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 proyeksi skalar compb a dari a = (2, −1, 2) pada b = (4, −4, 0), yaitu komponen a searah b.

a = (2, −1, 2)b = (4, −4, 0)
compb a =
2.Vektor: hasil kali titik & silangSulit
xyzab

Untuk a = (−3, 4, 4) dan b = (−3, −5, −2), tentukan komponen x (a × b)x dari hasil kali silang a × b.

a = (−3, 4, 4)b = (−3, −5, −2)
(a × b)x =
3.Reaksi tumpuan balokSedang
P = 30 kNM = 60 kN·mABRA​ = ?3 m1 m1 m

Balok sederhana memiliki tumpuan sendi di A dan rol di B. Balok menahan beban terpusat P pada 4 m dari A dan kopel searah jarum jam M pada 3 m dari A. Cari reaksi vertikal RA, dengan arah ke atas positif.

L = 5 mP = 30 kN di 4 mM = 60 kN·m (searah jarum jam) di 3 m
RA = kN
4.Reaksi tumpuan balokSulit
w = 8 kN/mP = 30 kNABCRB​ = ?1 m5 m4 m

Balok memiliki tumpuan sendi di A dan rol di B, 6 m dari A, dan menjorok (overstek) melewati B hingga ujung bebas C. Balok menahan beban terpusat P pada 1 m dari A dan beban merata w dari 6 m sampai ujung bebas di 10 m. Cari reaksi vertikal RB, dengan arah ke atas positif.

AB = 6 mAC = 10 mP = 30 kN di 1 mw = 8 kN/m dari 6 sampai 10 m
RB = kN
5.Rangka batang: metode titik buhulSedang
ABBCACACB35 kN8 m6 m2 m

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

bentang = 8 mtinggi = 2 mB berjarak 6 m dari Abeban vertikal = 35 kN
FAC = kN
6.Rangka batang: metode titik buhulSulit
ABCDEFGH30 kN30 kN40 kN10 kN35 kN4 × 4 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.

C: 30 kN ↓D: 30 kN ↓F: 40 kN ↓F: 10 kN →G: 35 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
7.Rangka & mesinSedang
10 kN3 m2 m1,35 mABCK

Rangka yang ditunjukkan memiliki pin di A, B, dan C; A dan C dipasang pada tanah berjarak 3 m, dan B berada 2 m di atas tanah dan 1,35 m di kanan A. Beban vertikal 10 kN bekerja pada batang AB di K, 0,54 m (secara horizontal) dari A. Cari gaya FBC pada batang BC.

P = 10 kNL = 3 mH = 2 mjarak horizontal A ke B = 1,35 mjarak horizontal A ke K = 0,54 m
FBC = kN
8.Rangka & mesinSulit
4 kN4,8 m0,8 m2,2 mABCDE

Rangka-A yang ditunjukkan berdiri di atas pin di A dan rol di B, berjarak 4,8 m. Kaki-kakinya bertemu di pin C, setinggi 3 m, dan diikat oleh batang horizontal DE pada 0,8 m. Gaya horizontal 4 kN ke kanan bekerja di C. Cari tarikan T pada tali pengikat.

P = 4 kNAB = 4,8 mtinggi C = 3 mtinggi DE = 0,8 m
T = kN
9.Gaya geser & momen lenturSedang
5 kN/m20 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.

20 kN @ 5 m5 kN/m, 2–6 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 = 12 kN/mAB4 m1 m

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

L = 5 mw = 12 kN/m dari 0 sampai 4 m
x0 = m
11.Titik berat & momen inersiaSedang
2203028018xdimensi dalam mm

Cari momen inersia Ix penampang T terhadap sumbu horizontal x yang melalui titik beratnya.

bf = 220 mmtf = 30 mmtw = 18 mmhw = 280 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersiaSulit
140152008xM = 15 kN·mdimensi dalam mm

Penampang T dipakai sebagai balok dengan sayap di atas dan menahan momen lentur positif 15 kN·m. Cari tegangan lentur σbawah di tepi bawah.

bf = 140 mmtf = 15 mmtw = 8 mmhw = 200 mmM = 15 kN·m
σbawah = MPa

3Larutan

1.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: compb a = 2,121

Perkalian titik: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, sebuah skalar. Perkalian ini memberi sudut antara dua vektor, cos θ = a·b/(|a|·|b|), dan bernilai nol jika keduanya tegak lurus. Proyeksi skalar a pada b adalah a·b/|b|, dan gaya konstan F yang bergerak sejauh perpindahan d melakukan usaha W = F·d.

Hasil kali titik

a·b = 2·4 + (−1)·(−4) + 2·0 = 12

Panjang b

|b| = √(4² + (−4)² + 0²) = 5,657

Proyeksi skalar

compb a = a·b/|b| = 12/5,657 = 2,121

Jawaban

compb a = 2,121
2.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: (a × b)x = 12

Perkalian silang: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) tegak lurus terhadap kedua vektor, dan |a × b| = |a|·|b|·sin θ adalah luas jajar genjang yang direntang keduanya (segitiganya setengah dari itu). Urutan berpengaruh: b × a = −(a × b). Momen gaya F yang bekerja di titik A terhadap titik O adalah MO = r × F, dengan r = A − O.

Hasil kali silang, komponen demi komponen

(a × b)x = aybz − azby = 4·(−2) − 4·(−5) = 12
(a × b)y = azbx − axbz = 4·(−3) − (−3)·(−2) = −18
(a × b)z = axby − aybx = (−3)·(−5) − 4·(−3) = 27

Komponen yang diminta

(a × b)x = 12

Jawaban

(a × b)x = 12

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 = −6 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·5 − 30·4 − 60 = 0
RB = 180/5 = 36 kN

Kesetimbangan vertikal

RA = 30 − 36 = −6 kN

Jawaban

RA = −6 kN

Reaksi negatif bekerja ke bawah.

4.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RB = 47,67 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.

Resultan beban merata

W = 8·4 = 32 kN, x̄ = (6 + 10)/2 = 8 m

Kesetimbangan

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

ΣMA = 0: RB·6 = 30·1 + 32·8
RB = 286/6 = 47,67 kN
RA = 62 − 47,67 = 14,33 kN

Jawaban

RB = 47,67 kN
5.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: FAC = 26,25 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.

ABBCACACB35 kNAy​Cy​

Reaksi tumpuan

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 35·6 → Cy = 26,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 26,25 = 8,75 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 = 2/2,828 = 0,7071, cos γ = 2/2,828 = 0,7071
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −26,25/0,7071 = −37,12 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−37,12)·0,7071 = 26,25 kN

Jawaban

FAC = 26,25 kN (tarik)
6.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: elemen BF

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 B

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

ΣF⊥ = 0 → FBF = 0

Periksa dengan metode simpul

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

AB: 77,5 kN (T), BC: 77,5 kN (T), CD: 67,5 kN (T), DE: 67,5 kN (T), FG: 105 kN (C), GH: 105 kN (C), AF: 95,46 kN (C), HE: 95,46 kN (C), BF: 0, CG: 35 kN (C), DH: 30 kN (T), FC: 38,89 kN (T), HC: 53,03 kN (T)

Jawaban

Elemen gaya-nol: BF
7.Rangka & mesin

Jawaban: FBC = 2,334 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 = √(1,65² + 2²) = 2,593 m

Seluruh rangka: momen terhadap A

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

FBC·(2/2,593)·3 = 10·0,54
FBC = 2,334 kN (tekan)

Jawaban

FBC = 2,334 kN
8.Rangka & mesin

Jawaban: T = 2,727 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.

Seluruh rangka: momen terhadap A

By·4,8 = 4·3
By = 2,5 kN

Kaki BC: momen terhadap C

2,5·2,4 = T·2,2
T = 2,727 kN

Jawaban

T = 2,727 kN

T positif berarti tali pengikat mengalami tarik, seperti yang diasumsikan.

9.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: E (x = 4 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 = 10 kN, R2 = 30 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 = 10, MC = 20, MD = 27,5, ME = 30 kN·m, MF = 27,5, MG = 0

Jawaban

Tanda E: ME = 30 kN·m
10.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: x0 = 2,4 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 = 12·4 = 48 kN, bekerja di x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·5 = 12·4·2
RB = 96/5 = 19,2 kN
ΣFy = 0: RA = 48 − 19,2 = 28,8 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 − 0) = 0
x0 = 0 + 28,8/12 = 2,4 m

Jawaban

x0 = 2,4 m
11.Titik berat & momen inersia

Jawaban: Ix = 102,1 × 10⁶ mm⁴

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 = 220·30 = 6600 mm², yf = 280 + 30/2 = 295 mm
badan: Aw = 18·280 = 5040 mm², yw = 280/2 = 140 mm

Titik berat

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (6600·295 + 5040·140)/11640 = 227,9 mm

Teorema sumbu sejajar

sayap: 220·30³/12 + 6600·(295 − 227,9)² = 3,022 × 10⁷ mm⁴
badan: 18·280³/12 + 5040·(140 − 227,9)² = 7,186 × 10⁷ mm⁴
Ix = 3,022 × 10⁷ + 7,186 × 10⁷ = 1,021 × 10⁸ mm⁴ = 102,1 × 10⁶ mm⁴

Jawaban

Ix = 102,1 × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersia

Jawaban: σbawah = 152,2 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 = 140·15 = 2100 mm², yf = 200 + 15/2 = 207,5 mm
badan: Aw = 8·200 = 1600 mm², yw = 200/2 = 100 mm

Titik berat

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2100·207,5 + 1600·100)/3700 = 161 mm

Teorema sumbu sejajar

sayap: 140·15³/12 + 2100·(207,5 − 161)² = 4,577 × 10⁶ mm⁴
badan: 8·200³/12 + 1600·(100 − 161)² = 1,129 × 10⁷ mm⁴
Ix = 4,577 × 10⁶ + 1,129 × 10⁷ = 1,587 × 10⁷ mm⁴

Tegangan lentur

Tepi bawah berjarak ȳ dari sumbu.

y = 161 mm
σ = M·y/I = 1,5 × 10⁷·161/1,587 × 10⁷ = 152,2 MPa

Jawaban

σbawah = 152,2 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics