Dinamika Rotasi dan Keseimbangan Benda Tegar

URAIAN PEMBELAJARAN

Anda telah mempelajari dinamika partikel, dimana benda dianggap sebagai suatu titik materi (ukuran benda diabaikan), sehingga gaya-gaya yang bekerja pada benda hanya mungkin menyebabkan gerak translasi. Dalam Bab ini anda akan mempelajari dinamika rotasi dan keseimbangan benda tegar. Dalam benda tegar, ukuran benda tidak diabaikan, sehingga gaya-gaya yang bekerja pada benda dapat menyebabkan gerak translasi dan rotasi terhadap suatu poros. Pada gerak rotasi, benda bergerak berputar pada porosnya. Perhatikan gambar di atas. Komedi putar dikatakan melakukan gerak rotasi karena lintasannya berbentuk lingkaran dan ada sumbu sebagai pusatnya. Bagaimana dengan dinamika gerak rotasi tersebut?

Dinamika Rotasi Benda Tegar

Gerak rotasi benda dapat diamati dalam berbagai peristiwa di lingkungan kalian. Bola yang menggelinding, gerak engsel pada pintu, gerakan katrol, sekrup, dan roda merupakan contoh gerak rotasi benda. Sebagian besar gerak rotasi yang dialami benda tidak terjadi dengan sendirinya, tetapi ada sesuatu yang menyebabkan benda tersebut berotasi. Pada bab ini kalian akan mempelajari bagaimana sebuah benda dapat berotasi dan apa yang menyebabkannya.

1.1 Benda Tegar

Perhatikan Gambar di atas! Ada dua buah batangan, benda A terbuat dari besi dan benda B terbuat dari adonan tepung yang agak lembek. Apabila kedua benda itu diputar dengan memegang salah satu ujungnya, kira-kira apakah yang akan terjadi? Benda A bentuknya relatif tetap, sedangkan benda B akan mengalami perubahan bentuk. Pada putaran dengan frekuensi tertentu benda B akan meregang dan tidak kembali pada bentuk semula. Jadi, dapat dinyatakan bahwa benda A adalah benda tegar dan benda B bukan benda tegar. Benda tegar adalah benda yang tidak mengalami perubahan bentuk akibat pengaruh gaya atau momen gaya.

Torsi

Apakah Torsi Itu?

Untuk melihat suatu benda diam menjadi bergerak translasi (lurus), anda perlu mengerjakan gaya pada benda itu. Analog dengan itu, untuk membuat suatu benda tegar berotasi (berputar) terhadap suatu poros tertentu, anda perlu mengerjakan torsi (dari bahasa latin torquere; memutar) pada suatu benda.Momen gaya atau torsi merupakan besaran yang mengakibatkan benda berotasi atau berputar. Besaran-besaran apakah yang berkaitan dengan torsi?

Berdasarkan Gambar di atas, orang memberikan gaya kepada kunci sehingga kunci dapat memutar baut. Baut berfungsi sebagai sumbu rotasi, sedangkan perpanjangan garis gaya disebut garis kerja gaya. Jika gaya yang diberikan tangan (garis kerja gaya) tegak lurus terhadap lengan kunci, maka lengan kunci ini berfungsi sebagai lengan gaya. Namun, jika gaya yang diberikan tidak tegak lurus lengan kunci, maka lengan gaya merupakan jarak yang tegak lurus dari sumbu rotasi dengan garis kerja gaya.

Sekarang coba perhatikan Gambar d atas! Untuk memutar baut, kedudukan tangan seperti gambar (c) lebih mudah dilakukan daripada kedudukan tangan pada gambar (b) dan (a). Sementara kedudukan tangan seperti gambar (b) lebih mudah dilakukan daripada seperti gambar (a). Gaya yang diperlukan untuk memutar baut pada kedudukan (c) lebih kecil dari gaya yang diperlukan pada gambar (b) atau (a). Berdasarkan fakta ini, besar gaya putar atau momen gaya tidak hanya ditentukan oleh besar gaya, tetapi juga panjang lengan gaya. Hubungan ketiga faktor ini, diberikan dengan persamaan berikut.

Berdasarkan sifat perkalian silang dua vektor, besar momen gaya dapat dicari dengan rumus:

Seperti halnya gaya F, torsi t juga termasuk vektor, yang memiliki besar dan arah. Bedanya, arah torsi hanya dua, searah atau berlawanan arah jarum jam. Kedua arah torsi ini cukup dibedakan dengan memberikan tanda positif atau negatif. Supaya konsisten dengan aturan matematika maupun aturan arah pada momentum sudut dan gaya Lorentz, penentuan arah positif untuk torsi mengikuti aturan putaran tangan kanan (Gambar berikut).

Momen Inersia Benda Diskrit (Partikel)

Perhatikan gambar di atas! Dalam gerak melingkar, kecepatan linear dinyatakan dengan , dengan ω adalah kecepatan sudut. Oleh karena itu, besar energi kinetik rotasi partikel dapat dinyatakan sebagai berikut.

Dari persamaan di atas, diperoleh nilai mr² yang menyatakan momen inersia dari partikel yang bergerak melingkar. Momen inersia dilambangkan dengan I.

Dengan demikian, momen inersia sebuah partikel sebanding dengan massa partikel dan kuadrat jarak antara partikel dan sumbu putarnya. Momen inersia merupakan besaran skalar yang memiliki satuan kgm².
Benda yang terdiri atas susunan partikel (titik), jika melakukan gerak rotasi memiliki momen inersia sama dengan hasil jumlah dari momen inersia partikel penyusunnya.

Momen Inersia Benda Tegar dengan massa terdistribusi kontinu

Jika benda tegar memiliki distribusi massa yang kontinu, seperti silinder pejal atau pelat, kita perlu mengitung momen inersia dengan metode integrasi untuk menghitung penjumlahan.

Jika suatu benda tegar tidak dapat ditampilkan sebagai kumpulan partikel, melainkan merupakan distribusi massa yang kontinu, penjumlahan dengan tanda sigma (S) pada persamaan harus diganti dengan tanda integral (ò). Kita bayangkan membagi benda menjadi berbagai elemen massa kecil dm yang berjarak r dari poros rotasi (gambar 2.7), sehingga momen inersia I dapat dinyatakan oleh:

Hasil-hasil metode integrasi untuk menentukan momen inersia berbagai benda ditunjukkan pada Tabel berikut.

Kaitan Torsi dengan Percepatan Sudut

Anda telah mengetahui bahwa gaya F menyebabkan suatu benda bergerak translasi dengan percepatan linear a. Anda juga mengetahui bahwa torsi t menyebabkan suatu benda berotasi terhadap suatu poros tertentu. Karena torsi t analog dengan gaya F dan percepatan sudut a analog dengan percepatan linear a, kita bertanya apakah torsi t berkaitan dengan percepatan sudut a dari gerak rotasi?

Sekarang kita akan menurunkan persamaan yang menghubungkan torsi dengan percepatan sudut. Gambar di atas menunjukkan sebuah partikel bermassa m yang sedang berotasi pada jarak r dari poros O. Sebuah gaya F yang tegak lurus pada lintasan partikel memberikan percepatan tangensial a_t sesuai dengan persamaan:

Kita mengenal rF sebagai torsi gaya t yang dihasilkan oleh gaya F terhadap poros rotasi partikel dan mr² sebagai momen inersia partikel I. Dengan demikian, persamaan tersebut dapat ditulis sebagai berikut.

Rumus adalah hukum II Newton untuk benda yang bergerak rotasi, yang analog dengan F = m.a, hukum II Newton untuk benda yang bergerak translasi. Jadi, dalam gerak rotasi, torsi berperan seperti gaya pada gerak translasi.

Kerjakan sebagai latihan
Sebuah roda berbentuk cakram homogen dengan jari-jari 40 cm dan massa 50 kg. Jika benda tersebut mengalami percepatan sudut sebesar 10 rad/s², hitunglah momen gaya yang bekerja pada roda tersebut!
Sebuah benda tegar berotasi dengan percepatan sudut 15 rad/s² karena bekerja momen gaya sebesar 30 Nm. Tentukanlah momen inersia benda tersebut!
Hukum Kekekalan Momentum Sudut

Pernahkan Anda menggulung benang layangan dengan kaleng bekas? Jika dua buah kaleng, yang satunya kecil dan yang satunya lagi besar, digunakan untuk menggulung benang, kaleng manakah yang akan menyebabkan putaran tangan kita lebih cepat jika panjang benang dan waktu yang digunakan untuk menggulung adalah sama? Hal ini dapat dijelaskan dengan konsep hukum kekekalan momentum.

Momentum Sudut

Anda telah mengenal besaran momentum linear yang dinyatakan oleh P = m.v. Pada gerak rotasi, yang analog dengan momentum linear adalah momentum sudut. Massa analog dengan momen inersia, kecepatan linear analog dengan kecepatan sudut, maka momentum sudut momentum sudut didefinisikan sebagai perkalian antara momen inersia dan kecepatan sudut. Secara matematis, ditulis sebagai berikut.

Momentum sudut merupakan besaran vektor karena memiliki besar dan arah. Arah momentum sudut dapat ditentukan dengan aturan tangan kanan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar di atas. Arah putaran keempat jari menunjukkan arah rotasi, sedangkan ibu jari menunjukkan arah momentum sudut.

