Statika: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 12 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Vektor: hasil kali titik & silang

Besar
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vektor satuan
û = a/|a|
Komponen dari sebuah sudut
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Hasil kali titik
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Proyeksi skalar a pada b
a·b/|b|
Usaha
W = F·d
Hasil kali silang
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Luas
jajar genjang |a × b|, segitiga ½|a × b|
Momen terhadap O
MO = r × F, r = A − O
Volume paralelepipedum
V = |a·(b × c)|

Metode

  1. Tulis setiap vektor dalam komponen; untuk gaya yang diberikan dengan besar dan sudut, gunakan F·cos θ dan F·sin θ.
  2. Untuk panjang dan arah gunakan besar √(x² + y² + z²) dan vektor satuan a/|a|.
  3. Gunakan hasil kali titik untuk sudut, proyeksi, ketegaklurusan, dan usaha: a·b = |a||b|cos θ.
  4. Gunakan hasil kali silang untuk vektor tegak lurus, luas, dan momen: tulis ketiga komponen dengan teliti, jaga urutan a × b.

Reaksi tumpuan balok

Kesetimbangan
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Beban merata
resultan w·L di tengah beban
Momen
M = F·d

Metode

  1. Gambar diagram benda bebas dan ganti setiap tumpuan dengan reaksinya.
  2. Ganti setiap beban terbagi dengan satu gaya di titik beratnya.
  3. Ambil momen terhadap satu tumpuan untuk mencari reaksi di tumpuan lainnya.
  4. Gunakan ΣFy = 0 untuk mencari reaksi yang tersisa, dan periksa dengan persamaan momen kedua.

Rangka batang: metode titik buhul

Metode titik simpul
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Metode potongan
ΣM = 0 about a cut point
Gaya batang
positif = tarik, negatif = tekan

Metode

  1. Cari reaksi tumpuan untuk seluruh rangka batang.
  2. Metode titik simpul: mulai dari simpul dengan paling banyak dua gaya batang yang tidak diketahui dan gunakan ΣFx = 0 dan ΣFy = 0.
  3. Metode potongan: potong melalui batang yang Anda perlukan dan ambil momen terhadap titik pertemuan batang-batang lain yang tidak diketahui.
  4. Asumsikan tarik; jawaban negatif berarti tekan.

Rangka & mesin

Kesetimbangan setiap batang
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Batang dua gaya
gaya sepanjang garis melalui kedua pin-nya
Gaya pin
sama besar dan berlawanan arah pada kedua batang yang dihubungkannya
Besar gaya pin
F = √(Fx² + Fy²)
Tuas, tang, engkol siku
Fin·a = Fout·b
Toggle
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Beban merata
resultan w·L di tengah beban

Metode

  1. Gambar seluruh struktur dan cari reaksi tumpuan jika tidak ada lebih dari tiga besaran yang tidak diketahui.
  2. Kenali batang dua gaya: hanya dibebani pada dua pin, gayanya bekerja sepanjang garis antara kedua pin.
  3. Bongkar rangkanya dan gambar setiap batang sendiri-sendiri, dengan gaya pin yang sama besar dan berlawanan arah di tempat batang-batang bertemu.
  4. Untuk setiap batang, ambil momen terhadap sebuah pin yang memiliki gaya tak diketahui, lalu gunakan ΣFx = 0 dan ΣFy = 0; gabungkan komponen menjadi besar gaya di akhir.

Gaya geser & momen lentur

Gaya geser dan momen
V = ΣF pada satu sisi, M = ΣF·d pada satu sisi
Tegangan lentur
σ = M·y/I
Persegi panjang
I = bh³/12
Modulus penampang
W = I/ymax
Tumpuan sederhana, beban merata
Mmax = wL²/8

Metode

  1. Cari reaksi tumpuan dari kesetimbangan seluruh balok.
  2. Potong balok di penampang yang Anda perlukan dan ambil satu sisi.
  3. Gaya geser: jumlah gaya vertikal pada sisi tersebut. Momen lentur: jumlah momennya terhadap potongan.
  4. Untuk momen maksimum, cari letak gaya geser sama dengan nol.

Titik berat & momen inersia

Titik berat
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Persegi panjang
I = bh³/12
Teorema sumbu sejajar
I = Ic + A·d²
Penampang komposit
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

2Soal latihan

1.Vektor: hasil kali titik & silangSedang
xyzab

Tentukan nilai k agar vektor a = (−3, 2, −3) dan b = (−3, k, −6) saling tegak lurus.

a = (−3, 2, −3)b = (−3, k, −6)
k =
2.Vektor: hasil kali titik & silangSulit
xyzab

Vektor satuan n̂ tegak lurus terhadap a = (3, −2, −1) dan b = (−1, −4, −1) serta memiliki komponen z positif. Tentukan komponen y n̂y.

a = (3, −2, −1)b = (−1, −4, −1)n̂z > 0
n̂y =
3.Reaksi tumpuan balokSedang
P1​ = 80 kNP2​ = 70 kNABCRA​ = ?1 m6 m3 m

Balok memiliki tumpuan sendi di A dan rol di B, 7 m dari A, dan menjorok (overstek) melewati B hingga ujung bebas C. Cari reaksi vertikal RA, dengan arah ke atas positif.

AB = 7 mAC = 10 mP1 = 80 kN di 1 mP2 = 70 kN di 10 m
RA = kN
4.Reaksi tumpuan balokSulit
w = 2 kN/mP = 20 kNABRA​RB​ = ?1 m1 m1 m3 m

Balok sederhana memiliki tumpuan sendi di A dan rol di B. Cari reaksi tumpuan vertikal RB.

L = 6 mP = 20 kN di 1 mw = 2 kN/m dari 2 sampai 3 m
RB = kN
5.Rangka batang: metode titik buhulSedang
ABCDEFGH15 kN4 × 3 m4 m

Tepat satu elemen rangka batang ini tidak membawa gaya pada beban-beban ini. Elemen mana yang merupakan elemen gaya-nol? Klik pada diagram.

H: 15 kN ↓
  1. 1elemen AB
  2. 2elemen BC
  3. 3elemen CD
  4. 4elemen DE
  5. 5elemen FG
  6. 6elemen GH
  7. 7elemen AF
  8. 8elemen HE
  9. 9elemen BF
  10. 10elemen CG
  11. 11elemen DH
  12. 12elemen BG
  13. 13elemen DG
6.Rangka batang: metode titik buhulSulit
ABBCACACB25 kN5 kN6 m2 m2 m

Gunakan metode titik buhul untuk mencari gaya FAB pada batang AB. Nyatakan tarik positif dan tekan negatif.

bentang = 6 mtinggi = 2 mB berjarak 2 m dari Abeban vertikal = 25 kNbeban horizontal = 5 kN →
FAB = kN
7.Rangka & mesinSedang
4 kN3,2 m1,8 m2,7 mABCDE

Rangka-A yang ditunjukkan berdiri di atas pin di A dan rol di B, berjarak 3,2 m. Kaki-kakinya bertemu di pin C, setinggi 4,5 m, dan tali pengikat horizontal DE berada 1,8 m di atas tanah. Beban 4 kN bekerja di C. Cari besar gaya C yang dikerjakan pin C pada kaki BC.

P = 4 kNAB = 3,2 mtinggi C = 4,5 mtinggi DE = 1,8 m
C = kN
8.Rangka & mesinSulit
10 kN3 kN2 m4 mABC

Sebuah boom horizontal seragam AB dengan berat 3 kN dipasang dengan pin pada dinding di A dan ditahan oleh kabel dari ujungnya B ke titik C pada dinding, 4 m di atas A. Beban 10 kN tergantung di B. Cari tarikan T pada kabel.

W = 10 kNWb = 3 kNAB = 2 mAC = 4 m
T = kN
9.Gaya geser & momen lenturSedang
w = 10 kN/mABpotongan9 m1 m

Cari momen lentur Mx pada potongan x = 9 m dari tumpuan A. Anggap positif momen yang membuat serat bawah tertarik dan gaya geser ke atas pada muka kiri.

L = 10 mw = 10 kN/m dari 0 sampai 10 mx = 9 m
Mx = kN·m
10.Gaya geser & momen lenturSulit
w = 6 kN/mAB3 m3 m

Balok sederhana menahan beban merata pada sebagian bentangnya. Cari jarak x0 dari A ke potongan tempat momen lentur paling besar.

L = 6 mw = 6 kN/m dari 3 sampai 6 m
x0 = m
11.Titik berat & momen inersiaSedang
160440126xdimensi dalam mm

Profil I simetris memiliki sayap selebar 160 mm dan setebal 12 mm, tinggi total 440 mm, dan badan setebal 6 mm. Cari modulus penampang elastisnya Sx untuk lentur terhadap sumbu titik berat horizontal x.

B = 160 mmH = 440 mmtf = 12 mmtw = 6 mm
Sx = × 10³ mm³
12.Titik berat & momen inersiaSulit
1001524016xM = 5 kN·mdimensi dalam mm

Penampang T dipakai sebagai balok dengan sayap di atas dan menahan momen lentur positif 5 kN·m. Cari besar tegangan lentur σatas di tepi atas.

bf = 100 mmtf = 15 mmtw = 16 mmhw = 240 mmM = 5 kN·m
σatas = MPa

3Larutan

1.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: k = −13,5

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.

Hasil kali titik sama dengan nol

a·b = (−3)·(−3) + 2·k + (−3)·(−6) = 0
27 + 2·k = 0

Selesaikan untuk k

k = −27/2 = −13,5

Jawaban

k = −13,5
2.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: n̂y = −0,2722

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.

Hasil kali silang

(a × b)x = aybz − azby = (−2)·(−1) − (−1)·(−4) = −2
(a × b)y = azbx − axbz = (−1)·(−1) − 3·(−1) = 4
(a × b)z = axby − aybx = 3·(−4) − (−2)·(−1) = −14

Normalkan

Komponen z dari a × b negatif, jadi gunakan −(a × b).

|a × b| = √((−2)² + 4² + (−14)²) = 14,7
n̂ = −(−2, 4, −14)/14,7 = (0,1361, −0,2722, 0,9526)
n̂y = −0,2722

Jawaban

n̂y = −0,2722
3.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RA = 38,57 kN

Kesetimbangan statis: benda yang diam memenuhi ΣFx = 0, ΣFy = 0, dan ΣM = 0 terhadap titik mana pun. Ganti setiap beban merata dengan resultannya (luasnya) yang bekerja di titik berat diagram beban, dan ambil momen terhadap satu tumpuan untuk menghilangkan reaksi tumpuan itu dari persamaan.

Momen terhadap A

Berlawanan arah jarum jam positif.

ΣMA = 0: RB·7 = 80·1 + 70·10
RB = 780/7 = 111,4 kN

Kesetimbangan vertikal

RA = 80 + 70 − 111,4 = 38,57 kN

Jawaban

RA = 38,57 kN
4.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RB = 4,167 kN

Kesetimbangan statis: benda diam memenuhi ΣFx = 0, ΣFy = 0, dan ΣM = 0 terhadap titik mana pun. Mengambil momen terhadap satu tumpuan menghilangkan reaksi tumpuan itu dari persamaan.

w = 2 kN/mP = 20 kNABRA​RB​1 m1 m1 m3 m

Diagram benda bebas

Ganti tumpuan dengan gaya reaksi. Rol memberi satu reaksi vertikal; dengan beban vertikal saja, sendi juga memberi satu reaksi vertikal.

Kesetimbangan

Momen terhadap A, positif berlawanan arah jarum jam. Lalu kesetimbangan gaya vertikal.

Resultan beban merata: W = w·ℓ = 2·1 = 2 kN, bekerja di x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·6 = 20·1 + 2·1·2,5
RB = 25/6 = 4,167 kN
ΣFy = 0: RA = 22 − 4,167 = 17,83 kN

Jawaban

RB = 4,167 kN
5.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: elemen CG

Elemen gaya-nol: pada simpul, gaya-gaya harus seimbang ke segala arah. Jika simpul tidak memiliki beban dan tumpuan, dan dua dari tiga elemennya segaris, maka keseimbangan melintang garis itu hanya melibatkan elemen ketiga, sehingga gayanya nol. Jika hanya dua elemen bertemu di simpul tak berbeban dan keduanya tidak segaris, keduanya nol.

Simpul C

BC dan CD terletak pada satu garis lurus dan simpul tidak membawa beban. Menyeimbangkan gaya melintang garis itu hanya menyisakan CG.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Periksa dengan metode simpul

Menyelesaikan semua simpul memberikan gaya elemen berikut (T = tarik, C = tekan).

AB: 2,812 kN (T), BC: 5,625 kN (T), CD: 5,625 kN (T), DE: 8,437 kN (T), FG: 2,812 kN (C), GH: 8,437 kN (C), AF: 4,688 kN (C), HE: 14,06 kN (C), BF: 3,75 kN (T), CG: 0, DH: 3,75 kN (C), BG: 4,688 kN (C), DG: 4,688 kN (T)

Jawaban

Elemen gaya-nol: CG
6.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: FAB = −21,21 kN

Metode titik buhul: setiap titik buhul rangka berada dalam kesetimbangan, jadi ΣFx = 0 dan ΣFy = 0 di setiap titik buhul. Mulai dari titik buhul dengan paling banyak dua gaya batang tak diketahui. Hasil negatif berarti batang mengalami tekan.

ABBCACACB25 kN5 kNAy​Cy​Ax​

Reaksi tumpuan

Kesetimbangan seluruh rangka. Momen terhadap A, positif berlawanan arah jarum jam.

ΣMA = 0: Cy·6 = 25·2 + 5·2 → Cy = 10 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 10 = 15 kN
ΣFx = 0: Ax = −5 kN

Titik buhul A

Anggap setiap batang mengalami tarik (menarik menjauhi titik buhul). Hanya AB yang punya komponen vertikal di A.

sin α = 2/2,828 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −15/0,7071 = −21,21 kN

Jawaban

FAB = −21,21 kN (tekan)
7.Rangka & mesin

Jawaban: C = 2,325 kN

Rangka dan mesin: tidak seperti rangka batang, sebuah rangka (frame) memiliki sekurang-kurangnya satu batang yang menahan gaya di lebih dari dua titik, atau beban di antara pin-nya. Pertama cari batang dua gaya: batang yang hanya dibebani pada dua pin memiliki gaya sepanjang garis melalui keduanya, sehingga menambah satu besaran tak diketahui, bukan dua. Lalu gunakan seluruh struktur untuk reaksi tumpuan bila tidak ada lebih dari tiga besaran tak diketahui. Terakhir bongkar rangkanya: gambar setiap batang sendiri-sendiri, dengan gaya pin yang sama besar dan berlawanan arah pada kedua batang yang dihubungkannya, dan tuliskan ΣFx = 0, ΣFy = 0, dan ΣM = 0 untuknya. Mengambil momen terhadap sebuah pin menghilangkan kedua komponen gaya pin itu dari persamaan.

Gaya tali pengikat dari kaki BC

By = 2 kN
T = 2·1,6/2,7 = 1,185 kN

Komponen gaya pin pada BC

Cx = T = 1,185 kN, Cy = −By = −2 kN

Besar

C = √(1,185² + 2²) = 2,325 kN

Jawaban

C = 2,325 kN
8.Rangka & mesin

Jawaban: T = 12,86 kN

Rangka dan mesin: tidak seperti rangka batang, sebuah rangka (frame) memiliki sekurang-kurangnya satu batang yang menahan gaya di lebih dari dua titik, atau beban di antara pin-nya. Pertama cari batang dua gaya: batang yang hanya dibebani pada dua pin memiliki gaya sepanjang garis melalui keduanya, sehingga menambah satu besaran tak diketahui, bukan dua. Lalu gunakan seluruh struktur untuk reaksi tumpuan bila tidak ada lebih dari tiga besaran tak diketahui. Terakhir bongkar rangkanya: gambar setiap batang sendiri-sendiri, dengan gaya pin yang sama besar dan berlawanan arah pada kedua batang yang dihubungkannya, dan tuliskan ΣFx = 0, ΣFy = 0, dan ΣM = 0 untuknya. Mengambil momen terhadap sebuah pin menghilangkan kedua komponen gaya pin itu dari persamaan.

Sudut kabel

BC = √(2² + 4²) = 4,472 m, sin β = 0,8944

Momen terhadap A

T·0,8944·2 = 10·2 + 3·1
T = 12,86 kN

Jawaban

T = 12,86 kN
9.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: Mx = 45 kN·m

Metode potongan: potong balok di tempat gaya dalam yang ingin dicari dan ambil satu sisi. Gaya geser V mengimbangi gaya vertikal di sisi itu, dan momen lentur M mengimbangi momennya terhadap potongan.

Reaksi tumpuan

Kesetimbangan seluruh balok.

Resultan beban merata: W = w·ℓ = 10·10 = 100 kN, bekerja di x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 10·10·5
RB = 500/10 = 50 kN
ΣFy = 0: RA = 100 − 50 = 50 kN
w = 10 kN/mABRA​ = 50RB​ = 50potongan9 m1 m

Potong di x = 9 m dan ambil bagian kiri

Hanya gaya di kiri potongan yang diperhitungkan. Bagian beban merata bekerja sebagai satu gaya di tengah bagian itu.

M = RA·x − (setiap beban di kiri potongan × jaraknya ke potongan)
Mx = 50·9 − 10·9·4,5 = 45 kN·m

Jawaban

Mx = 45 kN·m
10.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: x0 = 3,75 m

Metode potongan: potong balok di tempat gaya dalam yang ingin dicari dan ambil satu sisi. Gaya geser V mengimbangi gaya vertikal di sisi itu, dan momen lentur M mengimbangi momennya terhadap potongan. Momen maksimum: karena dM/dx = V, momen lentur mencapai puncaknya di tempat gaya geser melewati nol, baik di beban terpusat maupun di dalam beban merata.

Reaksi tumpuan

Kesetimbangan seluruh balok.

Resultan beban merata: W = w·ℓ = 6·3 = 18 kN, bekerja di x̄ = 4,5 m
ΣMA = 0: RB·6 = 6·3·4,5
RB = 81/6 = 13,5 kN
ΣFy = 0: RA = 18 − 13,5 = 4,5 kN

Gaya geser nol

Gaya geser mulai dari RA, tetap konstan di bagian yang tidak dibebani, dan turun dengan kemiringan w di dalam beban.

RA − w·(x0 − 3) = 0
x0 = 3 + 4,5/6 = 3,75 m

Jawaban

x0 = 3,75 m
11.Titik berat & momen inersia

Jawaban: Sx = 963,2 × 10³ mm³

Momen inersia penampang: untuk persegi panjang terhadap sumbu titik beratnya sendiri I = bh³/12, dan terhadap alasnya bh³/3 (teorema sumbu sejajar I = Ic + A·d²). Lubang diperhitungkan dengan mengurangkan I-nya, asalkan kedua bagian memakai sumbu yang sama. Modulus penampang elastis adalah S = I/c, dengan c jarak ke serat terluar.

Persegi panjang luar dikurangi dua potongan samping

Kedua potongan bersama-sama selebar (B − tw) dan setinggi hw = H − 2tf, dan memakai sumbu x yang sama.

hw = 440 − 2·12 = 416 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (160·440³ − 154·416³)/12
Ix = 2,119 × 10⁸ mm⁴

Modulus penampang

c = H/2 = 220 mm
Sx = I/c = 2,119 × 10⁸/220
Sx = 963174 mm³ = 963,2 × 10³ mm³

Jawaban

Sx = 963,2 × 10³ mm³
12.Titik berat & momen inersia

Jawaban: σatas = 13,78 MPa

Luas gabungan: bagi penampang menjadi persegi panjang. Titik berat adalah rata-rata berbobot luas ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Momen inersia terhadap sumbu titik berat menjumlahkan bh³/12 masing-masing bagian dan suku sumbu sejajar A·d², dengan d jarak titik berat bagian ke titik berat keseluruhan. Tegangan lentur σ = M·y/I.

Bagi menjadi dua persegi panjang

Ukur setiap y dari tepi bawah.

sayap: Af = 100·15 = 1500 mm², yf = 240 + 15/2 = 247,5 mm
badan: Aw = 16·240 = 3840 mm², yw = 240/2 = 120 mm

Titik berat

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (1500·247,5 + 3840·120)/5340 = 155,8 mm

Teorema sumbu sejajar

sayap: 100·15³/12 + 1500·(247,5 − 155,8)² = 1,264 × 10⁷ mm⁴
badan: 16·240³/12 + 3840·(120 − 155,8)² = 2,336 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,264 × 10⁷ + 2,336 × 10⁷ = 3,599 × 10⁷ mm⁴

Tegangan lentur

Tepi atas berjarak h − ȳ dari sumbu.

y = 255 − 155,8 = 99,19 mm
σ = M·y/I = 5 × 10⁶·99,19/3,599 × 10⁷ = 13,78 MPa

Jawaban

σatas = 13,78 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics