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

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

Tentukan luas A jajar genjang yang direntang oleh a = (−3, −1, 4) dan b = (2, −2, −4).

a = (−3, −1, 4)b = (2, −2, −4)
A =
3.Reaksi tumpuan balokSedang
P1​ = 35 kNP2​ = 20 kNABRA​RB​ = ?1 m2 m7 m

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

L = 10 mP1 = 35 kN di 1 mP2 = 20 kN di 3 m
RB = kN
4.Reaksi tumpuan balokSulit
P = 30 kNQ = 80 kNADCRD​ = ?3 m2 m4 m1 m

Sebuah balok majemuk dijepit ke dinding di A, memiliki sendi dalam di C (5 m dari A), dan bertumpu pada rol di D (10 m dari A). Balok menahan beban terpusat P pada 9 m dari A dan beban terpusat Q pada 3 m dari A. Cari reaksi RD di rol.

AC = 5 mAD = 10 mP = 30 kN di 9 mQ = 80 kN di 3 m
RD = kN
5.Rangka batang: metode titik buhulSedang
ABCDEFGH10 kN15 kN35 kN10 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.

C: 10 kN ↓D: 15 kN ↓G: 35 kN ↓H: 10 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
ABBCACACB35 kN20 kN5 m2 m2 m

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

bentang = 5 mtinggi = 2 mB berjarak 2 m dari Abeban vertikal = 35 kNbeban horizontal = 20 kN ←
FBC = kN
7.Rangka & mesinSedang
2 kN1,5 m0,9 m1,2 mABCD

Sebuah balok horizontal AB dipasang dengan pin pada dinding di A dan ditopang oleh batang penyangga CD, yang dipasang dengan pin pada dinding di C, 1,2 m di bawah A. Beban 2 kN tergantung di B. Abaikan berat. Cari besar gaya pin A pada balok di A.

P = 2 kNAD = 1,5 mAB = 2,4 mAC = 1,2 m
A = kN
8.Rangka & mesinSulit
4 kN4 m1,5 m2,5 mABCDE

Rangka-A yang ditunjukkan berdiri di atas pin di A dan rol di B, berjarak 4 m. Kaki-kakinya bertemu di pin C, setinggi 4 m, dan diikat oleh batang horizontal DE pada 1,5 m. Gaya horizontal 4 kN ke kanan bekerja di C. Cari tarikan T pada tali pengikat.

P = 4 kNAB = 4 mtinggi C = 4 mtinggi DE = 1,5 m
T = kN
9.Gaya geser & momen lenturSedang
w = 10 kN/mP = 50 kNAB0,5 m2,5 m

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

L = 3 mP = 50 kN di 0,5 mw = 10 kN/m dari 0 sampai 3 m
MA = kN·m
10.Gaya geser & momen lenturSulit
w = 12 kN/mABC6 m1,5 m

Balok bertumpu pada sendi di A dan rol di B, dan menjorok (overstek) sejauh 1,5 m melewati B hingga ujung bebas C. Beban merata w bekerja di sepanjang A–C. Cari jarak xc dari A ke titik balik lentur di antara tumpuan (tempat momen lentur berganti tanda).

L = 7,5 mw = 12 kN/m dari 0 sampai 7,5 mtumpuan di x = 0 dan x = 6 m
xc = m
11.Titik berat & momen inersiaSedang
280100t = 14xdimensi dalam mm

Profil kanal diletakkan dengan sisi terbuka ke atas: pelat dasar selebar 280 mm dengan dua kaki tegak, setinggi total 100 mm. Dasar dan kaki semuanya setebal 14 mm. Cari momen inersianya Ix terhadap sumbu horizontal x yang melalui titik beratnya.

b = 280 mmh = 100 mmt = 14 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersiaSulit
150 mm200 mm70 mm80 × 50xIx​ = ?

Sebuah pelat 150 mm × 200 mm memiliki potongan persegi panjang selebar 80 mm dan setinggi 50 mm, di tengah garis tengah vertikal dengan pusat 70 mm di atas dasar. Cari momen inersia luas Ix terhadap sumbu horizontal melalui titik berat.

b = 150 mmh = 200 mmpotongan: 80 × 50 mmpusat lubang: y = 70 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴

3Larutan

1.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: k = 1,667

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·k + 5·(−1) + 1·(−5) = 0
−10 + 6·k = 0

Selesaikan untuk k

k = −(−10)/6 = 1,667

Jawaban

k = 1,667
2.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: A = 14,97

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

(a × b)x = aybz − azby = (−1)·(−4) − 4·(−2) = 12
(a × b)y = azbx − axbz = 4·2 − (−3)·(−4) = −4
(a × b)z = axby − aybx = (−3)·(−2) − (−1)·2 = 8

Luas

A = |a × b| = √(12² + (−4)² + 8²) = 14,97

Jawaban

A = 14,97
3.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RB = 9,5 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.

P1​ = 35 kNP2​ = 20 kNABRA​RB​1 m2 m7 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·10 = 35·1 + 20·3
RB = 95/10 = 9,5 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 9,5 = 45,5 kN

Jawaban

RB = 9,5 kN
4.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RD = 24 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. 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.

ΣMC = 0: RD·5 = 30·4
RD = 24 kN
VC = 30 − 24 = 6 kN

Jawaban

RD = 24 kN
5.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: 28,75 kN (T), BC: 28,75 kN (T), CD: 41,25 kN (T), DE: 41,25 kN (T), FG: 57,5 kN (C), GH: 57,5 kN (C), AF: 40,66 kN (C), HE: 58,34 kN (C), BF: 0, CG: 35 kN (C), DH: 15 kN (T), FC: 40,66 kN (T), HC: 22,98 kN (T)

Jawaban

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

Jawaban: FBC = −10,82 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 kN20 kNAy​Cy​Ax​

Reaksi tumpuan

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 35·2 − 20·2 → Cy = 6 kN
ΣFy = 0: Ay = 35 − 6 = 29 kN
ΣFx = 0: Ax = 20 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 = 2/3,606 = 0,5547, cos γ = 3/3,606 = 0,8321
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −6/0,5547 = −10,82 kN

Jawaban

FBC = −10,82 kN (tekan)
7.Rangka & mesin

Jawaban: A = 4,176 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 batang penyangga

FCD = 2·2,4/(0,6247·1,5) = 5,122 kN

Komponen di A

Ax = FCD·cos α = 4 kN (menuju dinding)
Ay = 2 − FCD·sin α = −1,2 kN

Besar

A = √(4² + −1,2²) = 4,176 kN

Jawaban

A = 4,176 kN

Ay negatif berarti dinding menarik balok ke bawah di A.

8.Rangka & mesin

Jawaban: T = 3,2 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 = 4·4
By = 4 kN

Kaki BC: momen terhadap C

4·2 = T·2,5
T = 3,2 kN

Jawaban

T = 3,2 kN

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

9.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: MA = −70 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: −50·0,5 = −25 kN·m
w: −10·3²/2 = −45 kN·m
MA = −25 − 45 = −70 kN·m

Jawaban

MA = −70 kN·m

Negatif berarti momen negatif: sisi atas tertarik.

10.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: xc = 5,625 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, termasuk beban pada overstek.

Resultan beban merata: W = w·ℓ = 12·7,5 = 90 kN, bekerja di x̄ = 3,75 m
ΣMA = 0: RB·6 = 12·7,5·3,75
RB = 337,5/6 = 56,25 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 56,25 = 33,75 kN

Momen nol

Di antara tumpuan, M(x) = RA·x − w·x²/2. Selain di x = 0, momen bernilai nol di x = 2RA/w.

RA·xc − w·xc²/2 = 0
xc = 2·33,75/12 = 5,625 m

Jawaban

xc = 5,625 m
11.Titik berat & momen inersia

Jawaban: Ix = 5,277 × 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 persegi panjang

Ambil dasar selebar penuh dan dua kaki di atasnya (tinggi h − t), sehingga tidak ada yang terhitung dua kali.

basis: A1 = 280·14 = 3920 mm², y1 = 7 mm
dua kaki: A2 = 2·14·86 = 2408 mm², y2 = 14 + 86/2 = 57 mm

Titik berat

ȳ = (3920·7 + 2408·57)/6328 = 26,03 mm

Teorema sumbu sejajar

basis: 280·14³/12 + 3920·(7 − 26,03)² = 1,483 × 10⁶ mm⁴
dua kaki: 2·14·86³/12 + 2408·(57 − 26,03)² = 3,794 × 10⁶ mm⁴
Ix = 1,483 × 10⁶ + 3,794 × 10⁶
Ix = 5,277 × 10⁶ mm⁴ = 5,277 × 10⁶ mm⁴

Jawaban

Ix = 5,277 × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersia

Jawaban: Ix = 95,01 × 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 = (30000·100 − 4000·70)/(30000 − 4000) = 104,6 mm

Pelat penuh terhadap ȳ

150·200³/12 + 30000·−4,615² = 100,6 × 10⁶ mm⁴

Lubang terhadap ȳ

80·50³/12 + 4000·−34,62² = 5,626 × 10⁶ mm⁴

Kurangkan

Ix = 95,01 × 10⁶ mm⁴

Jawaban

Ix = 95,01 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics