Keseimbangan Benda Tegar
-
Upload
atirah-rahman -
Category
Documents
-
view
336 -
download
9
description
Transcript of Keseimbangan Benda Tegar
PETA MATERI
PETA KONSEP
Ketika merancang sebuah jembatan, artsiteknya harus merancang jembatan
sedemikian rupa sehingga jembatan tersebut tidak mudah ambruk dalam menahan beban
yang disangganya, baik jika ada gangguan dari luar, misalnya karena tiupan angin
ataupun gempa. Begitu juga ketika seorang tukang pembuat pisau merancang pisau
buatannya. Pisau tersebut tidak boleh membengkok saat digunakan. Benda yang tetap
berada dalam bentuknya semula meski diberi gaya dari luar disebut sebagai benda tegar.
MATERI
A. MOMEN GAYA
Pengertian Momen Gaya
Untuk membuat sebuah benda
mulai bertranslasi diperlukan gaya.
Demikian pula untuk membuat benda
berotasi juga diperlukan gaya. Arah
dan besar gaya yang diberikan
mempunyai nilai gerak rotasi benda.
Misalnya, saat kita ingin membuka
atau menutup pintu, kita harus
menarik dan mendorong pegangan
pintu. Apabila sebuah gaya dikerjakan
pada sebuah benda yang dapat
berputar pada suatu sumbu putar,
pengaruh gaya terhadap benda tidak
hanya bergantung pada besar gaya
yang dikerjakan, melainkan juga pada
arah dan jarak titik tangkap gaya
terhadap sumbu putar benda.
Percepatan sudut berbanding lurus dengan gaya
dan lengan gaya. Hasil perkalian antara gaya
dan lengan gaya disebut momen gaya atau torsi,
dan dinyatakan dengan symbol 𝜏. Sehingga
dapat dikatakan bahwa percepatan sudut 𝛼 dari
sebuah benda yang berotasi berbanding lurus
dengan torsi yang diberikan.
𝛼~𝜏
Persamaan ini untuk gerak rotasi ini, merupakan
analog hukum II Newton. Momen gaya
merupakan besaran vecto, arah torsi yaitu
seperti ditunjukkan pada gambar disamping.
Secara umum torsi yang bekerja pada benda
yang dirotasikan oleh gaya 𝐹 sejauh 𝑟 dari
sumber rotasinya dapat ditulis dalam
persamaan:
𝝉 = 𝑭 𝒙 𝒓
Sedangkan besar torsi adalah
𝝉 = 𝑭𝒓 𝒔𝒊𝒏𝜽
Keterangan :
𝜏 = torsi (Nm)
𝑟 = lengan gaya (m)
𝐹 = gaya (N)
Cara lain untuk menentukan torsi yang
berhubungan dengan gaya yaitu dengan
menguraikan gaya yang menjadi
komponen-komponen tegak lurus dan
sejajar dengan lengan gaya, seperti yang
ditunjukkan pada gambar. Masing-masing
komponen adalah sebagai berikut.
Tegak lurus dengan gaya
𝑭⟘ = 𝑭𝐬𝐢𝐧𝜽
Sejajar lengan gaya
𝑭∥ = 𝑭𝐜𝐨𝐬𝜽
B. MOMEN INERSIA
Momen inersia benda tegar yang bentuknya teratur
dapat dihitung dengan menggunakan kalkulus (hitung
integral). Benda–benda tegar yang bentuknya teratur
tersebut misalnya cincin, bola, selinder, batang, dan
balok. Sebagai contoh kita hitung momen inersia cincin
tipis yang berotasi pada sumbu melalui titik pusat
lingkarannya.
