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 = (−6, 6, 4) dan b = (−1, k, −5) saling tegak lurus.

a = (−6, 6, 4)b = (−1, k, −5)
k =
2.Vektor: hasil kali titik & silangSulit
xyzab

Untuk a = (0, −3, 3) dan b = (1, −6, 6), tentukan komponen y (a × b)y dari hasil kali silang a × b.

a = (0, −3, 3)b = (1, −6, 6)
(a × b)y =
3.Reaksi tumpuan balokSedang
P1​ = 20 kNP2​ = 80 kNABCRA​ = ?1 m2,5 m1,5 m

Balok memiliki tumpuan sendi di A dan rol di B, 3,5 m dari A, dan menjorok (overstek) melewati B hingga ujung bebas C. Cari reaksi vertikal RA, dengan arah ke atas positif.

AB = 3,5 mAC = 5 mP1 = 20 kN di 1 mP2 = 80 kN di 5 m
RA = kN
4.Reaksi tumpuan balokSulit
w = 4 kN/mP = 15 kNABRA​ = ?RB​4 m1 m1 m

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

L = 6 mP = 15 kN di 4 mw = 4 kN/m dari 4 sampai 5 m
RA = kN
5.Rangka batang: metode titik buhulSedang
ABCDEFGH10 kN40 kN35 kN25 kN4 × 3 m3 m

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

B: 10 kN ↓C: 40 kN ↓D: 35 kN ↓F: 25 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 FC
  13. 13elemen HC
6.Rangka batang: metode titik buhulSulit
ABBCACACB10 kN10 kN4 m3 m3 m

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

bentang = 4 mtinggi = 3 mB berjarak 3 m dari Abeban vertikal = 10 kNbeban horizontal = 10 kN →
FBC = kN
7.Rangka & mesinSedang
4 kN5 m2 m3 mABCK

Rangka yang ditunjukkan memiliki pin di A, B, dan C; A dan C dipasang pada tanah berjarak 5 m, dan B berada 2 m di atas tanah dan 3 m di kanan A. Beban vertikal 4 kN bekerja pada batang AB di K, 2,25 m (secara horizontal) dari A. Cari gaya FBC pada batang BC.

P = 4 kNL = 5 mH = 2 mjarak horizontal A ke B = 3 mjarak horizontal A ke K = 2,25 m
FBC = kN
8.Rangka & mesinSulit
6 kN10 kN3 m2,5 m0,9 mABCK

Rangka yang ditunjukkan memiliki pin di A, B, dan C; A dan C dipasang pada tanah berjarak 3 m, dan B setinggi 2,5 m dan 0,9 m di kanan A. Batang AB memikul beban vertikal 6 kN di K, 0,675 m (secara horizontal) dari A, dan beban horizontal 10 kN ke kanan bekerja di B pada batang AB. Cari besar reaksi horizontal Ax di A.

P = 6 kNQ = 10 kNL = 3 mH = 2,5 mjarak horizontal A ke B = 0,9 mjarak horizontal A ke K = 0,675 m
Ax = kN
9.Gaya geser & momen lenturSedang
15 kN/m40 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

Tanda A sampai G membagi balok menjadi enam bagian yang sama. Pada tanda mana momen lenturnya terbesar dalam ukuran, positif atau negatif? Klik pada diagram.

40 kN @ 3 m15 kN/m, 1–4 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
10.Gaya geser & momen lenturSulit
w = 6 kN/mP = 45 kNABpotongan2,5 m2,5 m

Cari momen lentur Mx pada potongan x = 2,5 m dari tumpuan A. Anggap positif momen yang membuat serat bawah tertarik dan gaya geser ke atas pada muka kiri.

L = 5 mP = 45 kN di 2,5 mw = 6 kN/m dari 0 sampai 5 mx = 2,5 m
Mx = kN·m
11.Titik berat & momen inersiaSedang
150 mm300 mm105 mmØ50xIx​ = ?

Sebuah pelat 150 mm × 300 mm memiliki lubang lingkaran berdiameter 50 mm pada garis tengah vertikalnya, dengan pusat 105 mm di atas dasar. Cari momen inersia luas Ix terhadap sumbu horizontal melalui titik berat.

b = 150 mmh = 300 mmd = 50 mmpusat lubang: y = 105 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersiaSulit
1203010020xM = 25 kN·mdimensi dalam mm

Penampang T dipakai sebagai balok dengan sayap di atas dan menahan momen lentur positif 25 kN·m. Cari besar tegangan lentur σatas di tepi atas.

bf = 120 mmtf = 30 mmtw = 20 mmhw = 100 mmM = 25 kN·m
σatas = MPa

3Larutan

1.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: k = 2,333

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 = (−6)·(−1) + 6·k + 4·(−5) = 0
−14 + 6·k = 0

Selesaikan untuk k

k = −(−14)/6 = 2,333

Jawaban

k = 2,333
2.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: (a × b)y = 3

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, komponen demi komponen

(a × b)x = aybz − azby = (−3)·6 − 3·(−6) = 0
(a × b)y = azbx − axbz = 3·1 − 0·6 = 3
(a × b)z = axby − aybx = 0·(−6) − (−3)·1 = 3

Komponen yang diminta

(a × b)y = 3

Jawaban

(a × b)y = 3

Periksa: a × b tegak lurus terhadap kedua vektor, jadi hasil kali titiknya dengan a dan dengan b adalah nol.

3.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RA = −20 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·3,5 = 20·1 + 80·5
RB = 420/3,5 = 120 kN

Kesetimbangan vertikal

RA = 20 + 80 − 120 = −20 kN

Jawaban

RA = −20 kN

RA negatif: sendi di A harus menahan balok agar tidak terangkat.

4.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RA = 6 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 = 4 kN/mP = 15 kNABRA​RB​4 m1 m1 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 = 4·1 = 4 kN, bekerja di x̄ = 4,5 m
ΣMA = 0: RB·6 = 15·4 + 4·1·4,5
RB = 78/6 = 13 kN
ΣFy = 0: RA = 19 − 13 = 6 kN

Jawaban

RA = 6 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 G

FG dan GH 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: 55 kN (T), BC: 55 kN (T), CD: 55 kN (T), DE: 55 kN (T), FG: 75 kN (C), GH: 75 kN (C), AF: 77,78 kN (C), HE: 77,78 kN (C), BF: 10 kN (T), CG: 0, DH: 35 kN (T), FC: 28,28 kN (T), HC: 28,28 kN (T)

Jawaban

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

Jawaban: FBC = −15,81 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.

ABBCACACB10 kN10 kNAy​Cy​Ax​

Reaksi tumpuan

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 10·3 + 10·3 → Cy = 15 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 15 = −5 kN
ΣFx = 0: Ax = −10 kN

Titik buhul C

Rol hanya memberi reaksi vertikal, jadi titik buhul C hanya punya dua gaya batang tak diketahui. Anggap keduanya tarik.

sin γ = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −15/0,9487 = −15,81 kN

Jawaban

FBC = −15,81 kN (tekan)
7.Rangka & mesin

Jawaban: FBC = 2,546 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.

Batang dua gaya BC

BC = √(2² + 2²) = 2,828 m

Seluruh rangka: momen terhadap A

Tanah mendorong BC di C sepanjang CB; komponen horizontalnya melalui A, hanya yang vertikal yang memiliki momen.

FBC·(2/2,828)·5 = 4·2,25
FBC = 2,546 kN (tekan)

Jawaban

FBC = 2,546 kN
8.Rangka & mesin

Jawaban: Ax = 1,866 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.

Arah BC

BC = 3,265 m, cos = 0,6432, sin = 0,7657

Seluruh rangka: momen terhadap A

FBC·0,7657·3 = 6·0,675 + 10·2,5
FBC = 12,65 kN

Keseimbangan horizontal

Ax + 10 − 12,65·0,6432 = 0
Ax = −1,866 kN → |Ax| = 1,866 kN

Jawaban

Ax = 1,866 kN

Tanda minus berarti Ax mengarah ke kiri.

9.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: D (x = 3 m)

Momen lentur terbesar: kemiringan M berubah di mana pun gaya geser berubah, sehingga puncaknya berada di tempat gaya geser memotong nol: di bawah beban terpusat, di dalam beban merata, atau di atas tumpuan pada balok dengan kantilever. Pada tumpuan jepit kantilever momen terbesar berada di dinding. Bandingkan besar M pada tempat-tempat itu, positif (sagging) atau negatif (hogging).

Reaksi tumpuan

Ambil momen terhadap satu tumpuan, lalu pakai keseimbangan gaya vertikal.

R1 = 46,25 kN, R2 = 38,75 kN

Momen lentur pada setiap tanda

Jumlahkan momen semua gaya pada satu sisi potongan. Positif (sagging) adalah positif, negatif (hogging) adalah negatif.

MA = 0, MB = 46,25, MC = 85, MD = 108,8 kN·m, ME = 77,5, MF = 38,75, MG = 0

Jawaban

Tanda D: MD = 108,8 kN·m
10.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: Mx = 75 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 = 6·5 = 30 kN, bekerja di x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 45·2,5 + 6·5·2,5
RB = 187,5/5 = 37,5 kN
ΣFy = 0: RA = 75 − 37,5 = 37,5 kN
w = 6 kN/mP = 45 kNABRA​ = 37,5RB​ = 37,5potongan2,5 m2,5 m

Potong di x = 2,5 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 = 37,5·2,5 − 6·2,5·1,25 = 75 kN·m

Jawaban

Mx = 75 kN·m
11.Titik berat & momen inersia

Jawaban: Ix = 333 × 10⁶ mm⁴

Penampang berlubang: perlakukan lubang sebagai luas negatif. Titik berat adalah ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), dengan A₁, y₁ untuk pelat penuh dan A₂, y₂ untuk lubang. Untuk momen inersia luas terhadap sumbu titik berat, gunakan teorema sumbu sejajar untuk setiap bagian lalu kurangkan lubangnya: I = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), dengan d jarak dari titik berat masing-masing bagian ke sumbu yang melalui ȳ. Persegi panjang memiliki Ic = bh³/12 dan lingkaran Ic = πd⁴/64.

Titik berat

ȳ = (45000·150 − 1963·105)/(45000 − 1963) = 152,1 mm

Pelat penuh terhadap ȳ

150·300³/12 + 45000·−2,053² = 337,7 × 10⁶ mm⁴

Lubang terhadap ȳ

π·50⁴/64 + 1963·−47,05² = 4,654 × 10⁶ mm⁴

Kurangkan

Ix = 333 × 10⁶ mm⁴

Jawaban

Ix = 333 × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersia

Jawaban: σatas = 129,6 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 = 120·30 = 3600 mm², yf = 100 + 30/2 = 115 mm
badan: Aw = 20·100 = 2000 mm², yw = 100/2 = 50 mm

Titik berat

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3600·115 + 2000·50)/5600 = 91,79 mm

Teorema sumbu sejajar

sayap: 120·30³/12 + 3600·(115 − 91,79)² = 2,21 × 10⁶ mm⁴
badan: 20·100³/12 + 2000·(50 − 91,79)² = 5,159 × 10⁶ mm⁴
Ix = 2,21 × 10⁶ + 5,159 × 10⁶ = 7,369 × 10⁶ mm⁴

Tegangan lentur

Tepi atas berjarak h − ȳ dari sumbu.

y = 130 − 91,79 = 38,21 mm
σ = M·y/I = 2,5 × 10⁷·38,21/7,369 × 10⁶ = 129,6 MPa

Jawaban

σatas = 129,6 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics