Dağılma Kuralı:

7 4.1 Vektörel Çarpım Kartezyen Vektör Gösterimi. C = A x B = (ABsin θ)u c denklemi, kartezyen birim vektör çiftlerinin vektörel çarpımlarını bulmada kullanılabilir.

8 4.1 Vektörel Çarpım Kartezyen Vektör Gösterimi.

12 4.2 Bir Kuvvetin Momenti Skaler Gösterim Bir kuvvetin bir noktaya veya bir eksene göre momenti, kuvvetin bir cismi bu nokta veya eksen etrafında döndürme eğiliminin bir ölçüsüdür. F kuvveti cıvatayı z ekseni etrafında döndürme eğilimindedir. Bu dönme eğilimine tork da denilir fakat genellikle buna bir kuvvetin momenti veya kısaca (M o ) z momenti denir.

13 4.2 Bir Kuvvetin Momenti Skaler Gösterim Moment ekseni M o momenti vektörel bir büyüklüktür, çünkü belirli bir büyüklük ve doğrultuya sahiptir. Büyüklük. M o = Fd (N m, lb ft) Dönme yönü Doğrultu. Sağ el kuralı ile belirlenir. F ve d yi içeren düzleme dik ve yukarı doğru.

14 4.2 Bir Kuvvetin Momenti Skaler Gösterim Düzlemsel Kuvvet Sisteminin Bileşke Momenti. Bir kuvvet sistemi x-y düzleminde yer alırsa, M RO momenti, bütün kuvvetlerin momentlerinin cebirsel toplamı alınarak belirlenebilir.

15 Örnek 4-1 Verilen her bir durum için, O noktasına göre momenti bulunuz.

16 Örnek 4-2 Şekilde gösterilen çubuk üzerine etkiyen dört kuvvetin O noktasına göre bileşke momentini belirleyiniz.

17 Örnek 4-2 Pozitif momentlerin +k yönünde, yani saatin ters yönünde etkidiğini varsayarsak;

18 4.2 Bir Kuvvetin Momenti Skaler Gösterim Örneklerde de görüldüğü gibi, bir kuvvetin momenti her zaman dönmeye neden olmaz. Örneğin, F kuvveti kirişi A mesnedi etrafında M A = Fd A momenti ile saat yönünde döndürmeye çalışır. Dönme, ancak B mesnedi kaldırılırsa ortaya çıkar.

19 4.2 Bir Kuvvetin Momenti Skaler Gösterim Çivinin sökülebilmesi için O noktasına göre F H momentinin F N kuvvetinin aynı noktaya göre momentinden daha büyük olması gerekir.

20 4.3 Bir Kuvvetin Momenti Vektörel Gösterim Bir F kuvvetinin O noktasına veya O dan geçen ve O ve F yi içeren düzleme dik eksene göre momenti, vektörel çarpım ile belirlenebilir. Moment ekseni Burada r, O dan F nin etki çizgisi üzerinde yer alan herhangi bir noktaya çizilen konum vektörünü gösterir.

21 4.3 Bir Kuvvetin Momenti Vektörel Gösterim Moment ekseni Moment ekseni Büyüklük. M O = rfsinθ olarak bulunur. θ, r ve F vektörleri arasındaki açıdır. r ve F vektörlerinin uygulama noktaları aynı değilse, aynı noktaya uygulanacak şekilde tekrar çizilmelidirler. Moment kolu d = rsinθ olduğundan,

22 4.3 Bir Kuvvetin Momenti Vektörel Gösterim Moment ekseni Moment ekseni Doğrultu. r ve F vektörlerinin uygulama noktalarının aynı olduğu durumda sağ el kuralı ile belirlenir. Vektörel çarpımın değişme özelliği olmadığından çarpım sırasının korunması önemlidir.

23 4.3 Bir Kuvvetin Momenti Vektörel Gösterim Etki çizgisi Kuvvetin Taşınabilirliği. F, kayan vektör özelliğine sahiptir ve bu nedenle etki çizgisi üzerindeki herhangi bir noktaya etkiyebilir ve O noktasına göre yine aynı momenti üretir.

24 4.3 Bir Kuvvetin Momenti Vektörel Gösterim Kartezyen Vektör Formülasyonu. Moment ekseni r x, r y ve r z O noktasından kuvvetin etki çizgisi üzerindeki herhangi bir noktaya çizilen konum vektörünün x, y ve z bileşenleridir.

25 4.3 Bir Kuvvetin Momenti Vektörel Gösterim Kuvvet Sisteminin Bileşke Momenti. Bir kuvvet sisteminin O noktasına göre bileşke momenti, yukarıdaki denklemin ardışık uygulaması sonucu oluşan vektörlerin toplamı ile belirlenebilir.

26 Örnek 4-3 Şekilde gösterilen F kuvvetinin O noktasına göre momentini belirleyiniz.

27 Örnek 4-3 Çözüm için r A veya r B kullanılabilir.

28 Örnek 4-3 Çözüm için r A veya r B kullanılabilir.

29 Örnek 4-4 Şekilde gösterilen çubuk üzerine üç kuvvet etki etmektedir. Bu kuvvetlerin O noktasındaki flanşa göre ürettikleri bileşke momenti belirleyiniz.

30 Örnek 4-4

31 4.4 Momentler İlkesi (Varignon Teoremi) Bir kuvvetin bir noktaya göre momenti, bu kuvvetin bileşenlerinin bu noktaya göre momentlerinin toplamına eşittir.

32 Örnek 4-5 Şekildeki kuvvetin O noktasına göre momentini belirleyiniz.

33 Örnek 4-5 Çözüm I

34 Örnek 4-5 Çözüm II

35 Örnek 4-5 Çözüm III

36 Örnek 4-6 Şekildeki kuvvetin O noktasına göre momentini belirleyiniz.

37 Örnek 4-6 Çözüm I (Skaler Analiz)

38 Örnek 4-6 Çözüm II (Vektörel Analiz)

39 4.5 Bir Kuvvetin Belirli Bir Eksene Göre Momenti Bazı problemlerde, momentin belirli bir eksen üzerindeki bileşenini bulmak önemlidir. Skaler Analiz. F kuvveti O dan geçen moment eksenine göre moment oluşturur. Ama, bijonun dönüş eksenindeki moment M y momentidir. Moment ekseni

40 4.5 Bir Kuvvetin Belirli Bir Eksene Göre Momenti Vektörel Analiz. F kuvvetinin y eksenine göre momentini bulmak için öncelikle y ekseni üzerindeki herhangi bir O noktasına göre F kuvvetinin momenti bulunur: Daha sonra skaler çarpım ile M y belirlenir:

41 4.5 Bir Kuvvetin Belirli Bir Eksene Göre Momenti İzdüşüm ekseni

42 Örnek 4-7 Şekildeki kuvvetlerin x, y ve z eksenlerine göre bileşke momentlerini belirleyiniz.

43 Örnek 4-7

44 Örnek 4-8 Şekilde gösterilen çubuk, A ve B deki iki kelepçe tarafından tutulmaktadır. F kuvvetinin ürettiği, çubuğu AB ekseni etrafında döndürmeye çalışan M AB momentini belirleyiniz.

45 Örnek 4-8

46 4.6 Kuvvet Çiftinin Momenti Kuvvet çifti, aralarındaki dik uzaklık d olan, aynı büyüklükte ve zıt yöndeki paralel iki kuvvet olarak tanımlanır. Çifti oluşturan kuvvetlerin bileşke kuvveti sıfır olduğundan, çiftin tek etkisi belirli bir yönde dönme veya dönme eğilimi üretmektir. Kuvvet çifti ile üretilen momente kuvvet çiftinin momenti denir. Bu moment uzaydaki herhangi bir keyfi O noktasına göre belirlenen, iki kuvvetin momentlerinin toplamına denktir.

47 4.6 Kuvvet Çiftinin Momenti Skaler Formülasyon. Vektörel Formülasyon.

48 4.6 Kuvvet Çiftinin Momenti Denk Kuvvet Çiftleri. Aynı momenti üreten iki kuvvet çiftine denk çiftler denir. Denk çiftlerin kuvvetleri ya aynı düzlemdedir veya birbirine paralel düzlemlerdedir.

49 4.6 Kuvvet Çiftinin Momenti Bileşke Kuvvet Çifti Momenti. Kuvvet çifti momentleri, serbest vektörler olduğundan, cisim üzerinde herhangi bir noktaya uygulanabilir ve vektörel olarak toplanabilirler.

50 Örnek 4-9 Şekilde gösterilen plakaya etki eden üç kuvvet çiftinin bileşkesini belirleyiniz.

51 Örnek 4-9

52 Örnek 4-10 Dişli üzerine etki eden kuvvet çiftinin büyüklüğünü ve yönünü belirleyiniz.

53 Örnek 4-10

54 Örnek 4-11 Şekilde gösterilen boruya etkiyen kuvvet çiftinin momentini belirleyiniz.

55 Örnek 4-11 Vektörel Analiz.

56 Örnek 4-11 Vektörel Analiz. Kuvvet çiftinin momentlerini, kuvvetlerden birinin etki çizgisi üzerinde bir noktaya, örneğin, A noktasına göre almak daha kolaydır.

57 Örnek 4-11 Skaler Analiz. Problem üç boyutlu gösterilse de, geometrisi M = Fd skaler denklemini kullanmak için yeterince basittir.

58 Örnek 4-12 Şekilde gösterilen boruya etkiyen iki kuvvet çiftini bileşke kuvvet çifti momenti ile değiştiriniz.

59 Örnek 4-12 Vektörel Analiz.

60 4.7 Kuvvet ve Kuvvet Çifti Sistemlerinin Basitleştirilmesi Kuvvet, etki çizgisi boyunca A noktasından B noktasına taşınmıştır. Yani, kuvvet, etki çizgisi boyunca herhangi bir A noktasında etki edebildiğinden, kayan vektör olarak düşünülebilir. Bir rijit cisim üzerinde, verilen bir noktada etkiyen bir kuvvet, kuvvetin etki çizgisi üzerindeki başka bir noktaya uygulandığında, cisim üzerindeki dış etkiler değişmez.

61 4.7 Kuvvet ve Kuvvet Çifti Sistemlerinin Basitleştirilmesi Aynı prosedürü, bir kuvveti etki çizgisi üzerinde olmayan bir noktaya taşımak için de kullanabiliriz. İlgili noktaya öncelikle eşit ve zıt kuvvetler uygulanır. İki uçtaki ters işaretli kuvvetler M = rxf momentine sahip kuvvet çiftini oluştururlar. Kuvvet çifti momenti, serbest bir vektör olduğunda, cisim üzerindeki herhangi bir noktaya uygulanabilir.

62 Örnek 4-13 Şekildeki yapı elemanı, gösterilen kuvvet çifti momenti ve kuvvetlere maruzdur. Bu sistemi, O tabanında etkiyen bir eşdeğer bileşke kuvvet ve kuvvet çifti momenti ile değiştiriniz.

63 Örnek 4-13

64 Örnek 4-13

65 4.8 Kuvvet ve Kuvvet Çifti Sisteminin Bileşkesi = = M kuvvet çifti momenti, bir serbest vektör olduğundan, doğrudan O ya taşınır. F 1 ve F 2 kayan vektördür ve etki çizgileri O dan geçmez. Örneğin F 1 O ya uygulandığında, karşı gelen M 1 =r 1 xf 1 kuvvet çifti momenti de uygulanmalıdır. F R nin büyüklük ve doğrultusu O noktasının konumundan bağımsızdır. Ancak, M RO bu konuma bağlıdır.

66 4.8 Kuvvet ve Kuvvet Çifti Sisteminin Bileşkesi O daki mesnet her iki durumda da aynı direnci göstermelidir.

67 Örnek 4-14 Şekilde gösterilen desteğe etkiyen kuvvetleri, O noktasında etki eden bir eşdeğer bileşke kuvvet ve kuvvet çifti momentine indirgeyiniz.

68 Örnek 4-14 Kuvvet Toplamı.

69 Örnek 4-14 Moment Toplamı.

70 4.9 Kuvvet ve Kuvvet Çifti Sistemi için Ek İndirgeme Bir Noktadan Geçen Kuvvet Sistemleri. Bütün kuvvetler tek bir noktada etkir ve bileşke kuvvet çifti momenti yoktur.

71 4.9 Kuvvet ve Kuvvet Çifti Sistemi için Ek İndirgeme Düzlemsel Kuvvet Sistemleri. Kuvvetlerin bulunduğu düzleme dik doğrultulu kuvvet çifti momentleri içeren düzlemsel kuvvet sistemleri tek bir bileşke kuvvete indirgenebilir.

72 4.9 Kuvvet ve Kuvvet Çifti Sistemi için Ek İndirgeme Paralel Kuvvet Sistemleri. Kuvvetlere dik kuvvet çifti momentleri içeren paralel kuvvet sistemleri tek bir bileşke kuvvete indirgenebilir.

73 4.9 Kuvvet ve Kuvvet Çifti Sistemi için Ek İndirgeme Dört kablo kuvveti de O noktasına etki eder. Dolayısıyla, bileşke moment oluşmaz. Sadece F R bileşke kuvveti meydana gelir. Bileşkenin mesnete yöneldiğine ve kulede eğilmeye sebep olmadığına dikkat ediniz.

74 4.9 Kuvvet ve Kuvvet Çifti Sistemi için Ek İndirgeme İki sistem de eşdeğerdir.

75 4.9 Kuvvet ve Kuvvet Çifti Sistemi için Ek İndirgeme Vidaya İndirgeme. Genel halde, cisme etkiyen kuvvet ve kuvvet çifti momenti sistemi, O noktasında birbirine dik olmayan tek bir F R bileşke kuvveti ve (M R ) O kuvvet çifti momentine indirgenir. Ancak, (M R ) O bileşenlerine ayrılarak M dik elimine edilebilir.

76 4.9 Kuvvet ve Kuvvet Çifti Sistemi için Ek İndirgeme Vidaya İndirgeme. Bu doğrudaş kuvvet ve kuvvet çifti momenti kombinasyonuna vida adı verilir. Vida ekseni kuvvetle aynı etki çizgisine sahiptir.

77 Örnek 4-15 Şekilde gösterilen kuvvet ve kuvvet çifti momenti sistemini eşdeğer bir bileşke kuvvet ile değiştiriniz ve etki çizgisinin O dan ölçülen mesafesini belirleyiniz.

78 Örnek 4-15

79 Örnek 4-16 Şekilde gösterilen vince üç düzlemsel kuvvet etki etmektedir. Bu yükü eşdeğer bir kuvvetle değiştiriniz ve bileşkenin etki çizgisinin AB kolonunu ve BC ucunu kestiği yerleri belirleyiniz.

80 Örnek 4-16

81 Örnek 4-16

82 Örnek 4-17 Şekildeki tabaka dört paralel kuvvete maruzdur. Verilen kuvvet sistemine eşdeğer bileşke kuvvetin büyüklük ve doğrultusunu belirleyiniz ve tabaka üzerindeki uygulama noktasını bulunuz.

83 Örnek 4-17

84 Örnek 4-17

85 4.10 Basit Yayılı Yüklerin İndirgenmesi Bazen cisimler yüzeylerine dağılmış olan yüklere maruz kalabilirler. Örneğin, bir reklam panosuna etki eden rüzgar basıncı gibi. Bu yüklerin yüzey üzerindeki her bir noktadaki şiddeti lb/ft 2 veya N/m 2 (Pa) birimleri ile ölçülebilen p basıncı olarak tanımlanır. Bu kesimde, üzerine yükün uygulandığı düz dikdörtgen cismin bir ekseni boyunca düzgün olan yayılı basınç yüklerinin en genel durumunu ele alacağız. Basınç yükü şiddetinin yönü, yük şiddeti diyagramındaki oklarla gösterilir.

86 4.10 Basit Yayılı Yüklerin İndirgenmesi Yük fonksiyonu, p=p(x) Pa, basınç y ekseni boyunca düzgün olduğundan, sadece x in fonksiyonudur. b genişliği ile çarpılırsa, w=w(x) N/m elde edilir (birim uzunluk başına kuvvet).

87 4.10 Basit Yayılı Yüklerin İndirgenmesi Bileşke Kuvvetin Büyüklüğü. Bu kuvvetler sistemi bir tek F R bileşke kuvvetine basitleştirilebilir ve bu kuvvetin uygulama noktası belirlenebilir.

88 4.10 Basit Yayılı Yüklerin İndirgenmesi Bileşke Kuvvetin Konumu.

89 Örnek 4-18 Şekilde gösterilen şaft üzerine etkiyen bileşke kuvvetin büyüklüğünü ve konumunu belirleyiniz.

90 Örnek 4-18

91 Örnek 4-19 Şekilde gösterilen kirişin üst yüzeyine p=800x Pa yayılı yükü etkimektedir. Bileşke kuvvetin büyüklüğünü ve konumunu belirleyiniz.

92 Örnek 4-19

93 Örnek 4-20 Tanecikli malzeme şekilde gösterildiği gibi kiriş üzerine yayılı yük uygulamaktadır. Bileşke kuvvetin büyüklüğünü ve konumunu belirleyiniz.

94 Örnek 4-20