Cincin kita bagi menjadi bagian-bagian kecil atau
segmen, masing-masing dengan massa ∆𝑚. Tinjau satu
segmen atau bagian kecil dari cincin dengan massa ∆𝑚1
seperti pada gambar, jarak segmen ini dari sumbu rotasi
sama dengan jari-jari lingkaran cincin sebesar r sehingga
momen inersia yang kita tinjau sebesar:
∆𝑰 = ∆𝒎𝟏𝒓𝟐
Momen inersia cincin sama dengan jumlah momen
inersia pada segmen-segmen seluruh bagian cincin. Jika
momen inersia cincin dinyatakan dengan lambang I,
maka
𝐼 = ∆𝑚1𝑟2 + ∆𝑚2𝑟
2 + ⋯+ ∆𝑚𝑛𝑟2
atau dapat ditulis:
𝑰 = 𝒓𝟐 𝒊=𝟏𝒏 ∆𝒎𝒊
Oleh karena 𝒊=𝟏𝒏 ∆𝒎𝒊 = 𝒎 (massa cincin),, maka dapat
dituliskan
𝑰 = 𝒎𝒓𝟐
Keterangan:
I = momen inersia (kg m2)
m = massa cincin tipis (kg)
r = jari-jari cincin tipis (m)
C. KESEIMBANGAN BENDA TEGAR
1. Keseimbangan Statis Dan DinamisBenda- benda di alam ini kemungkinan dalam keadaan diam atau
bergerak. Sebuah benda yang bergerak dapat melakukan gerak
translasi atau gerak rotasi bahkan dapat pula melakukan gerak
translasi sekaligus gerak rotasi.
Sebagai contoh, sebuah gambar yang tergantung di dinding tidak
bergerak baik translasi maupun rotasi. Selanjutnya, perhatikan jarum
sebuah jam yang sedang berputar. Jarum jam itu selalu berputar
dengan laju putaran yang tetap. Dari kedua contoh tersebut, dapat
dikatakan bahwa gambar dan jarum jam itu berbeda keadaan
keseimbangannya.
Apakah yang dimaksud keseimbangan benda tegar? Sebuah
benda berada dalam keadaan seimbang jika benda tersebut tidak
mengalami percepatan linear ataupun percepatan sudut. Benda yang
diam, dikatakan bahwa benda tersebut dalam keseimbangan statis.
Sedang benda yang bergerak tanpa percepatan, dikatakan bahwa
benda tersebut dalam keseimbangan dinamis
Syarat Keseimbangan Benda TegarKeseimbangan benda tegar dapat terjadi jika dipenuhi dua hal
berikut:
Percepatan gerak translasi pusat massa, a sama dengan nol.
Benda disebut dalam keseimbangan translasi. Sesuai dengan
hukum II Newton maka resultan gaya pada benda harus sama
dengan nol.
𝐹 = 0
Pada kondisi ini kemungkinan keadaan benda adalah: diam
(kesetimbangan statis), dan Bergerak dengan kecepatan linier tetap
(keseimbangan dinamis)
Kecepatan sudut terhadap sumbu rotasi yang tetap, α sama
dengan nol. Benda disebut dalam keadaan rotasi. Sesuai dengan
hukum II Newton maka resultan torsi pada benda sama dengan nol.
𝜏 = 0
Pada kondisi ini kemungkinan keadaan benda adalah Diam
(kesetimbangan statis), dan Bergerak dengan kecepatan linier tetap
(keseimbangan dinamis)
D. MOMENTUM SUDUT
Jika pada gerak linear mengenal momentum p =
mv, maka pada gerak rotasi yang analog dengan
momentum linear dikenal momentum sudut L.
Massa analog dengan momen inersia, kecepatan
linear analog dengan kecepatan sudut, maka
momentum L sama dengan hasil kali momen
inersia I dengan kecepatan sudut ω.
𝑳 = 𝑰 𝝎
Seperti momentum linear, momentum sudut juga
merupakan suatu besaran vector. Arah
momentum sudut L dari suatu benda yang
berputar diberikan oleh aturan tangan kanan:
Putar keempat jari yang dirapatkan sesuai
dengan arah gerak rotasi, maka arah tunjuk ibu
jari menyatakan arah vektor momentum sudut.
Jika lengan terhadap poros r dan kecepatan
linear v benda diberikan, maka momentum sudut
L dapat dihitung sebagai berikut:
𝐼 = 𝑚𝑟2 dan 𝑤 =𝑣
𝑟, sehingga
𝐿 = 𝐼𝜔 = (𝑚𝑟2)(𝑣
𝑟)
𝑳 = 𝒎𝒓𝒗
Hubungan Momentum Sudut Dengan Momen Gaya
Sebuah benda yang dalam keadaan diam dipengaruhi gaya dalam
selang waktu tertentu, benda akan bergerak dengan kecepatan
tertentu. Pada benda mengalami impuls dan terjadilah perubahan
momentum.
Pada waktu naik sepeda, kaki merupakan gaya yang memengaruhi
poros gir bagian depan. Dengan gaya yang diberikan terhadap poros
timbullah momen gaya terhadap poros sehingga terjadi rotasi. Dengan
kecepatan sudut yang berubah-ubah mengakibatkan momentum
anguler yang berubah-ubah.
𝜏. ∆𝑡 = ∆𝐿
𝜏 =∆𝐿
∆𝑡
𝜏 =𝐿2−𝐿1
𝑡2−𝑡1
𝜏 =𝐼𝜔2−𝐼𝜔1
𝑡2−𝑡1
Keterangan:
𝜏 = momen gaya (N.m)
𝐼 = momen inersia (kg.m2)
𝜔= kecepatan sudut (rad/s)
∆L/∆t= perubahan momentum sudut tiap satuan waktu.
HUKUM KEKEKALAN MOMENTUM SUDUT
Konsep kekekalan momentum sudut
berbunyi. “jika tidak ada momen gaya luar
yang bekerja pada system ( 𝜏 = 0), maka
momentum sudut L tetap. Secara matematis,
hukum kekekalan momentum sudut ditulis:
𝑳𝟏 = 𝑳𝟐 𝒂𝒕𝒂𝒖 𝒍𝟏𝝎𝟏 = 𝒍𝟐𝝎𝟐
Contoh yang sering digunakan adalah pada
penari balet yang mula-mula berotasi
perlahan-lahan dengan kedua tangannya
terentang, kemudian melipat kedua tangannya
sehingga berotasi dengan lebih cepat. Pada
saat melipat kedua tangannaya, momen
inersia sistem makin kecil. Akibatnya,
kecepatan sudut penari balet makin besar
(penari berputar makin cepat). Sebaliknya,
kedua tangannya terentang, momen inersia
sistem lebih besar sehingga penari akan
bergerak lebih lambat.
TITIK BERAT
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 titik tunggal yang
disebut titik berat (pusat gravitasi).
Kita juga dapat menyatakan titik berat sebagai
suatu titik di mana resultan gaya gravitasi
partikel-partikel terkonsentrasi pada titik ini.
Karena itu, resultan torsi dari gaya gravitasi
partikel-partikel pada titik beratnya haruslah nol.
Menentukan Titik Berat Benda
a. Menentukan Titik Berat Benda
melalui Percobaan
Mencari titik berat benda melalui
percobaan dapat dilakukan dengan
melakukan kegiatan menggantungkan
benda tegar pada berbagai posisi dan
menarik garis berat benda. Setiap garis
berat benda nanti akan berpotongan di
suatu titik. Perpotongan dari seluruh
garis berat benda inilah yang
merupakan titik berat benda.
b. Menentukan Titik Berat Benda melalui
Perhitungan
Semua gaya berat dianggap sejajar dengan yang
lainnya. Jika setiap partikel memiliki gaya berat 𝑤1,
𝑤2 , 𝑤3 dengan kordinat masing-masing ( 𝑥1, 𝑦1 ),
(𝑥2, 𝑦2), dan (𝑥3, 𝑦3), maka kordinat titik berat benda
dapat dicari dengan persamaan:
• 𝒙𝒎 = 𝒙𝒊𝒘𝒊
𝒘𝒊=
𝒙𝟏𝒘𝟏+𝒙𝟐𝒘𝟐+⋯+𝒙𝒏𝒘𝒏
𝒘𝟏+𝒘𝟐+⋯+𝒘𝒏
• 𝒚𝒎 = 𝒚𝒊𝒘𝒊
𝒘𝒊=
𝒚𝟏𝒘𝟏+𝒚𝟐𝒘𝟐+⋯+𝒚𝒏𝒘𝒏
𝒘𝟏+𝒘𝟐+⋯+𝒘𝒏
c. Titik Berat Benda Berbentuk
Ruang Homogen
Titik berat benda berbentuk ruang
dapat dicari dengan persamaan berikut:
𝒙𝒎 = 𝒙𝒊𝑽𝒊
𝒘𝒊=
𝒙𝟏𝑽𝟏 + 𝒙𝟐𝑽𝟐 + ⋯+ 𝒙𝒏𝑽𝒏
𝒘𝟏 + 𝒘𝟐 + ⋯+ 𝒘𝒏
𝒚𝒎 = 𝒚𝒊𝑽𝒊
𝒘𝒊=
𝒚𝟏𝑽𝟏 + 𝒚𝟐𝑽𝟐 + ⋯+ 𝒚𝒏𝑽𝒏
𝒘𝟏 + 𝒘𝟐 + ⋯+ 𝒘𝒏
d. Titik Berat Benda Berbentuk Garis
(Batang)
Titik berat benda berbentuk batang dengan luas
penampang dapat diabaikan sehingga
sebanding dengan panjangnya. Titik berat benda
berbentuk garis homogen dituliskan sebagai
berikut:
𝒙𝒎 = 𝒙𝒊𝒍𝒊 𝒘𝒊
=𝒙𝟏𝒍𝟏 + 𝒙𝟐𝒍𝟐 + ⋯+ 𝒙𝒏𝒍𝒏
𝒍𝟏 + 𝒍𝟐 + ⋯+ 𝒍𝒏
𝒚𝒎 = 𝒚𝒊𝒍𝒊 𝑨𝒊
=𝒚𝟏𝒍𝟏 + 𝒚𝟐𝒍𝟐 + ⋯+ 𝒚𝒏𝒍𝒏
𝒍𝟏 + 𝒍𝟐 + ⋯+ 𝒍𝒏
Titik Berat Benda Berbentuk Bidang Homogen
Benda homogen berbentuk bidang adalah benda yang
tebalnya dapat diabaikan sehingga berat benda sebanding
dengan luas benda (A). Titik berat bidang benda dituliskan
sebagai berikut:
𝒙𝒎 = 𝒙𝒊𝑨𝒊
𝒘𝒊=
𝒙𝟏𝑨𝟏 + 𝒙𝟐𝑨𝟐 + ⋯+ 𝒙𝒏𝑨𝒏
𝑨𝟏 + 𝑨𝟐 + ⋯+ 𝑨𝒏
𝒚𝒎 = 𝒚𝒊𝑨𝒊
𝑨𝒊=
𝒚𝟏𝑨𝟏 + 𝒚𝟐𝑨𝟐 + ⋯+ 𝒚𝒏𝑨𝒏
𝑨𝟏 + 𝑨𝟐 + ⋯+ 𝑨𝒏
E. MACAM-MACAM KESEIMBANGAN
Keseimbangan benda dapat berubah apabila diberi gangguan. Dengan
memperhatikan apa yang terjadi dengan kedudukan titik beratnya ketika diberi gangguan
kecil,
1. Keseimbangan Stabil
Keseimbangan stabil mempunyai ciri jika
benda diberi gaya, benda akan bergerak. Namun,
setelah gaya dihilangkan, benda akan kembali
diam di tempat semula. Kedudukan titik berat
benda akan naik jika diberi gaya pengusik.
1. Keseimbangan Labil Benda
Benda yang memiliki keseimbangan labil jika
diberi gaya akan bergerak menjauhi posisi awalnya.
Apabila gaya sudah dihilangkan dari benda tersebut,
benda tidak kembali ke posisi semula. Ciri dari
keseimbangan labil adalah kedudukan titik beratnya
akan turun jika diberi gaya pengusik.
2. Keseimbangan netral (Indiferent)
Apabila gangguan kecil diberikan kepada
benda, benda akan bergerak. Jika gangguan akan
dihentikan, benda kembali diam, namun pada
kedudukan yang berbeda. Ciri keseimbangan ini
adalah tidak terjadi kenaikan atau penurunan kedudukan titik berat saat gaya
diberikan kepada benda tersebut.
SKENARIO PEMBELAJARAN
Dalam membawakan materi ini, hal pertama yang dilakukan seorang
guru ketika membuka proses pembelajaran adalah memberikan motivasi dan
apersepsi di mana siswa di beri cerita yang berhubungan dengan
kesetimbangan benda tegar yang sering dilihat di sekitar mereka. Siswa diminta
memberikan contoh benda tegar selain yang sudah disebutkan guru. Setelah
menarik perhatian siswa dengan cerita mengenai benda tegar, guru kemudian
mengantar siswa masuk ke penanaman konsep dasar dalam materi
pembelajaran ini. Namun, sebelumnya guru terlebih dahulu menampilkan peta
konsep agar siswa dapat mengetahui konsep materi keseimbangan benda
tegar. Setelah memahami peta konsep, pada sesi selanjutnya guru
mengantarkan siswanya agar mampu Memformulasikan hubungan antara
konsep torsi, momentum sudut, dan momen inersia, berdasarkan hukum II
Newton serta penerapannya dalam masalah benda tegar sebagai pengantar
sehingga siswa dapat mendefinisikan konsep-konsep keseimbangan benda
tegar dan hukum kekekalan momentum sudut, syarat-syarat keseimbangan,
titik berat, dan macam-macam keseimbangan.
pada bagian pertama yaitu memaham imomen gaya sebagai penyebab
gerak rotasi benda, yaitu , Memahami momen inersia partikel yaitu
, Menghitung momen inersia benda tegar dengan metode
intergrasi yaitu , Mempelajari beberapa momen inersia berbagai benda
tegar yang homogen
sinFrFd
...2
22
2
11
2 rmrmi
ir
imI
dmrI 2
Setelah menjelaskan konsep dasar materi pengantar tadi, guru kemudian
melanjutkan materi di mana siswa diharapkan mampu memformulasikan
pengaruh torsi pada sebuah benda dalam kaitannya dengan gerak rotasi benda
tersebut, Mengungkap analogi hukum II Newton tentang gerak translasi dan
gerak rotasi, Menggunakan konsep momen inersia untuk berbagai bentuk benda
tegar, Memformulasikan hukum kekekalan momentum sudut pada gerak rotasi.
Materi-materi ini dijelaskan dengan aplikatif yang mudah dipahami oleh siswa dan
pemahaman materi sebelumnya juga ikut berperan untuk memahami konsep
pkok bahasan pada materi ini.
pokok bahasan selanjutnya adalah mengenai pemahaman konsep
keseimbangan benda tegar, yaitu memahami syarat keseimbangan statis sistem
partikel dan Memahami syarat keseimbangan statis benda tegar
dan . Sehingga dapat menyimpulkan bahwa 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. Setelah siswa memahami materi ini
guru kemudian beralih ke materi selanjutnya yang merupakan lanjutan dari
materi yg telah dibahas sehingga materi sebelumnya diharapkan telah dikuasai
dengan baik oleh para siswa. Pada pokok bahasan ini siswa diharapkan mampu
menerapkan konsep keseimbangan benda tegar dalam persoalan fisika,
Menentukan kordinat titik tangkap gaya resultan, menentukan titik berat benda-
benda homogen berbentuk ruang, luasan maupun garis, serta mengetahui
macam-macam keseimbangan.
.
0F
0
0F
REFERENSI
Kanginan, M. (2004). Fisika untuk SMA
Kelas XI. Jakarta: Erlangga.
Subagya, H. (2007). Sains FISIKA 2
SMA/MA. Jakarta: Bumi Aksara.