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
xyzdFAB

Gaya konstan F = (−25, −20, −30) N bekerja pada sebuah benda yang bergerak lurus dari titik A(−2, 5, −3) ke titik B(−5, 5, 4). Koordinat dalam meter. Tentukan usaha W yang dilakukan gaya itu.

F = (−25, −20, −30) NA(−2, 5, −3) mB(−5, 5, 4) m
W = J
2.Vektor: hasil kali titik & silangSulit
xyzab

Untuk a = (4, −3, −5) dan b = (−1, −4, −3), tentukan komponen z (a × b)z dari hasil kali silang a × b.

a = (4, −3, −5)b = (−1, −4, −3)
(a × b)z =
3.Reaksi tumpuan balokSedang
P1​ = 35 kNP2​ = 35 kNABRA​ = ?RB​3 m0,5 m2,5 m

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

L = 6 mP1 = 35 kN di 3 mP2 = 35 kN di 3,5 m
RA = kN
4.Reaksi tumpuan balokSulit
P = 55 kN, 45°Q = 80 kNABRA​ = ?1,5 m3 m0,5 m

Balok sederhana memiliki tumpuan sendi di A dan rol di B. Beban P bekerja pada 1,5 m dari A, miring 45° terhadap horizontal, dan beban vertikal Q bekerja pada 4,5 m dari A. Cari besar gaya reaksi total RA di sendi A.

L = 5 mP = 55 kN di 1,5 m, θ = 45°Q = 80 kN di 4,5 m
RA = kN
5.Rangka batang: metode titik buhulSedang
ABBCACACB50 kN5 m4 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 4 m dari Abeban vertikal = 50 kN
FBC = kN
6.Rangka batang: metode titik buhulSulit
ABBCACACB15 kN10 kN8 m1 m3 m

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

bentang = 8 mtinggi = 3 mB berjarak 1 m dari Abeban vertikal = 15 kNbeban horizontal = 10 kN →
FAC = kN
7.Rangka & mesinSedang
500 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 500 N dikenakan di B. Penggeser C menekan benda kerja. Dengan mengabaikan gesekan dan berat, cari gaya penjepitan horizontal Q.

F = 500 Nθ = 20°
Q = N
8.Rangka & mesinSulit
8 kN1,5 kN3 m2 mABC

Sebuah boom horizontal seragam AB dengan berat 1,5 kN dipasang dengan pin pada dinding di A dan ditahan oleh kabel dari B ke titik C pada dinding, 2 m di atas A. Beban 8 kN tergantung di B. Cari besar reaksi pin A.

W = 8 kNWb = 1,5 kNAB = 3 mAC = 2 m
A = kN
9.Gaya geser & momen lenturSedang
M0​ = 25 kN·mAB2,5 m2,5 m

Balok sederhana menahan kopel searah jarum jam M0 = 25 kN·m di x = 2,5 m dari A, tanpa beban lain. Cari momen lentur Mx tepat di kiri kopel. Anggap positif momen yang membuat serat bawah tertarik dan gaya geser ke atas pada muka kiri.

L = 5 mM0 = 25 kN·m searah jarum jam, di 2,5 m
Mx = kN·m
10.Gaya geser & momen lenturSulit
w = 2 kN/mP = 50 kNABpotongan1 m6,5 m2,5 m

Cari momen lentur Mx pada potongan x = 7,5 m dari tumpuan A. Anggap positif momen yang membuat serat bawah tertarik dan gaya geser ke atas pada muka kiri.

L = 10 mP = 50 kN di 1 mw = 2 kN/m dari 0 sampai 10 mx = 7,5 m
Mx = kN·m
11.Titik berat & momen inersiaSedang
2003020010xdimensi dalam mm

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

bf = 200 mmtf = 30 mmtw = 10 mmhw = 200 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersiaSulit
1401518020xM = 15 kN·mdimensi dalam mm

Penampang T dipakai sebagai balok dengan sayap di atas dan menahan momen lentur positif 15 kN·m. Cari tegangan lentur σbawah di tepi bawah.

bf = 140 mmtf = 15 mmtw = 20 mmhw = 180 mmM = 15 kN·m
σbawah = MPa

3Larutan

1.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: W = −135 J

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.

Perpindahan

d = B − A = (−5, 5, 4) − (−2, 5, −3) = (−3, 0, 7) m

Usaha

W = F·d = (−25)·(−3) + (−20)·0 + (−30)·7 = −135 J

Jawaban

W = −135 J

Usaha negatif: gaya sebagian besar bekerja melawan gerakan.

2.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: (a × b)z = −19

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, komponen demi komponen

(a × b)x = aybz − azby = (−3)·(−3) − (−5)·(−4) = −11
(a × b)y = azbx − axbz = (−5)·(−1) − 4·(−3) = 17
(a × b)z = axby − aybx = 4·(−4) − (−3)·(−1) = −19

Komponen yang diminta

(a × b)z = −19

Jawaban

(a × b)z = −19

Periksa: a × b tegak lurus terhadap kedua vektor, jadi hasil kali titiknya dengan a dan dengan b adalah nol.

3.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RA = 32,08 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​ = 35 kNABRA​RB​3 m0,5 m2,5 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·6 = 35·3 + 35·3,5
RB = 227,5/6 = 37,92 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 37,92 = 32,08 kN

Jawaban

RA = 32,08 kN
4.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: RA = 52,47 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.

Komponen P

Pv = 55·sin 45° = 38,89 kN
Ph = 55·cos 45° = 38,89 kN

Reaksi

ΣMA = 0: RB·5 = 38,89·1,5 + 80·4,5 → RB = 83,67 kN
Ay = 38,89 + 80 − 83,67 = 35,22 kN
Ax = Ph = 38,89 kN

Resultan di A

RA = √(38,89² + 35,22²) = 52,47 kN

Jawaban

RA = 52,47 kN
5.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: FBC = −44,72 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 kNAy​Cy​

Reaksi tumpuan

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 50·4 → Cy = 40 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 40 = 10 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 = 2/2,236 = 0,8944, cos γ = 1/2,236 = 0,4472
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −40/0,8944 = −44,72 kN

Jawaban

FBC = −44,72 kN (tekan)
6.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: FAC = 13,13 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 kN10 kNAy​Cy​Ax​

Reaksi tumpuan

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 15·1 + 10·3 → Cy = 5,625 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 5,625 = 9,375 kN
ΣFx = 0: Ax = −10 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 = 3/7,616 = 0,3939, cos γ = 7/7,616 = 0,9191
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −5,625/0,3939 = −14,28 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−14,28)·0,9191 = 13,13 kN

Jawaban

FAC = 13,13 kN (tarik)
7.Rangka & mesin

Jawaban: Q = 686,9 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° = 500
Flink = 731 N

Gaya penjepitan

Q = Flink·cos 20° = 500/(2·tan 20°) = 686,9 N

Jawaban

Q = 686,9 N

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

8.Rangka & mesin

Jawaban: A = 13,15 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.

Tarikan kabel

T = (8 + 1,5/2)/0,5547 = 15,77 kN

Komponen di A

Ax = T·cos β = 13,13 kN
Ay = 8 + 1,5 − T·sin β = 0,75 kN

Besar

A = √(13,13² + 0,75²) = 13,15 kN

Jawaban

A = 13,15 kN
9.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: Mx = −12,5 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. Kopel yang bekerja membuat diagram momen lentur melompat sebesar kopel tersebut.

Reaksi tumpuan

Momen terhadap A, positif berlawanan arah jarum jam: RB·L − M0 = 0. Kesetimbangan vertikal: RA + RB = 0.

RB = M0/L = 25/5 = 5 kN (ke atas)
RA = −RB = −5 kN (ke bawah)

Potong tepat di kiri kopel

Bagian kiri hanya memuat RA.

Mx = RA·a = −5·2,5 = −12,5 kN·m

Jawaban

Mx = −12,5 kN·m
10.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: Mx = 31,25 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 = 2·10 = 20 kN, bekerja di x̄ = 5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 50·1 + 2·10·5
RB = 150/10 = 15 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 15 = 55 kN
w = 2 kN/mP = 50 kNABRA​ = 55RB​ = 15potongan1 m6,5 m2,5 m

Potong di x = 7,5 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 = 55·7,5 − 50·(7,5 − 1) − 2·7,5·3,75 = 31,25 kN·m

Jawaban

Mx = 31,25 kN·m
11.Titik berat & momen inersia

Jawaban: Ix = 26,95 × 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 = 200·30 = 6000 mm², yf = 200 + 30/2 = 215 mm
badan: Aw = 10·200 = 2000 mm², yw = 200/2 = 100 mm

Titik berat

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (6000·215 + 2000·100)/8000 = 186,3 mm

Teorema sumbu sejajar

sayap: 200·30³/12 + 6000·(215 − 186,3)² = 5,409 × 10⁶ mm⁴
badan: 10·200³/12 + 2000·(100 − 186,3)² = 2,154 × 10⁷ mm⁴
Ix = 5,409 × 10⁶ + 2,154 × 10⁷ = 2,695 × 10⁷ mm⁴ = 26,95 × 10⁶ mm⁴

Jawaban

Ix = 26,95 × 10⁶ mm⁴
12.Titik berat & momen inersia

Jawaban: σbawah = 84,44 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 = 140·15 = 2100 mm², yf = 180 + 15/2 = 187,5 mm
badan: Aw = 20·180 = 3600 mm², yw = 180/2 = 90 mm

Titik berat

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (2100·187,5 + 3600·90)/5700 = 125,9 mm

Teorema sumbu sejajar

sayap: 140·15³/12 + 2100·(187,5 − 125,9)² = 8,003 × 10⁶ mm⁴
badan: 20·180³/12 + 3600·(90 − 125,9)² = 1,437 × 10⁷ mm⁴
Ix = 8,003 × 10⁶ + 1,437 × 10⁷ = 2,237 × 10⁷ mm⁴

Tegangan lentur

Tepi bawah berjarak ȳ dari sumbu.

y = 125,9 mm
σ = M·y/I = 1,5 × 10⁷·125,9/2,237 × 10⁷ = 84,44 MPa

Jawaban

σbawah = 84,44 MPa

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics