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 = (−5, 6, −3) pada b = (−6, −4, −1), yaitu komponen a searah b.

a = (−5, 6, −3)b = (−6, −4, −1)
compb a =
2.Vektor: hasil kali titik & silangSulit
xyzabc

Tentukan volume V paralelepipedum yang rusuk-rusuknya dari satu titik sudut adalah a = (−4, −4, −1), b = (4, −2, −1), dan c = (−2, 5, 5).

a = (−4, −4, −1)b = (4, −2, −1)c = (−2, 5, 5)
V =
3.Reaksi tumpuan balokSedang
P1​ = 40 kNP2​ = 45 kNABRA​RB​ = ?5 m2 m1 m

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

L = 8 mP1 = 40 kN di 5 mP2 = 45 kN di 7 m
RB = kN
4.Reaksi tumpuan balokSulit
w = 12 kN/mP = 45 kNABRA​RB​ = ?5 m2 m3 m

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

L = 10 mP = 45 kN di 7 mw = 12 kN/m dari 5 sampai 10 m
RB = kN
5.Rangka batang: metode titik buhulSedang
ABBCACACB55 kN5 m3 m4 m

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

bentang = 5 mtinggi = 4 mB berjarak 3 m dari Abeban vertikal = 55 kN
FAC = kN
6.Rangka batang: metode titik buhulSulit
ABBCACACB15 kN5 kN8 m6 m2 m

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

bentang = 8 mtinggi = 2 mB berjarak 6 m dari Abeban vertikal = 15 kNbeban horizontal = 5 kN →
FAB = kN
7.Rangka & mesinSedang
150 NQ = ?10°ABC

Pada penjepit toggle yang ditunjukkan, dua batang penghubung AB dan BC yang sama panjang dipasang dengan pin di B, dan masing-masing membentuk sudut 10° dengan garis AC. Gaya ke bawah 150 N dikenakan di B. Penggeser C menekan benda kerja. Dengan mengabaikan gesekan dan berat, cari gaya penjepitan horizontal Q.

F = 150 Nθ = 10°
Q = N
8.Rangka & mesinSulit
6 kN10 kN3 m4 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 4 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 = 4 mjarak horizontal A ke B = 0,9 mjarak horizontal A ke K = 0,675 m
Ax = kN
9.Gaya geser & momen lenturSedang
30 kN15 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 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.

30 kN @ 8 m15 kN @ 4 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
10.Gaya geser & momen lenturSulit
8 kN/m15 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 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.

15 kN @ 12 m8 kN/m, 0–8 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
11.Titik berat & momen inersiaSedang
110220246xdimensi dalam mm

Profil I simetris memiliki sayap selebar 110 mm dan setebal 24 mm, tinggi total 220 mm, dan badan setebal 6 mm. Cari momen inersianya Ix terhadap sumbu titik berat horizontal x.

B = 110 mmH = 220 mmtf = 24 mmtw = 6 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersiaSulit
1203010012xM = 20 kN·mdimensi dalam mm

Penampang T dipakai sebagai balok dengan sayap di atas dan menahan momen lentur positif 20 kN·m. Cari tegangan lentur σbawah di tepi bawah.

bf = 120 mmtf = 30 mmtw = 12 mmhw = 100 mmM = 20 kN·m
σbawah = MPa

3Larutan

1.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: compb a = 1,236

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

a·b = (−5)·(−6) + 6·(−4) + (−3)·(−1) = 9

Panjang b

|b| = √((−6)² + (−4)² + (−1)²) = 7,28

Proyeksi skalar

compb a = a·b/|b| = 9/7,28 = 1,236

Jawaban

compb a = 1,236
2.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: V = 76

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−2)·5 − (−1)·5 = −5
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−1)·(−2) − 4·5 = −18
(b × c)z = bxcy − bycx = 4·5 − (−2)·(−2) = 16

Hasil kali titik dengan a

a·(b × c) = (−4)·(−5) + (−4)·(−18) + (−1)·16 = 76
V = |76| = 76

Jawaban

V = 76
3.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RB = 64,38 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.

P1​ = 40 kNP2​ = 45 kNABRA​RB​5 m2 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.

ΣMA = 0: RB·8 = 40·5 + 45·7
RB = 515/8 = 64,38 kN
ΣFy = 0: RA = 85 − 64,38 = 20,63 kN

Jawaban

RB = 64,38 kN
4.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RB = 76,5 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 = 12 kN/mP = 45 kNABRA​RB​5 m2 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 = 12·5 = 60 kN, bekerja di x̄ = 7,5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 45·7 + 12·5·7,5
RB = 765/10 = 76,5 kN
ΣFy = 0: RA = 105 − 76,5 = 28,5 kN

Jawaban

RB = 76,5 kN
5.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: FAC = 16,5 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.

ABBCACACB55 kNAy​Cy​

Reaksi tumpuan

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 55·3 → Cy = 33 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 33 = 22 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 = −33/0,8944 = −36,9 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−36,9)·0,4472 = 16,5 kN

Jawaban

FAC = 16,5 kN (tarik)
6.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: FAB = −7,906 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.

ABBCACACB15 kN5 kNAy​Cy​Ax​

Reaksi tumpuan

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 15·6 + 5·2 → Cy = 12,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 12,5 = 2,5 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 = 2/6,325 = 0,3162
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −2,5/0,3162 = −7,906 kN

Jawaban

FAB = −7,906 kN (tekan)
7.Rangka & mesin

Jawaban: Q = 425,3 N

Mesin: tang, tuas, sambungan batang, dan penjepit mengubah gaya masukan menjadi gaya keluaran yang lebih besar atau berarah lain. Gambar satu bagian sebagai benda bebas dan ambil momen terhadap porosnya: gaya pin hilang, dan Fin·a = Fout·b memberi keuntungan mekanis a/b. Gaya pin kemudian diperoleh dari ΣF = 0 pada bagian yang sama. Pada toggle, dua batang penghubung bertemu pada sudut dangkal θ; setiap batang adalah batang dua gaya, sehingga gaya kecil F di sambungan menimbulkan gaya batang yang besar F/(2 sin θ) dan gaya penjepitan F/(2 tan θ).

Keseimbangan pin B

2·Flink·sin 10° = 150
Flink = 431,9 N

Gaya penjepitan

Q = Flink·cos 10° = 150/(2·tan 10°) = 425,3 N

Jawaban

Q = 425,3 N

Rasio gaya Q/F = 2,836 tumbuh tanpa batas saat batang penghubung meluruskan diri.

8.Rangka & mesin

Jawaban: Ax = 2,291 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 = 4,518 m, cos = 0,4648, sin = 0,8854

Seluruh rangka: momen terhadap A

FBC·0,8854·3 = 6·0,675 + 10·4
FBC = 16,58 kN

Keseimbangan horizontal

Ax + 10 − 16,58·0,4648 = 0
Ax = −2,291 kN → |Ax| = 2,291 kN

Jawaban

Ax = 2,291 kN

Tanda minus berarti Ax mengarah ke kiri.

9.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: E (x = 8 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 = 20 kN, R2 = 25 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 = 40, MC = 80, MD = 90, ME = 100 kN·m, MF = 50, MG = 0

Jawaban

Tanda E: ME = 100 kN·m
10.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: E (x = 8 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 = 24,5 kN, R2 = 54,5 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 = 33, MC = 34, MD = 3, ME = −60 kN·m, MF = −30, MG = 0

Jawaban

Tanda E: ME = −60 kN·m
11.Titik berat & momen inersia

Jawaban: Ix = 53,51 × 10⁶ mm⁴

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 = 220 − 2·24 = 172 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (110·220³ − 104·172³)/12
Ix = 5,351 × 10⁷ mm⁴ = 53,51 × 10⁶ mm⁴

Jawaban

Ix = 53,51 × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersia

Jawaban: σbawah = 389,4 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 = 12·100 = 1200 mm², yw = 100/2 = 50 mm

Titik berat

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (3600·115 + 1200·50)/4800 = 98,75 mm

Teorema sumbu sejajar

sayap: 120·30³/12 + 3600·(115 − 98,75)² = 1,221 × 10⁶ mm⁴
badan: 12·100³/12 + 1200·(50 − 98,75)² = 3,852 × 10⁶ mm⁴
Ix = 1,221 × 10⁶ + 3,852 × 10⁶ = 5,072 × 10⁶ mm⁴

Tegangan lentur

Tepi bawah berjarak ȳ dari sumbu.

y = 98,75 mm
σ = M·y/I = 2 × 10⁷·98,75/5,072 × 10⁶ = 389,4 MPa

Jawaban

σbawah = 389,4 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics