Kesetimbangan benda tegar

Pada pelajaran fisika sebelumnya, telah dipelajari pokok bahasan dinamika partikel dan dinamika rotasi. Dalam dinamika partikel kita mempelajari partikel yang bergerak translasi (gerak lurus, gerak melingkar, gerak parabola). Dalam dinamika rotasi, kita mempelajari benda tegar yang berotasi. Dalam pokok bahasan ini, kita mempelajari benda yang berada dalam kesetimbangan. Terdapat dua jenis kesetimbangan, yakni kesetimbangan statis dan kesetimbangan dinamis. Sesuai dengan hukum I Newton, suatu benda setimbang statis jika benda diam dan benda setimbang dinamis jika benda bergerak dengan kecepatan konstan. Tulisan ini lebih menitikberatkan pada pembahasan mengenai kesetimbangan statis (benda diam).

Konsep kesetimbangan benda tegar merupakan pengetahuan dasar yang sangat penting dan mempunyai banyak penerapan dalam kehidupan sehari-hari, khususnya pada bidang teknik. Pemahaman dan perhitungan mengenai gaya-gaya yang bekerja pada benda yang berada dalam keadaan setimbang statis sangat penting, khususnya bagi para ahli teknik (arsitek atau insinyur). Dalam merancang sesuatu, baik gedung, jembatan, kendaraan, dll, para arsitek atau insinyur juga memperhitungkan secara saksama, apakah struktur suatu bangunan, kendaraan, jembatan dll, mampu menahan gaya-gaya yang bekerja padanya sehingga tidak ambruk.

Contoh soal

1. Perhatikan gambar berikut ini! Sebuah batang bermassa 1,5 kg yang salah satu ujungnya dipasang engsel tegak lurus dinding dan sebuah lampion digantungkan pada jarak tertentu dari engsel. Besar gaya tegangan tali, agar batang berada dalam keseimbangan adalah…

Pembahasan

Diketahui:

Massa beban (m₁) = 2 kg

Massa batang (m₂) = 1,5 kg

Percepatan gravitasi (g) = 10 m/s²

Berat beban (w₁) = (2)(10) = 20 Newton

Berat batang (w₂) = (1,5)(10) = 15 N

Ditanya: Besar gaya tegangan tali agar batang berada dalam keseimbangan

Jawab:

Panjang tali dihitungmenggunakan rumus Pythagoras:

Hitung gaya tegangan tali (T):

Pilih sumbu rotasi di engsel. Tinjau momen gaya yang bekerja pada batang.

Momen Gaya 1 :

τ₁ = w₂ r₂ = (15 N)(0,4 m) = -6 Nm

Momen gaya 1 menyebabkan batang berotasi searah rotasi jarum jam sehingga momen gaya 1 bertanda negatif.

Momen Gaya 2 :

τ₂ = w₁ r₁ = (20 N)(0,6 m) = -12 Nm

Momen gaya 2 menyebabkan batang berotasi searah rotasi jarum jam sehingga momen gaya 1 bertanda negatif.

Momen Gaya 3 :

τ₃ = T r₃ sin θ = (T)(0,8)(0,6/1) = 0,48T

Momen gaya 3 menyebabkan batang berotasi berlawanan dengan rotasi jarum jam sehingga momen gaya 3 bertanda positif.

Agar sistem diam maka resultan momen gaya (Στ) = 0

Στ = 0

τ₁ + τ₂ + τ₃ = 0

– 6 – 12 + 0,48T = 0

– 18 + 0,48T = 0

0,48T = 18

T = 18/0,48

T = 37,5 Newton

Sumber soal:

Soal UN Fisika SMA/MA