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

Tentukan sudut θ antara vektor a = (−5, −1, −1) dan b = (2, 5, −4), dalam derajat.

a = (−5, −1, −1)b = (2, 5, −4)

θ = °

2.Vektor: hasil kali titik & silangSulit

Sebuah gaya F = (−30, 20, −10) N bekerja di titik A(4, 4, 0). Koordinat dalam meter. Tentukan komponen z M_z dari momen gaya terhadap titik asal O(0, 0, 0).

F = (−30, 20, −10) NA(4, 4, 0) mO(0, 0, 0) m

M_z = N·m

3.Reaksi tumpuan balokSedang

Balok sederhana memiliki tumpuan sendi di A dan rol di B. Balok menahan beban terpusat P pada 3 m dari A dan kopel berlawanan arah jarum jam M pada 1,5 m dari A. Cari reaksi vertikal R_A, dengan arah ke atas positif.

L = 4 mP = 25 kN di 3 mM = 50 kN·m (berlawanan arah jarum jam) di 1,5 m

R_A = kN

4.Reaksi tumpuan balokSulit

Balok memiliki tumpuan sendi di A dan rol di B, 6 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 4 m sampai ujung bebas di 8 m. Cari reaksi vertikal R_A, dengan arah ke atas positif.

AB = 6 mAC = 8 mP = 45 kN di 2 mw = 3 kN/m dari 4 sampai 8 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 = 8 mtinggi = 3 mB berjarak 6 m dari Abeban vertikal = 45 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 = 6 mtinggi = 2 mB berjarak 2 m dari Abeban vertikal = 50 kNbeban horizontal = 30 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 20° dengan garis AC. Gaya ke bawah 400 N dikenakan di B. Penggeser C menekan benda kerja. Dengan mengabaikan gesekan dan berat, cari gaya penjepitan horizontal Q.

F = 400 Nθ = 20°

Q = N

8.Rangka & mesinSulit

Rangka yang ditunjukkan memiliki pin di A, B, dan C; A dan C dipasang pada tanah berjarak 8 m, dan B setinggi 2,5 m dan 3,6 m di kanan A. Batang AB memikul beban vertikal 10 kN di K, 2,16 m (secara horizontal) dari A, dan beban horizontal 3 kN ke kanan bekerja di B pada batang AB. Cari besar reaksi horizontal A_x di A.

P = 10 kNQ = 3 kNL = 8 mH = 2,5 mjarak horizontal A ke B = 3,6 mjarak horizontal A ke K = 2,16 m

A_x = 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.

10 kN @ 2 m10 kN/m, 0–12 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

Cari momen lentur M_x pada potongan x = 1,5 m dari tumpuan A. Anggap positif momen yang membuat serat bawah tertarik dan gaya geser ke atas pada muka kiri.

L = 5 mP = 35 kN di 2 mw = 5 kN/m dari 0 sampai 5 mx = 1,5 m

M_x = kN·m

11.Titik berat & momen inersiaSedang

Profil I simetris memiliki sayap selebar 250 mm dan setebal 16 mm, tinggi total 340 mm, dan badan setebal 12 mm. Cari momen inersianya I_x terhadap sumbu titik berat horizontal x.

B = 250 mmH = 340 mmt_f = 16 mmt_w = 12 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

12.Titik berat & momen inersiaSulit

Sebuah pelat 100 mm × 150 mm memiliki potongan persegi panjang selebar 50 mm dan setinggi 40 mm, di tengah garis tengah vertikal dengan pusat 105 mm di atas dasar. Cari momen inersia luas I_x terhadap sumbu horizontal melalui titik berat.

b = 100 mmh = 150 mmpotongan: 50 × 40 mmpusat lubang: y = 105 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

3Larutan

1.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: θ = 108,4 °

Perkalian titik: a·b = a_xb_x + a_yb_y + a_zb_z = |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 = (−5)·2 + (−1)·5 + (−1)·(−4) = −11

Besar vektor

|a| = √((−5)² + (−1)² + (−1)²) = 5,196

|b| = √(2² + 5² + (−4)²) = 6,708

Sudut

cos θ = −11/(5,196·6,708) = −0,3156

θ = arccos(−0,3156) = 108,4°

Jawaban

θ = 108,4°

2.Vektor: hasil kali titik & silang

Jawaban: M_z = 200 N·m

Perkalian silang: a × b = (a_yb_z − a_zb_y, a_zb_x − a_xb_z, a_xb_y − a_yb_x) 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 M_O = r × F, dengan r = A − O.

Vektor posisi dari O ke A

r = A − O = (4, 4, 0) − (0, 0, 0) = (4, 4, 0) m

Momen M = r × F

(r × F)_x = r_yF_z − r_zF_y = 4·(−10) − 0·20 = −40 N·m

(r × F)_y = r_zF_x − r_xF_z = 0·(−30) − 4·(−10) = 40 N·m

(r × F)_z = r_xF_y − r_yF_x = 4·20 − 4·(−30) = 200 N·m

Komponen yang diminta

M_z = 200 N·m

Jawaban

M_z = 200 N·m

3.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: R_A = 18,75 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.

Momen terhadap A

Berlawanan arah jarum jam positif.

ΣM_A = 0: R_B·4 − 25·3 + 50 = 0

R_B = 25/4 = 6,25 kN

Kesetimbangan vertikal

R_A = 25 − 6,25 = 18,75 kN

Jawaban

R_A = 18,75 kN

Reaksi negatif bekerja ke bawah.

4.Reaksi tumpuan balok

Jawaban: R_A = 30 kN

Resultan beban merata

W = 3·4 = 12 kN, x̄ = (4 + 8)/2 = 6 m

Kesetimbangan

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

ΣM_A = 0: R_B·6 = 45·2 + 12·6

R_B = 162/6 = 27 kN

R_A = 57 − 27 = 30 kN

Jawaban

R_A = 30 kN

5.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: F_AC = 22,5 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·8 = 45·6 → C_y = 33,75 kN

ΣF_y = 0: A_y = 45 − 33,75 = 11,25 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 = 3/3,606 = 0,8321, cos γ = 2/3,606 = 0,5547

ΣF_y = 0: C_y + F_BC·sin γ = 0 → F_BC = −33,75/0,8321 = −40,56 kN

ΣF_x = 0: −F_AC − F_BC·cos γ = 0 → F_AC = −(−40,56)·0,5547 = 22,5 kN

Jawaban

F_AC = 22,5 kN (tarik)

6.Rangka batang: metode titik buhul

Jawaban: F_AB = −33 kN

Reaksi tumpuan

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

ΣM_A = 0: C_y·6 = 50·2 + 30·2 → C_y = 26,67 kN

ΣF_y = 0: A_y = 50 − 26,67 = 23,33 kN

ΣF_x = 0: A_x = −30 kN

Titik buhul A

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

sin α = 2/2,828 = 0,7071

ΣF_y = 0: A_y + F_AB·sin α = 0

F_AB = −23,33/0,7071 = −33 kN

Jawaban

F_AB = −33 kN (tekan)

7.Rangka & mesin

Jawaban: Q = 549,5 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 20° = 400

F_link = 584,8 N

Gaya penjepitan

Q = F_link·cos 20° = 400/(2·tan 20°) = 549,5 N

Jawaban

Q = 549,5 N

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

8.Rangka & mesin

Jawaban: A_x = 3,402 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.

Arah BC

BC = 5,061 m, cos = 0,8695, sin = 0,494

Seluruh rangka: momen terhadap A

F_BC·0,494·8 = 10·2,16 + 3·2,5

F_BC = 7,363 kN

Keseimbangan horizontal

A_x + 3 − 7,363·0,8695 = 0

A_x = 3,402 kN → |A_x| = 3,402 kN

Jawaban

A_x = 3,402 kN

A_x mengarah ke kanan.

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 = 68,33 kN, R₂ = 61,67 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 = 116,7, M_C = 173,3, M_D = 190 kN·m, M_E = 166,7, M_F = 103,3, M_G = 0

Jawaban

Tanda D: M_D = 190 kN·m

10.Gaya geser & momen lentur

Jawaban: M_x = 44,63 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 = 5·5 = 25 kN, bekerja di x̄ = 2,5 m

ΣM_A = 0: R_B·5 = 35·2 + 5·5·2,5

R_B = 132,5/5 = 26,5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 60 − 26,5 = 33,5 kN

Potong di x = 1,5 m dan ambil bagian kiri

Hanya gaya di kiri potongan yang diperhitungkan. Bagian beban merata bekerja sebagai satu gaya di tengah bagian itu.

M = R_A·x − (setiap beban di kiri potongan × jaraknya ke potongan)

M_x = 33,5·1,5 − 5·1,5·0,75 = 44,63 kN·m

Jawaban

M_x = 44,63 kN·m

11.Titik berat & momen inersia

Jawaban: I_x = 239,3 × 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 = I_c + 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 − t_w) dan setinggi h_w = H − 2t_f, dan memakai sumbu x yang sama.

h_w = 340 − 2·16 = 308 mm

I_x = (B·H³ − (B − t_w)·h_w³)/12 = (250·340³ − 238·308³)/12

I_x = 2,393 × 10⁸ mm⁴ = 239,3 × 10⁶ mm⁴

Jawaban

I_x = 239,3 × 10⁶ mm⁴

12.Titik berat & momen inersia

Jawaban: I_x = 25,78 × 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 = (I_c1 + A₁d₁²) − (I_c2 + A₂d₂²), dengan d jarak dari titik berat masing-masing bagian ke sumbu yang melalui ȳ. Persegi panjang memiliki I_c = bh³/12 dan lingkaran I_c = πd⁴/64.

Titik berat

ȳ = (15000·75 − 2000·105)/(15000 − 2000) = 70,38 mm

Pelat penuh terhadap ȳ

100·150³/12 + 15000·4,615² = 28,44 × 10⁶ mm⁴

Lubang terhadap ȳ

50·40³/12 + 2000·34,62² = 2,663 × 10⁶ mm⁴

Kurangkan

I_x = 25,78 × 10⁶ mm⁴

Jawaban

I_x = 25,78 × 10⁶ mm⁴

ExamProblems · examproblems.com/courses/statics