سوال ۶۸ کنکور ارشد مهندسی مکانیک ۱۴۰۴
در خرپای زیر، AC و BD کابل هستند و فقط کشش تحمل میکنند. (شکل: خرپایی مستطیلی با نقطهٔ A در بالا-چپ، B در بالا-راست، C در پایین-راست و D در پایین-چپ؛ نقاط A و D با تکیهگاه مفصلی به دیوار قائم متصلاند. عضو AB افقی به طول ۳ متر، عضو BC قائم به طول ۴ متر و عضو DC عضو افقی پایینی است. دو قطر AC و BD که خطچین رسم شدهاند، کابل هستند. نیروی P بهصورت قائم رو به پایین در گرهٔ B وارد میشود.) اگر نیروی P در راستای خود بلغزد و به نقطهٔ C منتقل شود، نیروی داخلی عضو BC چه تغییری میکند؟
پاسخ صحیح: گزینهٔ C — صفر میشود.
برپایی مسئله
برای خرپا دستگاه مختصات زیر را (بر حسب متر) در نظر میگیریم:
بنابراین (افقی)، (قائم)، (افقی) و طول هر دو قطر برابر است. بردار یکهٔ از به برابر و از به برابر است.
شمارش مجهولها: ۵ عضو (، ، ، ، ) بهعلاوهٔ ۴ مؤلفهٔ عکسالعمل در دو تکیهگاه مفصلی و ، در مجموع ۹ مجهول در برابر معادلهٔ تعادل گرهها میدهد — یعنی خرپا یک درجه نامعین استاتیکی است. آنچه این نامعینی را برطرف میکند، شرط فیزیکی کابلهاست:
برای هر عضو کشش را مثبت میگیریم و از روش گرهها استفاده میکنیم.
حالت ۱ — اعمال P در نقطهٔ B (بارگذاری اولیه)
در گرهٔ اعضا عبارتاند از (در راستای )، (در راستای ) و کابل (در راستای )، همراه با بار خارجی :
کابل کشیدهٔ گرهٔ را به سمت پایین و چپ میکشد، پس هرگز نمیتواند در تحمل بار قائم رو به پایین در کمک کند؛ بهطور صوری، اگر بخواهیم بار را از مسیر عبور دهیم (یعنی بگذاریم)، گرهٔ میدهد و آنگاه در گرهٔ نتیجه میدهد
پس شل است، ، و
بررسی گرهٔ (در این حالت بار خارجی ندارد)، با در راستای ، در راستای و کابل در راستای :
بنابراین مسیر انتقال بار بهصورت است و
حالت ۲ — لغزاندن P در امتداد خط اثر آن تا نقطهٔ C
نقطهٔ دقیقاً بالای قرار دارد، پس خط اثر قائم نیروی از میگذرد؛ بنابراین انتقال نیرو به مجاز است (یک نیرو را میتوان روی جسم صلب در امتداد خط اثرش جابهجا کرد).
اکنون گرهٔ هیچ بار خارجی ندارد و سه عضو آن در روابط زیر صدق میکنند:
دوباره کابلها را میآزماییم. اگر کشیده بود (، )، گرهٔ میداد ، در حالی که گرهٔ ایجاب میکند — که تناقض است. پس شل است:
(به بیان معادل: گرهای بدون بار است که تنها اعضای مؤثر آن دو میلهٔ غیرهمراستای و هستند — همان گرهٔ با اعضای نیروصفر کتابهای درسی.)
سازگاری در گرهٔ که اکنون بار را تحمل میکند:
همهٔ معادلات تعادل و هر دو نامساوی کابلها برقرارند، پس این جواب، جواب درست (و یکتا) است.
مقایسه
| بارگذاری | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| در | (فشاری) | (شل) | |||
| در | (شل) |
نیروی سایر اعضا دقیقاً بدون تغییر میماند؛ تنها تغییر میکند — از فشار به صفر افت میکند.
پاسخ: گزینهٔ ۳.
نکتهٔ کنکوری: لغزاندن یک نیرو در امتداد خط اثرش، عکسالعملهای خارجی جسم صلب را تغییر نمیدهد، اما میتواند نیروهای داخلی اعضای خرپا را کاملاً دگرگون کند، چون بار اکنون از گرهٔ دیگری وارد سازه میشود. اینجا تمام وظیفهٔ عضو انتقال از به پایین و به بود؛ اگر را مستقیماً به برسانیم، به عضو نیروصفر تبدیل میشود. گزینههای انحرافی و صرفاً نسبتهای هندسی مثلث هستند که برای وسوسه به حدس تناسبی کاشته شدهاند.