Jika lengan torsi terhadap poros r dan kecepatan linear v benda (benda dianggap partikel) diberikan, besar momentum sudut L dapat dihitung sebagai berikut.

Formulasi Hukum Kekekalan Momentum Sudut pada Gerak Rotasi

Hukum kekekalan momentum linear menyatakan bahwa jika pada suatu sistem tidak bekerja resultan gaya luar ( ), momentum linear sistem adalah kekal (tetap besarnya). Pada gerak rotasi pun anda akan menjumpai hukum kekekalan momentum sudut.
Jika momen gaya luar sama dengan nol, berlaku Hukum Kekekalan Momentum Sudut, yaitu momentum sudut awal akan sama besar dengan momentum sudut akhir. Secara matematis, pernyataan tersebut ditulis sebagai berikut.

Hukum Kekekalan momentum sudut
“ jika tidak ada resultan momen gaya luar yang bekerja pada sistem ( ), momentum sudut sistem adalah kekal (tetap besarnya)”.

Dari persamaan hukum kekekalan momentum sudut, dapat dilihat bahwa apabila I bertambah besar, ω akan semakin kecil. Sebaliknya, apabila ω semakin besar maka I akan mengecil. Prinsip ini diaplikasikan oleh pemain ice skating dalam melakukan putaran (Gambar 2.11). Saat akan memulai putaran badan, pemain ice skating merentangkan lengannya (momen inersia pemain akan semakin besar karena jarak lengan dengan badan bertambah). Kemudian, ia merapatkan kedua lengannya ke arah atas badannya agar momen inersianya mengecil (karena jarak lengan dengan badan mengecil) sehingga putaran badannya akan semakin cepat (kecepatan sudutnya membesar).

Contoh lainnya adalah pada saat menggulung benang layangan dengan dua buah kaleng bekas yang berbeda diameternya. Untuk kaleng bekas yang diameternya lebih besar, maka jari-jarinya juga besar. Jari-jari yang besar akan memberikan momen inersia yang besar juga. Dengan momen inersia besar, menurut hukum kekekalan momentum sudut, akan menyebabkan kecepatan sudut kecil. Sebaliknya, kaleng bekas yang diameternya lebih kecil, maka jari-jarinya juga kecil. Jari-jari yang kecil akan memberikan momen inersia yang kecil juga. Dengan momen inersia kecil, menurut hukum kekekalan momentum sudut, akan menyebabkan kecepatan sudut membesar. Itu sebabnya, menggulung dengan kaleng bekas yang diameternya lebih kecil akan menyebabkan putaran tangan kita menjadi lebih cepat dibandingkan menggulung dengan kaleng bekas yang diameternya lebih besar.

Keseimbangan Statis Sistem Partikel

Dalam sistem partikel, benda dianggap sebagai suatu titik materi. Semua gaya yang bekerja pada benda dianggap bekerja pada titik materi tersebut, sehingga gaya yang bekerja pada partikel hanya menyebabkan gerak translasi (tidak menyebabkan gerak rotasi). Oleh karena itu, syarat yang berlaku bagi keseimbangan sistem partikel hanyalah keseimbangan translasi.

Anda telah mengetahui bahwa bisa berarti benda terus diam atau benda bergerak lurus beraturan. Nah, keseimbangan yang dimaksud dalam subbab ini adalah keseimbangan statis sitem partikel, yang berarti dan benda terus diam. Jika tetapi benda terus bergerak lurus beraturan, ini adalah keseimbangan kinetis.

Keseimbangan tiga gaya secara sederhana diuraikan dengan menggunakan aturan sinus dalam segitiga (Gambar berikut).

Keseimbangan Statis Benda Tegar

Suatu benda tegar disebut seimbang statis jika benda tegar itu tidak bergerak translasi dan juga tidak bergerak rotasi (Perhatikan Gambar di atas). Apakah syarat dari keseimbangan statis benda tegar? Telah anda ketahui bahwa untuk sistem partikel, syarat keseimbangan statis cukup dan benda mula-mula diam. Apakah pada keseimbangan statis benda tegar juga hanya berlaku syarat ini?

Pada gambar di atas diilustrasikan bahwa walaupun , tetapi mistar masih bisa berotasi terhadap poros O. Rotasi ini terjadi karena torsi total terhadap poros O tidak nol ( ). Supaya mistar tidak berotasi, maka resultan torsi pada titik apa saja yang diambil sebagai poros haruslah nol ( ). Akhirnya, dapatlah kita nyatakan syarat keseimbangan statis benda tegar sebagai berikut.

Suatu benda tegar berada dalam keseimbangan statis bila mula-mula benda dalam keadaan diam dan resultan gaya pada benda sama dengan nol, serta torsi terhadap titik sembarang yang dipilih sebagai poros sama dengan nol.

Secara matematis, syarat keseimbangan statis benda tegar yang terletak pada suatu bidang datar (misal bidang XY) dinyatakan sebagai berikut:

Beberapa contoh aplikasi keseimbangan statis benda tegar dalam kehidupan sehari-hari.
Pemain akrobat berjalan di atas tali.

Perhatikan Gambar di atas! Pemain akrobat berjalan di atas tali dengan membawa tongkat yang panjang. Pemain ini memegang tongkat tepat di tengah-tengah. Akibatnya, gaya berat tongkat pada setiap sisi sama besar. Gaya ini menimbulkan momen gaya pada sumbu putar (tubuh pemain akrobat) sama besar dengan arah berlawanan, sehingga terjadi keseimbangan rotasi. Ini menyebabkan pemain lebih mudah berjalan di atas tali.

Petani memikul dua buah keranjang yang dihubungkan dengan sebuah bambu.

Perhatikan Gambar di atas! Petani memegang bambu tepat di tengah-tengah. Akibatnya, gaya berat bambu pada setiap sisi sama besar. Gaya ini menimbulkan momen gaya pada sumbu putar (tubuh petani) sama besar dengan arah berlawanan, sehingga terjadi keseimbangan rotasi. Ini menyebabkan petani lebih mudah membawa kedua keranjangnya.

Contoh

Pada gambar di atas tampak dua orang anak sedang bermain jungkat-jungkit. Massa anak yang putri adalah 25 kg, sedangkan massa anak yang putra adalah 50 kg. Anak putri berada 3 m dari pusat rotasi jungkat-jungkit, sedangkan anak yang putra berada 1,5 m dari pusat rotasi jungkat-jungkit. Tentukan apakah kedua anak tersebut dalam keadaan seimbang atau tidak! (g = 10 m/s²)

Diketahui:
m_p = 25 kg
r_p = 3 m
m_L = 50 kg
r_L = 1,5 m
Ditanyakan: apakah kedua anak dalam keadaan seimbang?

Titik Berat

Perhatikan gambar di atas! Dengan menumpukan tangannya pada tengah-tengah tempat banten, seorang gadis bali membawa banten tersebut sambil berjalan ke suatu tempat dengan tidak jatuh. Hal ini dapat dijelaskan dengan baik dengan memahami konsep titik berat.

Apakah Titik Berat Itu?

Setiap partikel dalam suatu benda tegar memiliki berat. Berat keseluruhan benda adalah resultan dari semua gaya gravitasi berarah vertikal ke bawah dari semua partikel ini, dan resultan ini bekerja melalui suatu titik tunggal, yang disebut titik berat (atau pusat gravitasi).

Kita juga dapat menyatakan titik berat sebagai suatu titik dimana resultan gaya gravitasi partikel-partikel terkonsentrasi pada titik ini. Karena itu, resultan torsi dari gaya gravitasi partikel-partikel pada titik beratnya haruslah nol. Buktinya sangat mudah, tumpulah benda tegar pada titik beratnya, maka benda berada dalam kondisi keseimbangan statis dan tidak akan jatuh.

Bagaimana Menentukan Letak Titik Berat?

Menentukan letak titik berat benda homogen yang memiliki sumbu simetri seperti mistar kayu sangatlah mudah. Sumbu simetri dari mistar kayu tepat melalui titik tengah mistar. Ini berarti titik berat mistar kayu ada di titik tengah mistar. Karena itulah mistar seimbang ketika ditumpu oleh jari telunjuk anda tepat di titik tengah mistar.

Titik berat dari berbagai benda homogen yang bentuknya teratur (memiliki sumbu simetri) terletak pada perpotongan diagonalnya (Lihat Tabel berikut).

Titik berat benda gabungan dari benda-benda teratur bentuknya dapat dicari dengan rumus berikut.


Jenis-jenis Keseimbangan

Ada tiga jenis keseimbangan, yaitu keseimbangan stabil, keseimbangan labil, dan keseimbangan netral. Keseimbangan stabil adalah keseimbangan yang dialami benda dimana sesaat setelah gangguan kecil dihilangkan, benda akan kembali ke kedudukan keseimbangannya semula (Gambar a). Keseimbangan labil adalah keseimbangan yang dialami benda dimana setelah gangguan kecil dihilangkan, benda tidak akan kembali ke kedudukannya semula, bahkan gangguan tersebut makin meningkat (Gambar b). Keseimbangan netral (atau indiferen) adalah keseimbangan di mana gangguan kecil yang diberikan tidak akan mempengaruhi keseimbangan benda (Gambar c).Tips dan Trik Pembahasan Soal

 

Lihat Juga:

 

Copast: Fisika Kontekstual

——————————————————————————————————————————–

Share: