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 sudut θ antara vektor a = (3, 2, −1) dan b = (2, −4, −1), dalam derajat.

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

Tentukan volume V paralelepipedum yang rusuk-rusuknya dari satu titik sudut adalah a = (−1, 4, −2), b = (−4, 2, 1), dan c = (5, 3, −1).

a = (−1, 4, −2)b = (−4, 2, 1)c = (5, 3, −1)
V =
3.Reaksi tumpuan balokSedang
w0​ = 4 kN/mP = 10 kNABRB​ = ?4 m6 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. Beban terpusat P juga bekerja pada 4 m dari A. Cari reaksi tumpuan vertikal RB.

L = 10 mw0 = 4 kN/mP = 10 kN di 4 m
RB = kN
4.Reaksi tumpuan balokSulit
w = 2 kN/mP = 80 kNQ = 65 kNADCRD​ = ?2 m2 m1 m5 m

Sebuah balok majemuk dijepit ke dinding di A, memiliki sendi dalam di C (4 m dari A), dan bertumpu pada rol di D (10 m dari A). Balok menahan beban terpusat P pada 5 m dari A, beban merata w di seluruh bagian CD dan beban terpusat Q pada 2 m dari A. Cari reaksi RD di rol.

AC = 4 mAD = 10 mP = 80 kN di 5 mw = 2 kN/m dari 4 sampai 10 mQ = 65 kN di 2 m
RD = kN
5.Rangka batang: metode titik buhulSedang
ABCDEFGH40 kN10 kN30 kN35 kN10 kN4 × 3 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.

B: 40 kN ↓C: 10 kN ↓F: 30 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
ABBCACACB50 kN5 kN6 m1 m4 m

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

bentang = 6 mtinggi = 4 mB berjarak 1 m dari Abeban vertikal = 50 kNbeban horizontal = 5 kN →
FAB = kN
7.Rangka & mesinSedang
250 NQ = ?20°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 20° dengan garis AC. Gaya ke bawah 250 N dikenakan di B. Penggeser C menekan benda kerja. Dengan mengabaikan gesekan dan berat, cari gaya penjepitan horizontal Q.

F = 250 Nθ = 20°
Q = N
8.Rangka & mesinSulit
4 kN2,4 m0,8 m2,2 m0,6 mABCDEK

Rangka-A yang ditunjukkan berdiri di atas pin di A dan rol di B, berjarak 2,4 m, dengan pin puncaknya C setinggi 3 m dan tali pengikat horizontal DE 0,8 m di atas tanah. Beban vertikal 4 kN bekerja pada kaki AC di K, 0,6 m (secara horizontal) dari A. Cari besar gaya C yang dikerjakan pin C pada kaki BC.

P = 4 kNAB = 2,4 mtinggi C = 3 mtinggi DE = 0,8 mjarak horizontal A ke K = 0,6 m
C = kN
9.Gaya geser & momen lenturSedang
P1​ = 15 kNP2​ = 65 kNAB2 m3 m5 m

Balok sederhana menahan dua beban terpusat. Cari momen lentur maksimum Mmax pada balok.

L = 10 mP1 = 15 kN di 2 mP2 = 65 kN di 5 m
Mmax = kN·m
10.Gaya geser & momen lenturSulit
w = 4 kN/mABC8 m2 m

Balok bertumpu pada sendi di A dan rol di B, dan menjorok (overstek) sejauh 2 m melewati B hingga ujung bebas C. Beban merata w bekerja di sepanjang A–C. Cari momen lentur positif maksimum Mmax di antara tumpuan.

L = 10 mw = 4 kN/m dari 0 sampai 10 mtumpuan di x = 0 dan x = 8 m
Mmax = kN·m
11.Titik berat & momen inersiaSedang
3002514016xdimensi dalam mm

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

bf = 300 mmtf = 25 mmtw = 16 mmhw = 140 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersiaSulit
1001030016xM = 5 kN·mdimensi dalam mm

Penampang T dipakai sebagai balok dengan sayap di atas dan menahan momen lentur positif 5 kN·m. Cari besar tegangan lentur σatas di tepi atas.

bf = 100 mmtf = 10 mmtw = 16 mmhw = 300 mmM = 5 kN·m
σatas = MPa

3Larutan

1.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: θ = 93,34 °

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 = 3·2 + 2·(−4) + (−1)·(−1) = −1

Besar vektor

|a| = √(3² + 2² + (−1)²) = 3,742
|b| = √(2² + (−4)² + (−1)²) = 4,583

Sudut

cos θ = −1/(3,742·4,583) = −0,05832
θ = arccos(−0,05832) = 93,34°

Jawaban

θ = 93,34°
2.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: V = 53

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = 2·(−1) − 1·3 = −5
(b × c)y = bzcx − bxcz = 1·5 − (−4)·(−1) = 1
(b × c)z = bxcy − bycx = (−4)·3 − 2·5 = −22

Hasil kali titik dengan a

a·(b × c) = (−1)·(−5) + 4·1 + (−2)·(−22) = 53
V = |53| = 53

Jawaban

V = 53
3.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RB = 17,33 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 = ½·4·10 = 20 kN
x̄ = 2L/3 = 6,667 m

Kesetimbangan

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

ΣMA = 0: RB·10 = 20·6,667 + 10·4
RB = 17,33 kN
RA = 30 − 17,33 = 12,67 kN

Jawaban

RB = 17,33 kN
4.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RD = 19,33 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.

W = 2·6 = 12 kN di 3 m dari C
ΣMC = 0: RD·6 = 80·1 + 12·3
RD = 19,33 kN
VC = 92 − 19,33 = 72,67 kN

Jawaban

RD = 19,33 kN
5.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: elemen DH

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 D

CD dan DE terletak pada satu garis lurus dan simpul tidak membawa beban. Menyeimbangkan gaya melintang garis itu hanya menyisakan DH.

ΣF⊥ = 0 → FDH = 0

Periksa dengan metode simpul

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

AB: 58,13 kN (T), BC: 58,13 kN (T), CD: 35,62 kN (T), DE: 35,62 kN (T), FG: 63,75 kN (C), GH: 63,75 kN (C), AF: 96,88 kN (C), HE: 59,37 kN (C), BF: 40 kN (T), CG: 35 kN (C), DH: 0, FC: 9,375 kN (T), HC: 46,88 kN (T)

Jawaban

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

Jawaban: FAB = −39,51 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.

ABBCACACB50 kN5 kNAy​Cy​Ax​

Reaksi tumpuan

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

ΣMA = 0: Cy·6 = 50·1 + 5·4 → Cy = 11,67 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 11,67 = 38,33 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 = 4/4,123 = 0,9701
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −38,33/0,9701 = −39,51 kN

Jawaban

FAB = −39,51 kN (tekan)
7.Rangka & mesin

Jawaban: Q = 343,4 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 20° = 250
Flink = 365,5 N

Gaya penjepitan

Q = Flink·cos 20° = 250/(2·tan 20°) = 343,4 N

Jawaban

Q = 343,4 N

Rasio gaya Q/F = 1,374 tumbuh tanpa batas saat batang penghubung meluruskan diri.

8.Rangka & mesin

Jawaban: C = 1,139 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.

Reaksi tumpuan di B

By = 4·0,6/2,4 = 1 kN

Gaya tali pengikat

T = 1·1,2/2,2 = 0,5455 kN

Gaya pin pada BC

Cx = 0,5455 kN, Cy = −1 kN
C = √(0,5455² + 1²) = 1,139 kN

Jawaban

C = 1,139 kN
9.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: Mmax = 177,5 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. 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.

ΣMA = 0: RB·10 = 15·2 + 65·5
RB = 355/10 = 35,5 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 35,5 = 44,5 kN

Momen di bawah tiap beban

Ambil bagian di kiri tiap beban.

di bawah P1: M = RA·2 = 44,5·2 = 89 kN·m
di bawah P2: M = RB·5 = 35,5·5 = 177,5 kN·m

Nilai terbesar

Mmax = 177,5 kN·m (di bawah P2)

Jawaban

Mmax = 177,5 kN·m
10.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: Mmax = 28,13 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. 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 = 4·10 = 40 kN, bekerja di x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 4·10·5
RB = 200/8 = 25 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 25 = 15 kN

Gaya geser nol

RA − w·x0 = 0 → x0 = 15/4 = 3,75 m

Momen positif maksimum

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = RA²/(2w) = 15²/(2·4) = 28,13 kN·m

Jawaban

Mmax = 28,13 kN·m
11.Titik berat & momen inersia

Jawaban: Ix = 15,79 × 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 = 300·25 = 7500 mm², yf = 140 + 25/2 = 152,5 mm
badan: Aw = 16·140 = 2240 mm², yw = 140/2 = 70 mm

Titik berat

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (7500·152,5 + 2240·70)/9740 = 133,5 mm

Teorema sumbu sejajar

sayap: 300·25³/12 + 7500·(152,5 − 133,5)² = 3,091 × 10⁶ mm⁴
badan: 16·140³/12 + 2240·(70 − 133,5)² = 1,27 × 10⁷ mm⁴
Ix = 3,091 × 10⁶ + 1,27 × 10⁷ = 1,579 × 10⁷ mm⁴ = 15,79 × 10⁶ mm⁴

Jawaban

Ix = 15,79 × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersia

Jawaban: σatas = 11,92 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 = 100·10 = 1000 mm², yf = 300 + 10/2 = 305 mm
badan: Aw = 16·300 = 4800 mm², yw = 300/2 = 150 mm

Titik berat

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (1000·305 + 4800·150)/5800 = 176,7 mm

Teorema sumbu sejajar

sayap: 100·10³/12 + 1000·(305 − 176,7)² = 1,646 × 10⁷ mm⁴
badan: 16·300³/12 + 4800·(150 − 176,7)² = 3,943 × 10⁷ mm⁴
Ix = 1,646 × 10⁷ + 3,943 × 10⁷ = 5,589 × 10⁷ mm⁴

Tegangan lentur

Tepi atas berjarak h − ȳ dari sumbu.

y = 310 − 176,7 = 133,3 mm
σ = M·y/I = 5 × 10⁶·133,3/5,589 × 10⁷ = 11,92 MPa

Jawaban

σatas = 11,92 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics