4 Jenis Gaya Penting Dalam Dinamika, Pengertian, Rumus, Pola Soal Dan Pembahasan

Gaya merupakan dorongan atau tarikan yang akan mempercepat atau memperlambat gerak suatu benda. Pada kehidupan sehari-hari gaya yang kalian kenal biasanya ialah gaya langsung. Artinya, sesuatu yang memberi gaya bekerjasama pribadi dengan yang dikenai gaya. Selain gaya langsung, juga ada gaya tak langsung.

Gaya tak pribadi merupakan gaya yang bekerja di antara dua benda tetapi kedua benda tersebut tidak bersentuhan. Contoh gaya tak pribadi ialah gaya gravitasi. Pada kesempatan kali ini kita akan membahas beberapa jenis gaya, antara lain, gaya berat, gaya normal, gaya gesekan, dan gaya sentripetal.

#1 Gaya Berat

Pada kehidupan sehari-hari, banyak orang yang salah mengartikan antara massa dengan berat. Misalnya, orang menyampaikan “Doni mempunyai berat 65 kg”. Pernyataan orang tersebut keliru alasannya ialah gotong royong yang dikatakan orang tersebut ialah massa Doni. Kalian harus sanggup membedakan antara massa dan berat.

Massa merupakan ukuran banyaknya bahan yang dikandung oleh suatu benda. Massa (m) suatu benda besarnya selalu tetap dimanapun benda tersebut berada, satuannya kg. Berat (w) merupakan gaya gravitasi bumi yang bekerja pada suatu benda. Satuan berat ialah Newton (N). Hubungan antara massa dan berat dijelaskan dalam aturan II Newton.

Misalnya, sebuah benda yang bermassa m dilepaskan dari ketinggian tertentu, maka benda tersebut akan jatuh ke bumi. Jika gaya kendala udara diabaikan, maka gaya yang bekerja pada benda tersebut hanyalah gaya gravitasi (gaya berat benda). Benda tersebut akan mengalami gerak jatuh bebas dengan percepatan ke bawah sama dengan percepatan gravitasi.

Jadi, gaya berat (w) yang dialami benda besarnya sama dengan perkalian antara massa (m) benda tersebut dengan percepatan gravitasi (g) di daerah itu. Secara matematis sanggup ditulis sebagai berikut.

w = m × g

Keterangan:

w = gaya berat (N)

m = massa benda (kg)

g = percepatan gravitasi (ms-2)

Contoh Soal Gaya Berat:

Seorang astronout ketika ditimbang di bumi beratnya  588 N. Berapakah berat astronot tersebut jikalau 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 Gaya Normal

Kalian ketahui bahwa benda yang dilepaskan pada ketinggian tertentu akan jatuh bebas. Bagaimana jikalau benda tersebut di letakkan di atas meja, buku misalnya? Mengapa buku tersebut tidak jatuh? Gaya apa yang menahan buku tidak jatuh?

Gaya yang menahan buku biar tidak jatuh ialah gaya tekan meja pada buku. Gaya ini ada alasannya ialah permukaan buku bersentuhan dengan permukaan meja dan sering disebut gaya normal. Gaya normal (N) ialah gaya yang bekerja pada bidang yang bersentuhan antara dua permukaan benda, yang arahnya selalu tegak lurus dengan bidang sentuh.

Jadi, pada buku terdapat dua gaya yang bekerja, yaitu gaya normal (N) yang berasal dari meja dan gaya berat (w). Kedua gaya tersebut besarnya sama tetapi berlawanan arah, sehingga membentuk keseimbangan pada buku. Ingat, gaya normal selalu tegak lurus arahnya dengan bidang sentuh.

Jika bidang sentuh antara dua benda ialah horizontal, maka arah gaya normalnya ialah vertikal. Jika bidang sentuhnya vertikal, maka arah gaya normalnya ialah horizontal. Jika bidang sentuhya miring, maka gaya normalnya juga akan miring. Perhatikan gambar berikut ini.

Gambar: Arah gaya normal selalu tegak lurus dengan permukaan bidang.

Contoh Soal Gaya Normal:

Sebuah balok bermassa 5 kg. jikalau g = 10 m/s2 maka tentukan gaya normal yang bekerja pada balok jikalau 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 Gaya Gesekan

Jika Anda mendorong sebuah almari besar dengan gaya kecil, maka almari tersebut sanggup dipastikan tidak akan bergerak (bergeser). Jika Anda mengelindingkan sebuah bola di lapangan rumput, maka sesudah menempuh jarak tertentu bola tersebut niscaya berhenti. Mengapa hal-hal tersebut sanggup terjadi? Apa yang menimbulkan almari sulit di gerakkan dan bola berhenti sesudah menempuh jarak tertentu?

Gaya yang melawan gaya yang Anda berikan ke almari atau gaya yang menghentikan gerak bola ialah gaya gesek. Gaya gesek ialah gaya yang bekerja antara dua permukaan benda yang saling bersentuhan. Arah gaya gesek berlawanan arah dengan kecenderungan arah gerak benda.

Untuk benda yang bergerak di udara, gaya geseknya bergantung pada luas permukaan benda yang bersentuhan dengan udara. Makin besar luas bidang sentuh, makin besar gaya gesek udara pada benda tersebut sedangkan untuk benda padat yang bergerak di atas benda padat, gaya geseknya tidak tergantung luas bidang sentuhnya.

Gaya ukiran sanggup dibedakan menjadi dua, yaitu gaya ukiran statis dan gaya ukiran kinetis. Gaya gesek statis (fs) ialah gaya gesek yang bekerja pada benda selama benda tersebut masih diam.

Menurut aturan I Newton, selama benda masih membisu berarti resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut ialah nol. Jadi, selama benda masih membisu gaya gesek statis selalu sama dengan yang bekerja pada benda tersebut. Secara matematis sanggup ditulis sebagai berikut.

fs maks = μsN

Keterangan:

fs maks = gaya ukiran statis maksimum (N)

μs = koefisien ukiran statis

Gaya gesek kinetis (fk) ialah gaya gesek yang bekerja pada ketika benda dalam keadaan bergerak. Gaya ini termasukgaya dissipatif, yaitu gaya dengan perjuangan yang dilakukan akan bermetamorfosis kalor. Perbandingan antara gaya ukiran kinetis dengan gaya normal disebut koefisien gaya ukiran kinetis (μk). Secara matematis sanggup di tulis sebagai berikut.

fk = μkN

Keterangan:

fk = gaya ukiran statis maksimum (N)

μk = koefisien ukiran statis

Contoh Soal Gaya Gesek:

Sebuah balok dengan massa 2 kg terletak di atas lantai mendatar. Balok tersebut ditarik oleh gaya 4 N ke atas membentuk sudut 60o terhadap arah mendatar. Bila percepatan gravitasi g = 10 m/s2, koefisien gesek kinetis antara balok dan lantai 0,1. Sedangkan koefisien gesek statisnya 0,2. Maka gaya gesek yang bekerja pada balok dan lantai sebesar…

Penyelesaian:
Diketahui:

m = 2 kg

F = 4 N

θ = 60o

g = 10 m/s2

μk = 0,1

μs = 0,2

Ditanyakan: f?

Jawab:

Diagram gaya-gaya yang bekerja pada balok diperlihatkan menyerupai pada gambar berikut ini.

■ Gaya Normal

Karena pada sumbu vertikal tidak terjadi gerak, maka menurut Hukum I Newton berlaku:

ΣFY = 0

N + F sin θ – w = 0

N = w – F sin θ

N = mg – F sin θ

N = (2 kg)(10 m/s2) – (4 N)(sin 60o)

N = 20 N – (4 N)(1/2 √3)

N = 20 N – 2√3 N

N = 16,6 N

■ Gaya Gesek Statis

fs = μsN

fs = (0,2)(15,6)

fs = 3,32 N

■ Gaya Tarik

Gaya yang bekerja segaris dengan gaya gesek ialah komponen gaya F dalam arah mendatar yaitu F cos θ. Untuk mengetahui apakah balok bergerak atau tidak, maka kita hitung komponen gaya tersebut, yaitu sebagai berikut.

FX = F cos θ

FX = (4)(cos 60o)

FX = (4)(1/2)

FX = 2 N

■ Kesimpulan

FX < fs berarti balok masih dalam keadaan diam. Oleh alasannya ialah itu, resultan gaya dalam arah sumbu-X memenuhi Hukum I Newton, yaitu sebagai berikut.

ΣFX = 0

FX – fs = 0

fs = FX

fs = 2 N

Jadi, gaya gesek yang bekerja pada balok dan lantai sebesar 2 N.

#4 Gaya Sentripetal

Tentunya kalian telah mengetahui bahwa benda yang mengalami gerak melingkar beraturan selalu mempunyai percepatan sentripetal. Arah percepatan sentripetal selalu menuju ke sentra bulat dan tegak lurus dengan vektor kecepatan.

Menurut aturan II Newton, percepatan ditimbulkan alasannya ialah adanya gaya. Oleh alasannya ialah itu, percepatan sentripetal ada alasannya ialah adanya gaya yang menimbulkannya, yaitu gaya sentripetal.

Pada aturan II Newton dinyatakan bahwa gaya merupakan perkalian antara massa benda dan percepatan yang dialami benda tersebut. Sesuai aturan tersebut, relasi antara percepatan sentripetal, massa benda, dan gaya sentripetal sanggup dituliskan sebagai berikut.

Fs = m × as

Karena as = v2/r = ω2r, maka:

Fs = mv2/r = mω2r

Keterangan:

Fs = gaya sentripetal (N)

m = massa benda (kg)

v = kecepatan linear (m/s)

r = jari-jari bulat (m)

ω = kecepatan sudut

Gaya sentripetal pada gerak melingkar berfungsi untuk merubah arah gerak benda. Gaya sentripetal tidak mengubah besarnya kelajuan benda. Setiap benda yang mengalami gerak melingkar niscaya memerlukan gaya sentripetal. Misalnya, planet-planet yang mengitari matahari, elektron yang mengorbit inti atom, dan kerikil yang diikat dengan tali dan diputar.

Contoh Soal Gaya Sentripetal:

Sebuah kendaraan beroda empat bermassa 1.000 kg melintasi suatu jembatan yang melengkung. Jari-jari kelengkungan jembatan 20 m denga sentra berada di bawah jembatan. Tentukan besar gaya yang diberikan kendaraan beroda empat pada jembatan ketika kendaraan beroda empat berada di puncak jembatan jikalau kelajuannya 36 km/jam.

Jawab:

Diketahui: m = 1000 kg, R = 20 m dan v = 36 km/jam = 10 m/s (gunakan metode konversi satuan). Gaya yang diberikan kendaraan beroda empat pada jembatan sama dengan gaya yang diberikan jembatan pada mobil, yakni gaya normal menyerupai yang diperlihatkan pada gambar di atas.

Selain gaya normal, pada kendaraan beroda empat bekerja gaya berat. Kedua gaya ini merupakan gaya sentripetal alasannya ialah bekerja dalam arah radial (berhimpit dengan diameter lingkaran) dengan arah yang saling berlawanan. Dengan memakai persamaan (2), kita peroleh:

ΣFs = mv2/R

w – N = mv2/R

mg – N = mv2/R

N = mg – (mv2/R)

N = (1000 kg)(10 m/s2) – {(1000 kg)(10 m/s)2/(20 m)}

N = 10.000 N – 5.000 N

N = 5.000 N

Dengan demikian, besar gaya yang diberikan kendaraan beroda empat pada jembatan pada ketika kendaraan beroda empat berada di puncak jembatan ialah 5.000 N.