Moment of a Couple [PDF]

Moment and Couple. Lecturers: Rosli Anang ... Example 3. Determine the moment of each the force about point O. [ Answer

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Idea Transcript


SKAA 1213 ‐ Engineering Mechanics TOPIC 5

M Moment t and d Couple C l Lecturers:  Rosli Anang Dr. Mohd Yunus Ishak Dr. Tan Cher Siang

Moment of a Force  • Moment of a force about a point/axis the  tendency of the force to cause the body to tendency of the force to cause the body to  rotate about the point/axis.  • Moment is a vector quantity

Moment of a Force 

Moment axis

Mo

1. Scalar Formulation of Moment F d

M = Fd Fd O

Where d is the perpendicular distance from the axis of point O to the action of the force F).

Direction of force : specified by using the right hand rule. rule

O

Moment Arm F

F θ

d l

l

θ

O

O

M = Fd Fd O

d

Note: d = l sin θ F

θ=

0o l

O

θ = 90o

F

d=0

l d=l O

d

Example 1 Determine the moment of the 70N force about  point A. [ Answer : (a)M 2800Nmm (b) M =2704.6Nmm ] p A

(a)

A

(b)

Example 2 Example 2 Determine the moment of the 70N  and 60N  3611 4 Nm  ] forces about point A [ Answer : M = 3611.4 forces about point A. A

6

Example 3 Determine the moment of each the force about  Determine the moment of each the force about point O. [ Answer : MO1 = 200kNm, MO2 =70kNm , MO3 = 50kNm, MO4 = 70kNm , MO5 = 125kNm  ]

Example 4 Determine the moments of the 40kN force  about points A, B, C and D. [ Answer : MA = 0 MB= 48kNm MC= 20kNm  MD= 20kNm ]

Resultant Moment of Coplanar Forces • determined by total up  the moments of all  the forces algebraically the forces algebraically.

+ MRO = Fd z

d2

F2

F1 d3

F3

O d 1

The  counterclockwise curl  written along the written along the  equation indicates that,  the moment of any force  will be positive if it is will be positive if it is  directed along the +z axis.

Example 5 Determine the moment of the three forces about  point O. [Answer : M = -120kNm ] O

10

Example 6 Determine the moments of the three forces  85kNm , M = 125Nm ] about point B and C [Answer : M = -85kNm about point B and C. B

C

Cross Product

C = A x B

cross product of two vectors A and is written as C = A and is written as =AxB

C = AB sin θ

θ

Magnitude of C = AB sin θ Magnitude of C AB sin θ

A B

The direction of vector C The direction of vector C is  is perpendicular to the plane A & B such that C & B such that C is specified by  is specified by the right‐hand rule.

C uC

A

θ

C = AB sin θ

B

Cross Product - Laws of Operations

Commutative law: A B ≠ B x A x B A A x B = ‐B x A Multiplication by a scalar: ) ( ) B = A x ((aB) = (A x ) ( B)a ) a ((A x B) = (aA) x Distributive law: A x (B + D) = (A x B) + (A x D) D) (A B) (A D)

13

Cross Product of the Cartesian unit  vectors In a similar manner In a similar manner,

z k = i x j i x

i x j = k 

i x k = ‐j

i x i = 0

j x k = i k i k x i = j

j x i = ‐kk k x j = ‐i

jj x j = 0 xj 0 k x k = 0

i

j y

+ j



This diagram  is helpful for  obtaining  the result of the result of  k cross  products of  unit vectors unit vectors

Tips : Apply right hand rule   14

C Cross product of two vectors d t ft t A and A d B. B D t Determinant form: i tf i

A x B =

j      k

Ax Ay Az Bx By Bz

Moment of a Force 2. Vector Formulation of Moment p • The moment of F about point O  discussed earlier, can be expressed  using the vector cross‐product; MO = r x F Where r represent the position  vector drawn from O to any point  lying on the line of action of F.

Magnitude: MO = rF sin θ = F(r sin θ)   = Fd

F

Moment axis

MO

r

O

Direction: Apply Apply right‐hand rule at the  right hand rule at the intersection point of the tails of  extended r and F

Moment axis

Note that the moment axis  is perpendicular to the  plane containing r and F

MO

r

θ r

θ

d O

F

r is treated as a sliding  vector t

Example 7

A force F=90N directed from C to D.  Determine  the magnitude of the moment created about  pp p , the support at point A, and their coordinate  direction angles. [ Answer :M = 253.4Nm α = 126.9 β = 81  = 141.6 A

rC

rD

rD= 3j + 0.6k

o

o

o

]

Resultant moment of a System of  Forces F 3

F2

z MRO r2

r3

y

O r1 F1

x

MRO = ∑ = ∑ (r x F)

Example Three forces acting on the rod.  Determine the  Three forces acting on the rod Determine the resultant moment about O and the coordinate  di direction angles.  Given i l Gi F1= 20i 20i + 80k, F 80k F2= 40i 40i +  30j ‐ 25k and F3= ‐35i + 50j ‐ 15k. [ Answer :MRO= 410Nm α = 120.8o β = 117o  = 43o ]

Principle of Moments (Varignon’s theorem) The moment of a force about a  point is equal to the summation  of the moments of the force’s  f th t f th f ’ components about the point. Proof: M = r x F1 + r x F2 = r x (F1 + F2) =rxF = r x

F1 F

F2 r

O

O F = F1 + F2

Useful  to determine the moment arms of the force’s  Useful to determine the moment arms of the force’s components than the moment arm of the force itself.

Moment of a Force about a Specified Axis • Can be solved by scalar Can be solved by scalar or vector or vector analysis. analysis z b MO

5 3

O

4

My

0.5 m

y 0.3 m

0.4 m

x

F = 20 N

In some situations we  need the component of  the moment along a  specified axis that passes  through the point.  Let say  component of MO about y  axis, My .

1.  Scalar Analysis z b MO

5 3

O

4

My

05m 0.5

y 0.3 m

0.4 m

x

F = 20 N

a) Mo = 20(0.5) = 10 Nm (direction defined by RH  Rule about the Ob axis) Rule about the Ob My =  (3/5)(10) = 6 Nm (component method) b) My = 20(0.3) = 6 Nm  (direct method)

• If the line of action of a force F is  perpendicular to any specified axis aa, then; Ma= Fd Fda

where da is the perpendicular distance  where is the perpendicular distance from the force line of action to the axis.

• The The direction is determined from the thumb  direction is determined from the thumb of the Right Hand when the fingers are  curled in accordance with the direction of curled in accordance with the direction of  rotation. • A A  force will NOT force will NOT contribute a moment about a specified  contribute a moment about a specified axis if the force line of action is parallel to the axis or its  line of action passes through the axis.

Example What are the values moment about the x,y, z axes. [Answer : MOx=13 Nm MOy== 59 Nm MOz= -32 32 Nm] z

6

10

x

7

y

Example Example  Find the  Moment about a specified axis  using  Scalar notation method [Answer Scalar notation method. [A : M = 48Nm 48N M = 0Nm 0N , M = 0Nm] 0N ] Ox

(0,0,8)

O (0,6,0)

oy

oz

Example  Example Find the  Moment about a specified axis  using  0Nm M = 50 Nm ] Scalar notation method [Answer : M = 0Nm , M = 0Nm, Scalar notation method. Ox

O

oy

oz

(0,5,0)

27

2.  Vector Analysis z b MO O

x

rA

My

ua = j y 0.3 m

MO = rA x F = (0.3i + 0.4j) X (‐20k) = (‐8i + 6j) Nm

0.4 m

F = (-20k) N

The component of this moment along the y  axis is then determined  from the dot product i i th d t i d f th d t d t Since the unit vector of this axis is ua=j, then My = MO ∙ua = (‐8i + 6j) ∙ j  = 6 Nm

Vector analysis is advantages to find moment of  Vector analysis  is advantages to find moment of force about an axis when the force components or the  moment arms are difficult to determine. a b MO = r x F

θ

Ma

y

O b’ ua

H t How to get M t Ma ?

r

1.  Find MO = r x F 2.  Ma = MO cos θ = MO∙ua Ma = (r x F) ∙ u = (r x F) ∙ ua = u = ua∙ ( r x F)  ∙ ( r x F)

a’ F

In vector algebra , combination of dot  and cross product yielding the scalar  d d t i ldi th l Ma is called the triple scalar product.

The triple scalar product :  i     j     k Ma = (u = (uax i + u + uay j + u + uaz k) ∙  k) ∙ rx ry  rz Fx Fy  Fz

uax uay uaz = r r y rz x Fx Fy  Fz Once Ma is determined, M Once M is determined Ma as a Cartesian vector ; as a Cartesian vector ; Ma = Maua = [ua∙ (r x F)]ua

To find the resultant of a series of forces about the  axis aa’,, the moment components of each force are  axis aa the moment components of each force are added together algebraically, since the component  lies along the same axis. Ma = ∑[ua∙(r x F)] = ua∙ ∑(r x F)

Example The force F The force F= ‐35i 35i + 50j + 50j ‐ 15k acts at C.  Determine  acts at C Determine the moment of this force about x and a axes.   [ Answer : Mx= -210Nm 210Nm Ma = -161Nm 161Nm ]

Couples and Couple Moments • Definition : two parallel forces that have the  g but opposite direction, and  pp , same magnitude separated by a perpendicular distance, d. • The moment produced is called couple moment. Th t d di ll d l t ∑F = 0, the only effect is tendency of rota , y y on. •∑ d

B

-F F

-F r

A

F F

2D

rB

rA O

3D

Moment of a Couple Determination of moments of couple forces   Determination of moments of couple forces about any point : ‐F B

r A

about A: M = r X F

F

about O:  M = rB X (F) + rA X (‐F)  

rB

rA 3D O

This indicates that a couple moment is a free vector.  It  This indicates that a couple moment is a free vector. It can act at any point since M only depends upon the  position vector r, not rA and rB.

2D

Scalar Formulation: M =Fd

‐F

d

F

Vector Formulation: M = r x F

3D B

‐F

r A

F

Properties of Moment of a Couple 1. The couple moment is unaffected by the pivot  location *Couples at the same position for example below.

MA=20(0.3)+20(1.7)  = 40Nm  40N

MA=20(6)‐20(4) = 40Nm

2. A couple  can be shifted and still have the same  2 A couple can be shifted and still have the same moment about a given point.

Couple at different position & moments calculated at the same point. MA=30(2) = 60Nm

• Equivalent Couples Equivalent Couples Two couples which produce the same moment lie either in the same plane or in planes parallel lie either in the same plane or in planes parallel to each other.  The direction of the couple  moments is the same and is perpendicular to the moments is the same and is perpendicular to the  parallel planes.

• Resultant Couple Moment Since couple moments are free vectors Since couple moments are free vectors they can  they can be applied at any point on a body and added  vertically. vertically

M1 M2

Two set of couple forces MR

M1

M2 P

Two couple moments

Moved to any arbitrary  point and added to obtain point and added to obtain  resultant couple moment MR= M1 + M2

Example Replace the forces acting on the structure by an  equivalent resultant force and couple moment  at A. [ Answer: M = = -46.6Nm () ] RA

Example Example  Determine the moment of the couple on the  [ Answer : M= -221.5Nm ] member shown. b h

d

Equivalent System

Replacing system of forces and couple moments  acting on a body by a single force and couple acting on a specified point O that produce the  same external effects of translation and  rotation. C Case 1: 1 Point O Is On the Line of Action P i t O I O th Li f A ti A O

F F

=

O -F

A

F

A F

=

O

Case 2: Point O Is Not On the Line of Action C 2 P i t O I N t O th Li f A ti M=rxF F O

F A

F

F

=

A

O

=

A

O P

-F F

*Note: Since couple is a free vector , it may be applied at any point

Resultants of a Force System MRO = ∑M ∑ C + ∑M ∑ O FR = ∑F M2 = r2 x F2

F1

F2 r2

r1 O

=

F2 MC

MC

F1 O

MRO

=

M1 = r1 x F1

FR = F1 + F2 θ O

NOTE: • Both the magnitude & direction of FR are  independent of the location of O, however, independent of the location of O however • MRO depends on the location of O since the  moment M1 & M & 2 are determined by using the  d db h position vectors r1 & r2. • MRO is a free vector and can act at any point on  the body.

Example Determine the magnitude, direction and  Determine the magnitude direction and location of a resultant force which is equivalent  to the given system of forces measured to the given system of forces measured  horizontally from A.  [ Answer : F = 272N() θ = 68.4 d = 0.18m ] R

o

Example p Determine the magnitude and direction of a  resultant force equivalent force system and  locate its point of application. [ Answer : FR = -1190N () ,y = 2.84m x = 1.24m]

Simplification to a Single Force System Consider a special case for which the system of  forces and couple moments reduces at point O  of the resultant force FR and couple MR which  are perpendicular to each other. M1

F2 r2

O r3 M2

FR

F1

r1

b

a

=

O a

a

b

MRO

= F3

FR

b

dd

P O

a

b d =

MRO FR

If the system of forces is either concurrent,  If th t ff i ith t coplanar, or parallel, it can be reduced (as in the  above case), to a single resultant force F b ) t i l lt t f FR.   This is because in each of these cases FR and MR will always be perpendicular to each other when  y p yp point. the force system is simplified at any

48

1 Concurrent Force System 1.Concurrent Force System

F1

FR =∑F F2

= F3

2.Coplanar Force System y F3 Couple p moments are ┴ to plane of forces

r3 r1 F1

y M2

F2

x

O M1

MRO = ∑M + ∑r x F

=

r2

y d= M /F RO R x

O

d

= O

FR= ∑F

FR= ∑F

x

3.Parallel Force System ll l z Couple p moments are ┴ to the forces M1

F2

F1

x

r1

FR= ∑F

z r2

O r3

MRO = ∑M + ∑r x F

F3

y

FR= ∑F

= O M2

x

z

y

=

O x

y

Example Determine the magnitude and location of the  equivalent resultant force acting on the equivalent resultant force acting on the beam. beam. _ [ Answer : FR = -1190N () , x = 3m ]

dA = w dx = 50x2 dx

Example Determine the magnitude and location of the  Determine the magnitude and location of the equivalent resultant force acting on the beam. _ [ Answer : FR = 140KN , x = 1.86m ]

Reduction of a simple Distributed  p Loading p x

p=p(x)

L y a/2

a/2

Uniform pressure along one  axis on a flat rectangular axis on a flat rectangular  surface.  The load  intensity is  of the load represented by  o t e oad ep ese ted by the arrows form a system of  parallel forces, infinite in  p , numbers, each acting on a  separate differential area. p

w=w(x) w w(x)

dF dA

x

dx L

Load function, p = p(x) [pressure uniform in y  [p f y axis] Multiply pyp p=p(x) p( ) with the  width a, we obtain; p( ) w= p(x) a = w x

This loading function is a measure of load  di t ib ti distribution along the line y=0 which is the plane  l th li 0 hi h i th l of symmetry of the loading.  Note: it is load per  unit length. it l th 55

FR

A

C O x L

In a system of coplanar  parallel forces, the load  intensity can be represented  by w = w(x) This system of forces can be  This system of forces can be simplified to a single force FR and its location x can be  and its location x can be specified.

Magnitude of Resultant Force w=w(x)

For an elemental F l t l length l th dx d as shown in the diagram, the force acting is; dF = w(x) dx = dA [shaded area]

dF dA

x

L

dx

For entire length; ∑F: FR = ∫w(x) ∫ ( ) dx = ∫ dA = A +↓FR = ∑

Hence, the magnitude of the resultant force is  equal to the total area A under the loading equal to the total area A under the loading  diagram w = w(x).

57

Location of Resultant Force MRO = MO Equating the moment of the F Equating the moment of the FR  and the force distribution about O.

dA O x

dx L

dF produces d a momentt off x dF =x w(x) dx about O.

+ MRO = SMO:   x FR = ∫ x w(x) dx L Solving for x; Solving for x;

FR

A

∫L x w(x) dx

x  =  ∫ w(x) dx L

∫A x dA

=  ∫ dA A

w=w(x)

dF

C O x L

Location of Resultant Force w=w(x)

dF

This eqn represents the x  coordinate for the geometric  di f h i center (centroid) of the area  under the distributed loading  d h di ib d l di diagram w(x). The resultant force has a line of  p g action which passes through the  centroid C fo the area defined by  the distributed loading  diagram  g g w(x).

dA O x

dx L

dF produces d a momentt off x dF =x w(x) dx about O.

FR

A

C O x L

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