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 = (4, −2, 1) dan b = (k, 5, −5) saling tegak lurus.

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

Sebuah gaya F = (40, 0, −50) N bekerja di titik A(3, 2, 0). Koordinat dalam meter. Tentukan komponen x Mx dari momen gaya terhadap titik O(0, 0, −1).

F = (40, 0, −50) NA(3, 2, 0) mO(0, 0, −1) m
Mx = N·m
3.Reaksi tumpuan balokSedang
w0​ = 4 kN/mABRA​ = ?4 m

Balok sederhana (sendi di A, rol di B) menahan beban yang berubah linear, naik dari nol di A sampai 4 kN/m di B. Cari reaksi tumpuan vertikal RA.

L = 4 mw0 = 4 kN/m
RA = kN
4.Reaksi tumpuan balokSulit
w0​ = 8 kN/mP = 25 kNABMA​ = ?5 m3 m

Balok kantilever dijepit ke dinding di A. Balok menahan beban yang berubah linear, nol di dinding dan naik sampai 8 kN/m di ujung bebas B, ditambah beban terpusat P pada 5 m dari dinding. Cari besar momen reaksi MA di dinding.

L = 8 mw0 = 8 kN/mP = 25 kN di 5 m
MA = kN·m
5.Rangka batang: metode titik buhulSedang
ABCDEFGH25 kN15 kN25 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.

D: 25 kN ↓F: 15 kN ↓H: 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 BG
  13. 13elemen DG
6.Rangka batang: metode titik buhulSulit
ABBCACACB40 kN30 kN8 m3 m3 m

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

bentang = 8 mtinggi = 3 mB berjarak 3 m dari Abeban vertikal = 40 kNbeban horizontal = 30 kN ←
FAB = kN
7.Rangka & mesinSedang
2 kN3,2 m1,2 m2,8 m1,2 mABCDEK

Rangka-A yang ditunjukkan berdiri di atas pin di A dan rol di B, berjarak 3,2 m, dengan pin puncaknya C setinggi 4 m dan tali pengikat horizontal DE 1,2 m di atas tanah. Beban vertikal 2 kN bekerja pada kaki AC di K, 1,2 m (secara horizontal) dari A. Cari tarikan T pada tali pengikat.

P = 2 kNAB = 3,2 mtinggi C = 4 mtinggi DE = 1,2 mjarak horizontal A ke K = 1,2 m
T = kN
8.Rangka & mesinSulit
5 kN1 kN2 m2 mABC

Sebuah boom horizontal seragam AB dengan berat 1 kN dipasang dengan pin pada dinding di A dan ditahan oleh kabel dari ujungnya B ke titik C pada dinding, 2 m di atas A. Beban 5 kN tergantung di B. Cari tarikan T pada kabel.

W = 5 kNWb = 1 kNAB = 2 mAC = 2 m
T = kN
9.Gaya geser & momen lenturSedang
w = 10 kN/mP = 40 kNABpotongan0,5 m0,5 m1,5 m

Kantilever dijepit di A. Kantilever menahan beban merata w di sepanjang batang dan beban terpusat P pada jarak 1 m dari A. Cari momen lentur Mx pada potongan x = 0,5 m dari tumpuan jepit A. Anggap positif momen yang membuat serat bawah tertarik dan gaya geser ke atas pada muka kiri.

L = 2,5 mP = 40 kN di 1 mw = 10 kN/m dari 0 sampai 2,5 mx = 0,5 m
Mx = kN·m
10.Gaya geser & momen lenturSulit
w = 5 kN/mP = 10 kNABpotongan1 m9 m

Cari momen lentur Mx pada potongan x = 1 m dari tumpuan A. Anggap positif momen yang membuat serat bawah tertarik dan gaya geser ke atas pada muka kiri.

L = 10 mP = 10 kN di 1 mw = 5 kN/m dari 0 sampai 10 mx = 1 m
Mx = kN·m
11.Titik berat & momen inersiaSedang
150 mm240 mm168 mmØ30xIx​ = ?

Sebuah pelat 150 mm × 240 mm memiliki lubang lingkaran berdiameter 30 mm pada garis tengah vertikalnya, dengan pusat 168 mm di atas dasar. Cari momen inersia luas Ix terhadap sumbu horizontal melalui titik berat.

b = 150 mmh = 240 mmd = 30 mmpusat lubang: y = 168 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersiaSulit
260103008xM negatifdimensi dalam mm

Balok besi tuang memiliki penampang T seperti pada gambar, dengan sayap di atas. Tegangan izinnya 40 MPa untuk tarik dan 100 MPa untuk tekan. Cari momen lentur negatif terbesar Mallow yang dapat ditahan balok (nyatakan besarnya).

bf = 260 mmtf = 10 mmtw = 8 mmhw = 300 mmσt,allow = 40 MPaσc,allow = 100 MPa
Mallow = kN·m

3Larutan

1.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: k = 3,75

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 = 4·k + (−2)·5 + 1·(−5) = 0
−15 + 4·k = 0

Selesaikan untuk k

k = −(−15)/4 = 3,75

Jawaban

k = 3,75
2.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: Mx = −100 N·m

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.

Vektor posisi dari O ke A

r = A − O = (3, 2, 0) − (0, 0, −1) = (3, 2, 1) m

Momen M = r × F

(r × F)x = ryFz − rzFy = 2·(−50) − 1·0 = −100 N·m
(r × F)y = rzFx − rxFz = 1·40 − 3·(−50) = 190 N·m
(r × F)z = rxFy − ryFx = 3·0 − 2·40 = −80 N·m

Komponen yang diminta

Mx = −100 N·m

Jawaban

Mx = −100 N·m
3.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RA = 2,667 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 segitiga

W = ½·4·4 = 8 kN
x̄ = 2L/3 = 2,667 m

Kesetimbangan

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

ΣMA = 0: RB·4 = 8·2,667
RB = 5,333 kN
RA = 8 − 5,333 = 2,667 kN

Jawaban

RA = 2,667 kN
4.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: MA = 295,7 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 segitiga

W = ½·8·8 = 32 kN
x̄ = 2L/3 = 5,333 m

Momen terhadap dinding

MA = W·x̄ + P·a = 32·5,333 + 25·5 = 295,7 kN·m

Jawaban

MA = 295,7 kN·m
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: 23,75 kN (T), BC: 32,5 kN (T), CD: 32,5 kN (T), DE: 41,25 kN (T), FG: 23,75 kN (C), GH: 41,25 kN (C), AF: 33,59 kN (C), HE: 58,34 kN (C), BF: 8,75 kN (T), CG: 0, DH: 16,25 kN (T), BG: 12,37 kN (C), DG: 12,37 kN (T)

Jawaban

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

Jawaban: FAB = −51,27 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 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Reaksi tumpuan

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 40·3 − 30·3 → Cy = 3,75 kN
ΣFy = 0: Ay = 40 − 3,75 = 36,25 kN
ΣFx = 0: Ax = 30 kN

Titik buhul A

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

sin α = 3/4,243 = 0,7071
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −36,25/0,7071 = −51,27 kN

Jawaban

FAB = −51,27 kN (tekan)
7.Rangka & mesin

Jawaban: T = 0,4286 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 = 2·1,2/3,2 = 0,75 kN

Kaki BC: momen terhadap C

0,75·1,6 = T·2,8
T = 0,4286 kN

Jawaban

T = 0,4286 kN
8.Rangka & mesin

Jawaban: T = 7,778 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 + 2²) = 2,828 m, sin β = 0,7071

Momen terhadap A

T·0,7071·2 = 5·2 + 1·1
T = 7,778 kN

Jawaban

T = 7,778 kN
9.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: Mx = −40 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: −40·0,5 = −20 kN·m
w: −10·2²/2 = −20 kN·m
Mx = −20 − 20 = −40 kN·m

Jawaban

Mx = −40 kN·m

Negatif berarti momen negatif: sisi atas tertarik.

10.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: Mx = 31,5 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 = 5·10 = 50 kN, bekerja di x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 10·1 + 5·10·5
RB = 260/10 = 26 kN
ΣFy = 0: RA = 60 − 26 = 34 kN
w = 5 kN/mP = 10 kNABRA​ = 34RB​ = 26potongan1 m9 m

Potong di x = 1 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 = 34·1 − 5·1·0,5 = 31,5 kN·m

Jawaban

Mx = 31,5 kN·m
11.Titik berat & momen inersia

Jawaban: Ix = 171,1 × 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 = (36000·120 − 706,9·168)/(36000 − 706,9) = 119 mm

Pelat penuh terhadap ȳ

150·240³/12 + 36000·0,9614² = 172,8 × 10⁶ mm⁴

Lubang terhadap ȳ

π·30⁴/64 + 706,9·48,96² = 1,734 × 10⁶ mm⁴

Kurangkan

Ix = 171,1 × 10⁶ mm⁴

Jawaban

Ix = 171,1 × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersia

Jawaban: Mallow = 20,82 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 = (2600·305 + 2400·150)/5000 = 230,6 mm
tepi atas: c = 310 − 230,6 = 79,4 mm

Momen inersia penampang

I = 260·10³/12 + 2600·74,4² + 8·300³/12 + 2400·80,6² = 4,8 × 10⁷ mm⁴

Momen yang diizinkan tiap tepi

Momen negatif: sisi atas tertarik, sisi bawah tertekan.

tepi atas: M = 40·4,8 × 10⁷/79,4 = 24,18 kN·m
tepi bawah: M = 100·4,8 × 10⁷/230,6 = 20,82 kN·m

Nilai yang menentukan

Mallow = min = 20,82 kN·m (tepi bawah)

Jawaban

Mallow = 20,82 kN·m

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics