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
xyzdFAB

Gaya konstan F = (−25, −30, 10) N bekerja pada sebuah benda yang bergerak lurus dari titik A(1, 1, −2) ke titik B(5, 3, −2). Koordinat dalam meter. Tentukan usaha W yang dilakukan gaya itu.

F = (−25, −30, 10) NA(1, 1, −2) mB(5, 3, −2) m
W = J
2.Vektor: hasil kali titik & silangSulit
xyzab

Tentukan luas A jajar genjang yang direntang oleh a = (−5, −1, −3) dan b = (4, 5, 6).

a = (−5, −1, −3)b = (4, 5, 6)
A =
3.Reaksi tumpuan balokSedang
w = 2 kN/mP = 50 kNABMA​ = ?3,5 m1 m1,5 m

Balok kantilever dijepit ke dinding di A. Balok menahan beban merata w dari dinding sampai 4,5 m dan beban terpusat P pada 3,5 m dari dinding. Cari besar momen reaksi MA di dinding.

L = 6 mP = 50 kN di 3,5 mw = 2 kN/m dari 0 sampai 4,5 m
MA = kN·m
4.Reaksi tumpuan balokSulit
w = 4 kN/mP = 60 kNADCMA​ = ?3 m3 m2 m

Sebuah balok majemuk dijepit ke dinding di A, memiliki sendi dalam di C (3 m dari A), dan bertumpu pada rol di D (8 m dari A). Balok menahan beban terpusat P pada 6 m dari A, beban merata w di seluruh bagian CD. Cari besar momen reaksi MA di dinding.

AC = 3 mAD = 8 mP = 60 kN di 6 mw = 4 kN/m dari 3 sampai 8 m
MA = kN·m
5.Rangka batang: metode titik buhulSedang
ABBCACACB40 kN6 m4 m4 m

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

bentang = 6 mtinggi = 4 mB berjarak 4 m dari Abeban vertikal = 40 kN
FBC = kN
6.Rangka batang: metode titik buhulSulit
ABCDEFGH35 kN15 kN40 kN35 kN25 kN40 kN4 × 4 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: 35 kN ↓C: 15 kN ↓D: 40 kN ↓F: 35 kN ↓F: 25 kN →H: 40 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
5 kN3 m0,8 m1,6 mABCDE

Rangka-A yang ditunjukkan berdiri di atas pin di A dan rol di B, berjarak 3 m. Kaki-kakinya bertemu di pin C, setinggi 2,4 m, dan tali pengikat horizontal DE berada 0,8 m di atas tanah. Beban 5 kN bekerja di C. Cari besar gaya C yang dikerjakan pin C pada kaki BC.

P = 5 kNAB = 3 mtinggi C = 2,4 mtinggi DE = 0,8 m
C = kN
8.Rangka & mesinSulit
6 kN1,5 kN2 m3 mABC

Sebuah boom horizontal seragam AB dengan berat 1,5 kN dipasang dengan pin pada dinding di A dan ditahan oleh kabel dari ujungnya B ke titik C pada dinding, 3 m di atas A. Beban 6 kN tergantung di B. Cari tarikan T pada kabel.

W = 6 kNWb = 1,5 kNAB = 2 mAC = 3 m
T = kN
9.Gaya geser & momen lenturSedang
w = 6 kN/mP = 10 kNABpotongan2 m2 m

Kantilever dijepit di A. Kantilever menahan beban merata w di sepanjang batang dan beban terpusat P pada jarak 4 m dari A. Cari momen lentur Mx pada potongan x = 2 m dari tumpuan jepit A. Anggap positif momen yang membuat serat bawah tertarik dan gaya geser ke atas pada muka kiri.

L = 4 mP = 10 kN di 4 mw = 6 kN/m dari 0 sampai 4 mx = 2 m
Mx = kN·m
10.Gaya geser & momen lenturSulit
w = 4 kN/mP = 30 kNABpotongan2,5 m1,5 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 = 4 mP = 30 kN di 2,5 mw = 4 kN/m dari 0 sampai 4 mx = 2,5 m
Mx = kN·m
11.Titik berat & momen inersiaSedang
200 mm240 mm168 mmØ60xIx​ = ?

Sebuah pelat 200 mm × 240 mm memiliki lubang lingkaran berdiameter 60 mm pada garis tengah vertikalnya, dengan pusat 168 mm di atas dasar. Cari momen inersia luas Ix terhadap sumbu horizontal melalui titik berat.

b = 200 mmh = 240 mmd = 60 mmpusat lubang: y = 168 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersiaSulit
2401520020xM negatifdimensi dalam mm

Balok besi tuang memiliki penampang T seperti pada gambar, dengan sayap di atas. Tegangan izinnya 60 MPa untuk tarik dan 150 MPa untuk tekan. Cari momen lentur negatif terbesar Mallow yang dapat ditahan balok (nyatakan besarnya).

bf = 240 mmtf = 15 mmtw = 20 mmhw = 200 mmσt,allow = 60 MPaσc,allow = 150 MPa
Mallow = kN·m

3Larutan

1.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: W = −160 J

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.

Perpindahan

d = B − A = (5, 3, −2) − (1, 1, −2) = (4, 2, 0) m

Usaha

W = F·d = (−25)·4 + (−30)·2 + 10·0 = −160 J

Jawaban

W = −160 J

Usaha negatif: gaya sebagian besar bekerja melawan gerakan.

2.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: A = 29,09

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

(a × b)x = aybz − azby = (−1)·6 − (−3)·5 = 9
(a × b)y = azbx − axbz = (−3)·4 − (−5)·6 = 18
(a × b)z = axby − aybx = (−5)·5 − (−1)·4 = −21

Luas

A = |a × b| = √(9² + 18² + (−21)²) = 29,09

Jawaban

A = 29,09
3.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: MA = 195,3 kN·m

Kesetimbangan kantilever: tumpuan jepit dapat mendorong ke atas sekaligus menahan rotasi, jadi memberi reaksi vertikal RA dan momen reaksi MA. ΣFy = 0 memberi RA, dan momen terhadap dinding memberi MA = Σ(beban × jarak dari dinding). Beban merata bekerja sebagai resultannya di titik berat diagram beban.

Resultan beban merata

W = 2·4,5 = 9 kN, x̄ = 2,25 m

Momen terhadap dinding

MA = P·a + W·x̄ = 50·3,5 + 9·2,25 = 195,3 kN·m

Jawaban

MA = 195,3 kN·m
4.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: MA = 102 kN·m

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. Sendi dalam tidak dapat menahan momen lentur, sehingga memberi satu persamaan tambahan: momen terhadap sendi dari gaya-gaya di salah satu sisi sama dengan nol.

Bagian CD

Sendi tidak memiliki momen, jadi momen terhadap C pada CD saja harus seimbang.

W = 4·5 = 20 kN di 2,5 m dari C
ΣMC = 0: RD·5 = 60·3 + 20·2,5
RD = 46 kN
VC = 80 − 46 = 34 kN

Bagian AC

Gaya sendi VC bekerja ke bawah pada AC (sama besar dan berlawanan arah dengan aksinya pada CD).

RA = 34 = 34 kN
MA = 34·3 = 102 kN·m

Jawaban

MA = 102 kN·m
5.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: FBC = −29,81 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.

ABBCACACB40 kNAy​Cy​

Reaksi tumpuan

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 40·4 → Cy = 26,67 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 26,67 = 13,33 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 = 4/4,472 = 0,8944, cos γ = 2/4,472 = 0,4472
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −26,67/0,8944 = −29,81 kN

Jawaban

FBC = −29,81 kN (tekan)
6.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: 125,4 kN (T), BC: 125,4 kN (T), CD: 119,6 kN (T), DE: 119,6 kN (T), FG: 132,5 kN (C), GH: 132,5 kN (C), AF: 125,5 kN (C), HE: 149,5 kN (C), BF: 35 kN (T), CG: 0, DH: 40 kN (T), FC: 8,854 kN (T), HC: 16,15 kN (T)

Jawaban

Elemen gaya-nol: CG
7.Rangka & mesin

Jawaban: C = 3,427 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 = 2,5 kN
T = 2,5·1,5/1,6 = 2,344 kN

Komponen gaya pin pada BC

Cx = T = 2,344 kN, Cy = −By = −2,5 kN

Besar

C = √(2,344² + 2,5²) = 3,427 kN

Jawaban

C = 3,427 kN
8.Rangka & mesin

Jawaban: T = 8,112 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 + 3²) = 3,606 m, sin β = 0,8321

Momen terhadap A

T·0,8321·2 = 6·2 + 1,5·1
T = 8,112 kN

Jawaban

T = 8,112 kN
9.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: Mx = −32 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.

Ambil bagian ujung bebas

P: −10·2 = −20 kN·m
w: −6·2²/2 = −12 kN·m
Mx = −20 − 12 = −32 kN·m

Jawaban

Mx = −32 kN·m

Negatif berarti momen negatif: sisi atas tertarik.

10.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: Mx = 35,63 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 = 4·4 = 16 kN, bekerja di x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 30·2,5 + 4·4·2
RB = 107/4 = 26,75 kN
ΣFy = 0: RA = 46 − 26,75 = 19,25 kN
w = 4 kN/mP = 30 kNABRA​ = 19,25RB​ = 26,75potongan2,5 m1,5 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 = 19,25·2,5 − 4·2,5·1,25 = 35,63 kN·m

Jawaban

Mx = 35,63 kN·m
11.Titik berat & momen inersia

Jawaban: Ix = 222,8 × 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 = (48000·120 − 2827·168)/(48000 − 2827) = 117 mm

Pelat penuh terhadap ȳ

200·240³/12 + 48000·3,004² = 230,8 × 10⁶ mm⁴

Lubang terhadap ȳ

π·60⁴/64 + 2827·51² = 7,992 × 10⁶ mm⁴

Kurangkan

Ix = 222,8 × 10⁶ mm⁴

Jawaban

Ix = 222,8 × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersia

Jawaban: Mallow = 33,05 kN·m

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.

Titik berat

ȳ = (3600·207,5 + 4000·100)/7600 = 150,9 mm
tepi atas: c = 215 − 150,9 = 64,08 mm

Momen inersia penampang

I = 240·15³/12 + 3600·56,58² + 20·200³/12 + 4000·50,92² = 3,53 × 10⁷ mm⁴

Momen yang diizinkan tiap tepi

Momen negatif: sisi atas tertarik, sisi bawah tertekan.

tepi atas: M = 60·3,53 × 10⁷/64,08 = 33,05 kN·m
tepi bawah: M = 150·3,53 × 10⁷/150,9 = 35,08 kN·m

Nilai yang menentukan

Mallow = min = 33,05 kN·m (tepi atas)

Jawaban

Mallow = 33,05 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics