10+ Pola Soal Gaya Berat, Normal, Gesek, Tegangan Tali, Sentripetal, Kontak Dan Pembahasan Bab 1

Dalam bahan mekanika khusunya dinamika, baik dinamika gerak melingkar maupun dinamika gerak lurus terdapat 6 jenis gaya yang sangat penting untuk dipahami konsepnya terutama dalam menyelesaiakan soal-soal fisika yang berafiliasi dengan dinamika gerak. Keenam jenis gaya tersebut yakni:

■ Gaya Berat: gaya gravitasi yang bekerja pada suatu benda bermassa. Jika benda tersebut berada di bumi, maka gaya gravitasi yang bekerja ialah gaya tarik bumi. Lambang gaya berat ialah w, akronim dari weight. Satuan berat ialah Newton (N).

■ Gaya Normal: gaya yang bekerja pada bidang yang bersentuhan antara dua permukaan benda, yang arahnya selalu tegak lurus dengan bidang sentuh. Lambang gaya normal ialah N dan satuan Sistem Internasionalnya ialah kgm/s2 atau Newton.

■ Gaya Gesek: gaya yang bekerja antara dua permukaan benda yang saling bersentuhan atau bersinggungan. Arah gaya gesek berlawanan arah dengan kecenderungan arah gerak benda. Gaya gesek disimbolkan dengan huruf f dan satuannya ialah Newton.

■ Gaya Tegangan Tali: gaya pada tali dikala tali tersebut dalam keadaan tegang. Gaya tegangan tali dilambangkan dengan abjad T kapital dan satuannya ialah Newton. Arah gaya tegangan tali bergantung pada titik atau benda yang ditinjau.

■ Gaya Sentripetal: gaya yang bekerja pada benda yang bergerak melingkar dengan arah selalu menuju sentra lingkaran. Gaya sentripetal berfungsi untuk mengubah arah gerak benda tanpa mengubah besar kecepatan linearnya. Tanpa adanya gaya sentripetal, maka suatu benda tidak akan sanggup bergerak melingkar.

■ Gaya Kontak: disebut juga gaya aksi-reaksi ialah pasangan gaya berdasarkan Hukum III Newton yang bekerja pada dua benda yang saling berinteraksi, mempunyai besar yang sama tetapi dengan arah yang berlawanan.

Nah, pada kesempatan kali ini kita akan membahas ihwal kumpulan pola soal dan balasan ihwal gaya berat, gaya normal, gaya gesek, gaya tegangan tali, gaya sentripetal dan gaya kontak. Untuk itu silahkan kalian simak baik-baik uraian berikut ini. Selamat mencar ilmu dan biar sanggup paham.

1. Contoh Soal Gaya Berat

1. Sebuah kelapa mempunyai massa 2 kg. Berapakah berat kelapa, kalau percepatan gravitasi di daerah itu 9,8 m/s2?

Penyelesaian:

Diketahui:

m = 2 kg

g = 9,8 m/s2

Ditanyakan: w = …?

Jawab:

Untuk mencari berat benda, gunakan persamaan:

w = mg

w = 2 kg × 9,8 m/s2

w = 19,6 N

Jadi, berat kelapa tersebut ialah 19,6 N.

2. Seorang astronout dikala ditimbang di bumi beratnya  588 N. Berapakah berat astronot tersebut kalau ditimbang di bulan yang mempunyai percepatan gravitasi 1/6 kali gravitasi bumi?

Penyelesaian:

Diketahui:

wbumi = 588 kg

gbulan = (1/6) × gbumi

Ditanyakan: wbulan = …?

Jawab:

Perlu diketahui bahwa massa benda dimanapun selalu sama, jadi:

mbumi = mbulan

wbumi/gbumi = wbulan/gbulan

wbulan = (wbumi × gbulan)/gbumi

wbulan = (558 × 1/6 × gbumi)/gbumi

wbulan = 98 N

Jadi, berat astronot di bulan ialah 98 N.

2. Contoh Soal Gaya Normal

1. Dua buah balok bermassa m1 = 1 kg dan m2 = 2 kg ditumpuk dalam keadaan diam. Apabila percepatan gravitasi bumi ialah 10 m/s2, tentukan besar dan arah gaya normal yang bekerja pada masing-masing balok.

Penyelesaian:

Diketahui:

g = 10 m/s2

m1 = 1 kg

m2 = 2 kg

Diagram gaya yang bekerja pada kedua balok diperlihatkan menyerupai pada gambar di bawah ini.

Ditanyakan: N1 dan N2

Jawab:

Karena balok dalam keadaan diam, maka berlaku Hukum II Newton.

Untuk balok 1:

ΣF = 0

N1 – w1 = 0

N1 = W1

N1 = m1g

N1 = 1 kg × 10 m/s2

N1 = 10 N

Jadi besar N1 adalah 10 N yang arahnya tegak lurus ke atas.

Untuk balok 2:

ΣF = 0

N2 – w2 = 0

N2 = W2

N2 = m2g

N2 = 2 kg × 10 m/s2

N2 = 20 N

Jadi besar N2 adalah 20 N yang arahnya tegak lurus ke atas.

2. Sebuah balok bermassa 5 kg. kalau g = 10 m/s2 maka tentukan gaya normal yang bekerja pada balok kalau membisu di atas bidang miring yang membentuk sudut 300 terhadap horisontal.

Penyelesaian:

Perhatikan gambar di atas. gaya-gaya pada balok sanggup dilihat pada gambar tersebut. Balok dalam keadaan membisu pada arah tegak lurus bidang berarti berlaku persamaan berikut.

ΣFY = 0

N – w cos α = 0

N – w cos 30o = 0

N – 50 × ½ √3 = 0

N = 25 √3 N

Jadi, gaya normal yang bekerja pada balok tersebut adalah25 √3 N.

3. Contoh Soal Gaya Gesek

1. Sebuah peti bermassa 50 kg, mula-mula membisu di atas lantai horizontal bernafsu (μk = 0,1; μs = 0,5). Kemudian peti itu didorong dengan gaya F = 100 N yang arahnya membentuk sudut θ terhadap arah horizontal. Jika sin θ = 0,6 dan cos θ = 0,8. Gaya gesek yang dialaminya sebesar…

Penyelesaian:

Diketahui:

m = 50 kg

μk = 0,1

μs = 0,5

F = 100 N

sin θ = 0,6

cos θ = 0,8

g = 10 m/s2

Ditanyakan: f?

Jawab:

Diagram gaya yang bekerja pada benda tersebut diperlihatkan menyerupai pada gambar di bawah ini.

Dalam arah vertikal tidak terjadi gerak (diam) sehingga berlaku Hukum I Newton yaitu sebagai berikut.

ΣFY = 0

N – F sin θ – w = 0

N = F sin θ + w

N = F sin θ + mg

Gaya gesek statis benda ialah sebagai berikut.

fs = μsN

fs = μs(F sin θ + mg)

fs = (0,5)[(100)(0,6) + (50)(10)]

fs = (0,5)(60 + 500)

fs = (0,5)(560)

fs = 280 N

Karena F < fs maka benda membisu sehingga berlaku Hukum I Newton yaitu sebagai berikut.

ΣFX = 0

F cos θ – f = 0

f = F cos θ

f = (100)(0,8)

f = 80 N

Dengan demikian, gaya gesek yang dialami peti tersebut sebesar 80 N.

2. Sebuah benda yang beratnya w meluncur ke bawah dengan kecepatan tetap pada suatu bidang miring yang kasar. Bidang miring tersebut membentuk sudut 37o dengan arah horizontal. Hitung koefisien ukiran antara benda dengan bidang tersebut.

Penyelesaian:

Pertama kita gambarkan diagram gaya yang bekerja pada benda tersebut, menyerupai yang diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Benda bergerak dengan kecepatan tetap, hal ini berarti benda melaksanakan gerak lurus beraturan (GLB) sehingga percepatannya ialah nol (a = 0).

■ Pada sumbu-Y, berlaku Hukum I Newton, yaitu sebagai berikut.

ΣFY = 0

N – w cos θ = 0

N = w cos θ

N = mg cos θ

■ Pada sumbu-X, berlaku Hukum II Newton, yaitu sebagai berikut.

ΣFX = ma

w sin θ – f = m(0)

mg sin θ – μkN= 0

mg sin θ – μkmg cos θ = 0

μkmg cos θ = mg sin θ

μk cos θ = sin θ

μk = sin θ/cos θ

μk = tan θ

μk = tan 37o

μk = 0,75

Jadi, koefisien ukiran antara benda dengan bidang ialah 0,75.

4. Contoh Soal Gaya Tegangan Tali

1. Sebuah balok bermassa 25 kg digantungkan pada dua tali yang masing-masing membentuk sudut 37o dan 53o. Jika sistem setimbang, hitunglah gaya tegangan tali T1 dan T2!

Jawab

Diagram gaya yang bekerja pada sistem diperlihatkan menyerupai gambar berikut ini.

Dari gambar diagram gaya di atas, resultan gaya yang bekerja pada sumbu-X dan sumbu-Y berdasarkan Hukum I Newton ialah sebagai berikut.

Resultan Gaya Pada Sumbu-X

ΣFX = 0

T2 cos 53o – T1 cos 37o = 0

T2 (0,6) – T1 (0,8) = 0

0,6 T2 – 0,8 T1 = 0

0,6 T2 = 0,8 T1

T1 = ¾ T2 .......... Pers. (1)

Resultan Gaya Pada Sumbu-Y

ΣFY = 0

T1 sin 37o + T2 sin 53o – w = 0

T1 sin 37o + T2 sin 53o – mg = 0 .......... Pers. (2)

Subtitusikan persamaan (1) ke persamaan (2)

¾ T2 sin 37o + T2 sin 53o – mg = 0

¾ T2(0,6) + T2(0,8) – (25 kg)(10 m/s2) = 0

¾ T2(0,6) + T2(0,8) – (25 kg)(10 m/s2) = 0

0,45 T2 + 0,8 T2 – 250 N = 0

1,25 T2 = 250 N

T2 = 200 N

Dengan memasukkan nilai T2 ke dalam persamaan (1) kita peroleh nilai T1 sebagai berikut.

T1 = ¾ T2

T1 = ¾(200 N)

T1 = 150 N

Jadi, besarnya gaya tegangan tali T1 dan T2 berturut-turut ialah 150 N dan 200 N.

2. Dua buah balok dihubungkan dengan seutas tali dan membisu di atas lantai datar licin menyerupai pada gambar di bawah ini. Balok pertama bermassa 6 kg dan balok kedua bermassa 4 kg. Apabila gaya horizontal sebesar 40 N dikerjakan pada balok kedua, maka tentukan percepatan tiap balok dan gaya tegangan tali penghubungnya.

Jawab

Diketahui:

m1 = 6 kg

m2 = 4 kg

F = 40 N

g = 10 m/s2

Ditanyakan: Percepatan (a) dan tegangan tali (T)

Langkah pertama, kita gambarkan terlebih dahulu diagram gaya yang bekerja pada sistem menyerupai yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Gambar di atas memperlihatkan gaya-gaya yang bekerja pada tiap balok. Pehatikan bahwa gaya tegangan tali pada m1 arahnya ke kanan sedangkan gaya tegangan tali pada m2arahnya ke kiri. Karena kedua balok bergerak bersama maka percepatan kedua balok sama. Untuk memilih besar percepatan dan gaya tegangan tali, kita tinjau gerak masing-masing balok dengan memakai Hukum II Newton sebagai berikut.

∎ Tinjau balok 1 (m1)

ΣFX = ma

T = m1a ……………..… Pers. (1)

∎ Tinjau balok 2 (m2)

ΣFX = ma

F – T = m2a …………… Pers. (2)

Kemudian subtitusikan persamaan (1) ke persamaan (2)

F – m1a = m2a

F = m1a + m2a

F = (m1 + m2)a

a = F/(m1 + m2) …………… Pers. (3)

Dengan memasukkan nilai yang diketahui dari soal ke persamaan (3), maka kita peroleh besar percepatan tiap-tiap balok sebagai berikut.

a = 40/(6 + 4)

a = 40/10

a = 4 m/s2

Jadi besar percepatan kedua balok tersebut ialah 4 m/s2. Untuk memilih besar gaya tegangan tali, kita sanggup mensubtitusikan nilai percepatan ini ke dalam persamaan (1) sebagai berikut.

T = m1a

T = (6)(4)

T = 24 N

Jadi besar gaya tegangan tali penghubungnya ialah 24 N.

Lanjut Bagian 2