Statika: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 12 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baru Kembali 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| = √(a_x² + a_y² + a_z²)
Vektor satuan: û = a/|a|
Komponen dari sebuah sudut: F_x = F·cos θ, F_y = F·sin θ
Hasil kali titik: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |a||b|cos θ
Proyeksi skalar a pada b: a·b/|b|
Usaha: W = F·d
Hasil kali silang: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x)
Luas: jajar genjang |a × b|, segitiga ½|a × b|
Momen terhadap O: M_O = r × F, r = A − O
Volume paralelepipedum: V = |a·(b × c)|

Metode

Tulis setiap vektor dalam komponen; untuk gaya yang diberikan dengan besar dan sudut, gunakan F·cos θ dan F·sin θ.
Untuk panjang dan arah gunakan besar √(x² + y² + z²) dan vektor satuan a/|a|.
Gunakan hasil kali titik untuk sudut, proyeksi, ketegaklurusan, dan usaha: a·b = |a||b|cos θ.
Gunakan hasil kali silang untuk vektor tegak lurus, luas, dan momen: tulis ketiga komponen dengan teliti, jaga urutan a × b.

Reaksi tumpuan balok

Kesetimbangan: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, ΣM = 0
Beban merata: resultan w·L di tengah beban
Momen: M = F·d

Metode

Gambar diagram benda bebas dan ganti setiap tumpuan dengan reaksinya.
Ganti setiap beban terbagi dengan satu gaya di titik beratnya.
Ambil momen terhadap satu tumpuan untuk mencari reaksi di tumpuan lainnya.
Gunakan ΣF_y = 0 untuk mencari reaksi yang tersisa, dan periksa dengan persamaan momen kedua.

Rangka batang: metode titik buhul

Metode titik simpul: ΣF_x = 0, ΣF_y = 0 at each joint
Metode potongan: ΣM = 0 about a cut point
Gaya batang: positif = tarik, negatif = tekan

Metode

Cari reaksi tumpuan untuk seluruh rangka batang.
Metode titik simpul: mulai dari simpul dengan paling banyak dua gaya batang yang tidak diketahui dan gunakan ΣF_x = 0 dan ΣF_y = 0.
Metode potongan: potong melalui batang yang Anda perlukan dan ambil momen terhadap titik pertemuan batang-batang lain yang tidak diketahui.
Asumsikan tarik; jawaban negatif berarti tekan.

Rangka & mesin

Kesetimbangan setiap batang: ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 = √(F_x² + F_y²)
Tuas, tang, engkol siku: F_in·a = F_out·b
Toggle: F_link = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Beban merata: resultan w·L di tengah beban

Metode

Gambar seluruh struktur dan cari reaksi tumpuan jika tidak ada lebih dari tiga besaran yang tidak diketahui.
Kenali batang dua gaya: hanya dibebani pada dua pin, gayanya bekerja sepanjang garis antara kedua pin.
Bongkar rangkanya dan gambar setiap batang sendiri-sendiri, dengan gaya pin yang sama besar dan berlawanan arah di tempat batang-batang bertemu.
Untuk setiap batang, ambil momen terhadap sebuah pin yang memiliki gaya tak diketahui, lalu gunakan ΣF_x = 0 dan ΣF_y = 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/y_max
Tumpuan sederhana, beban merata: M_max = wL²/8

Metode

Cari reaksi tumpuan dari kesetimbangan seluruh balok.
Potong balok di penampang yang Anda perlukan dan ambil satu sisi.
Gaya geser: jumlah gaya vertikal pada sisi tersebut. Momen lentur: jumlah momennya terhadap potongan.
Untuk momen maksimum, cari letak gaya geser sama dengan nol.

Titik berat & momen inersia

Titik berat: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
Persegi panjang: I = bh³/12
Teorema sumbu sejajar: I = I_c + A·d²
Penampang komposit: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

2Soal latihan

1.Vektor: hasil kali titik & silangSedang

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

F = (30, −30, 5) NA(−1, 3, 2) mB(1, 2, −3) m

W = J

2.Vektor: hasil kali titik & silangSulit

Tentukan luas A segitiga dengan titik sudut A(−2, 0, 4), B(1, 2, 4), dan C(0, −2, −3). Koordinat dalam meter.

A(−2, 0, 4)B(1, 2, 4)C(0, −2, −3)

A = m²

3.Reaksi tumpuan balokSedang

Balok sederhana (sendi di A, rol di B) menahan beban yang berubah linear, turun dari 8 kN/m di A sampai nol di B. Cari reaksi tumpuan vertikal R_B.

L = 10 mw₀ = 8 kN/m

R_B = kN

4.Reaksi tumpuan balokSulit

Balok memiliki tumpuan sendi di A dan rol di B, 3 m dari A, dan menjorok (overstek) melewati B hingga ujung bebas C. Balok menahan beban terpusat P pada 2 m dari A dan beban merata w dari 1,5 m sampai ujung bebas di 4 m. Cari reaksi vertikal R_A, dengan arah ke atas positif.

AB = 3 mAC = 4 mP = 30 kN di 2 mw = 3 kN/m dari 1,5 sampai 4 m

R_A = kN

5.Rangka batang: metode titik buhulSedang

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

bentang = 6 mtinggi = 4 mB berjarak 2 m dari Abeban vertikal = 20 kN

F_AC = kN

6.Rangka batang: metode titik buhulSulit

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

bentang = 5 mtinggi = 2 mB berjarak 1 m dari Abeban vertikal = 45 kNbeban horizontal = 5 kN →

F_AB = kN

7.Rangka & mesinSedang

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 500 N dikenakan di B. Penggeser C menekan benda kerja. Dengan mengabaikan gesekan dan berat, cari gaya penjepitan horizontal Q.

F = 500 Nθ = 10°

Q = N

8.Rangka & mesinSulit

Sebuah boom horizontal seragam AB dengan berat 0,5 kN dipasang dengan pin pada dinding di A dan ditahan oleh kabel dari ujungnya B ke titik C pada dinding, 1,5 m di atas A. Beban 10 kN tergantung di B. Cari tarikan T pada kabel.

W = 10 kNW_b = 0,5 kNAB = 3 mAC = 1,5 m

T = kN

9.Gaya geser & momen lenturSedang

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.

25 kN @ 6 m15 kN @ 2 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)

10.Gaya geser & momen lenturSulit

Balok sederhana menahan beban merata pada sebagian bentangnya. Cari jarak x₀ dari A ke potongan tempat momen lentur paling besar.

L = 6 mw = 16 kN/m dari 0 sampai 3 m

x₀ = m

11.Titik berat & momen inersiaSedang

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

b_f = 220 mmt_f = 20 mmt_w = 20 mmh_w = 120 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.Titik berat & momen inersiaSulit

Profil I simetris memiliki sayap selebar 140 mm dan setebal 24 mm, tinggi total 440 mm, dan badan setebal 10 mm. Penampang menahan momen lentur sebesar 60 kN·m terhadap sumbu x. Cari besar tegangan lentur σ_j di pertemuan badan dan sayap atas.

B = 140 mmH = 440 mmt_f = 24 mmt_w = 10 mmM = 60 kN·m

σ_j = MPa

3Larutan

1.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: W = 65 J

Dot product: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |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.

Perpindahan

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

Usaha

W = F·d = 30·2 + (−30)·(−1) + 5·(−5) = 65 J

Jawaban

W = 65 J

2.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: A = 13,57 m²

Cross product: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) 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 M_O = r × F, with r = A − O.

Vektor sisi

AB = B − A = (3, 2, 0)

AC = C − A = (2, −2, −7)

Hasil kali silang

(AB × AC)_x = AB_yAC_z − AB_zAC_y = 2·(−7) − 0·(−2) = −14

(AB × AC)_y = AB_zAC_x − AB_xAC_z = 0·2 − 3·(−7) = 21

(AB × AC)_z = AB_xAC_y − AB_yAC_x = 3·(−2) − 2·2 = −10

|AB × AC| = √((−14)² + 21² + (−10)²) = 27,15

Luas segitiga

A = ½·27,15 = 13,57 m²

Jawaban

A = 13,57 m²

3.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: R_B = 13,33 kN

Kesetimbangan statis: benda yang diam memenuhi ΣF_x = 0, ΣF_y = 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 = ½·8·10 = 40 kN

x̄ = L/3 = 3,333 m

Kesetimbangan

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

ΣM_A = 0: R_B·10 = 40·3,333

R_B = 13,33 kN

R_A = 40 − 13,33 = 26,67 kN

Jawaban

R_B = 13,33 kN

4.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: R_A = 10,63 kN

Resultan beban merata

W = 3·2,5 = 7,5 kN, x̄ = (1,5 + 4)/2 = 2,75 m

Kesetimbangan

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

ΣM_A = 0: R_B·3 = 30·2 + 7,5·2,75

R_B = 80,63/3 = 26,88 kN

R_A = 37,5 − 26,88 = 10,63 kN

Jawaban

R_A = 10,63 kN

5.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: F_AC = 6,667 kN

Metode titik buhul: setiap titik buhul rangka berada dalam kesetimbangan, jadi ΣF_x = 0 dan ΣF_y = 0 di setiap titik buhul. Mulai dari titik buhul dengan paling banyak dua gaya batang tak diketahui. Hasil negatif berarti batang mengalami tekan.

Reaksi tumpuan

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

ΣM_A = 0: C_y·6 = 20·2 → C_y = 6,667 kN

ΣF_y = 0: A_y = 20 − 6,667 = 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 = 4/5,657 = 0,7071, cos γ = 4/5,657 = 0,7071

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −6,667/0,7071 = −9,428 kN

ΣF_x = 0: −F_AC − F_BC·cos γ = 0 → F_AC = −(−9,428)·0,7071 = 6,667 kN

Jawaban

F_AC = 6,667 kN (tarik)

6.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: F_AB = −38,01 kN

Reaksi tumpuan

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

ΣM_A = 0: C_y·5 = 45·1 + 5·2 → C_y = 11 kN

ΣF_y = 0: A_y = 45 − 11 = 34 kN

ΣF_x = 0: A_x = −5 kN

Titik buhul A

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

sin α = 2/2,236 = 0,8944

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −34/0,8944 = −38,01 kN

Jawaban

F_AB = −38,01 kN (tekan)

7.Rangka & mesin

Jawaban: Q = 1418 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 F_in·a = F_out·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·F_link·sin 10° = 500

F_link = 1440 N

Gaya penjepitan

Q = F_link·cos 10° = 500/(2·tan 10°) = 1418 N

Jawaban

Q = 1418 N

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

8.Rangka & mesin

Jawaban: T = 22,92 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 ΣF_x = 0, ΣF_y = 0, dan ΣM = 0 untuknya. Mengambil momen terhadap sebuah pin menghilangkan kedua komponen gaya pin itu dari persamaan.

Sudut kabel

BC = √(3² + 1,5²) = 3,354 m, sin β = 0,4472

Momen terhadap A

T·0,4472·3 = 10·3 + 0,5·1,5

T = 22,92 kN

Jawaban

T = 22,92 kN

9.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: D (x = 6 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 = 25 kN, R₂ = 15 kN

Momen lentur pada setiap tanda

Jumlahkan momen semua gaya pada satu sisi potongan. Positif (sagging) adalah positif, negatif (hogging) adalah negatif.

M_A = 0, M_B = 50, M_C = 70, M_D = 90 kN·m, M_E = 60, M_F = 30, M_G = 0

Jawaban

Tanda D: M_D = 90 kN·m

10.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: x₀ = 2,25 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.

Resultan beban merata: W = w·ℓ = 16·3 = 48 kN, bekerja di x̄ = 1,5 m

ΣM_A = 0: R_B·6 = 16·3·1,5

R_B = 72/6 = 12 kN

ΣF_y = 0: R_A = 48 − 12 = 36 kN

Gaya geser nol

Gaya geser mulai dari R_A, tetap konstan di bagian yang tidak dibebani, dan turun dengan kemiringan w di dalam beban.

R_A − w·(x₀ − 0) = 0

x₀ = 0 + 36/16 = 2,25 m

Jawaban

x₀ = 2,25 m

11.Titik berat & momen inersia

Jawaban: I_x = 10,64 × 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: A_f = 220·20 = 4400 mm², y_f = 120 + 20/2 = 130 mm

badan: A_w = 20·120 = 2400 mm², y_w = 120/2 = 60 mm

Titik berat

ȳ = (A_fy_f + A_wy_w)/(A_f + A_w) = (4400·130 + 2400·60)/6800 = 105,3 mm

Teorema sumbu sejajar

sayap: 220·20³/12 + 4400·(130 − 105,3)² = 2,832 × 10⁶ mm⁴

badan: 20·120³/12 + 2400·(60 − 105,3)² = 7,804 × 10⁶ mm⁴

I_x = 2,832 × 10⁶ + 7,804 × 10⁶ = 1,064 × 10⁷ mm⁴ = 10,64 × 10⁶ mm⁴

Jawaban

I_x = 10,64 × 10⁶ mm⁴

12.Titik berat & momen inersia

Jawaban: σ_j = 34,46 MPa

Persegi panjang luar dikurangi dua potongan samping

Kedua potongan bersama-sama selebar (B − t_w) dan setinggi h_w = H − 2t_f, dan memakai sumbu x yang sama.

h_w = 440 − 2·24 = 392 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (140·440³ − 130·392³)/12

I_x = 3,413 × 10⁸ mm⁴

Tegangan lentur

y = 220 − 24 = 196 mm

σ = M·y/I = 6 × 10⁷·196/3,413 × 10⁸ = 34,46 MPa

Jawaban

σ_j = 34,46 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics