Definisi dan Rumus Gaya Sentripetal, Contoh Soal dan Pembahasan

Daftar Materi Fisika

• 1. Besaran Fisika
• 2. Vektor dan Resultan
• 3. Mekanika (Kinematika dan Dinamika)
• 4. Fisika Optik
• 5. Suhu dan Kalor

Advertisement

Baca Juga:

Tentunya kalian telah tahu bahwa dalam setiap gerak melingkar, baik gerak melingkar beraturan (GMB) maupun gerak melingkar berubah beraturan (GMBB) selalu ada yang namanya percepatan sentripetal. Percepatan sentripetal ini merupakan percepatan yang arahnya selalu menuju pusat lingkaran dan tidak menyebabkan perubahan kecepatan linear pada gerak melingkar.

Menurut Hukum II Newton, sebuah benda yang mengalami percepatan harus memiliki resultan gaya yang bekerja padanya. Dengan kata lain, yang menimbulkan adanya sebuah percepatan pada gerak suatu benda adalah gaya. Lalu yang menjadi pertanyaannya sekarang adalah, gaya apakah yang menyebabkan adanya percepatan sentripetal pada benda yang bergerak melingkar?

Gaya yang menimbulkan adanya percepatan sentripetal pada benda yang bergerak melingkar disebut dengan gaya sentripetal. Untuk bisa memahami definisi, arah (gambar vektor), rumus gaya sentripetal serta contoh soal dan pembahasannya, silahkan kalian simak secara seksama penjelasan berikut ini.

Pengertian Gaya Sentripetal

Untuk dapat memahami konsep tentang gaya sentripetal, coba kalian amati gambar berikut ini.

 

Sebuah bandul bermassa m diikat dengan seutas tali lalu diputar secara horizontal seperti yang diperlihatkan pada gambar di atas. Gaya-gaya yang bekerja pada bandul adalah gaya berat w yang arahnya ke bawah dan juga gaya tegangan tali T yang arahnya menuju pusat lingkaran (tangan). Dari gambar diagram tersebut, bisa saja bandul bergerak ke bawah karena pengaruh gaya berat w, akan tetapi kenapa bandul masih bisa bergerak melingkar?

Selain gaya berat, pada bandul juga bekerja gaya tegangan tali yang bekerja dalam arah radial dan tegak lurus vektor kecepatan linear v. Gaya tegangan tali T inilah ternyata yang menyebabkan bandul dapat bergerak melingkar. Dengan kata lain, gaya tegangan tali berperan sebagai gaya sentripetal yang menyebabkan timbulnya percepatan sentripetal.

Meskipun percepatan sentripetal tidak menyebabkan perubahan besar kecepatan linier tetapi, percepatan ini menyebabkan perubahan arah kecepatan linear di setiap titik lintasan lingkar. Karena arah kecepatan linear selalu berubah setiap saat, maka terjadilah gerak melingkar. Dengan demikian, dapat disimpulkan definisi dari gaya sentripetal sebagai berikut.

Gaya sentripetal adalah gaya yang bekerja pada benda yang bergerak melingkar dengan arah selalu menuju pusat lingkaran. Gaya sentripetal berfungsi untuk mengubah arah gerak benda tanpa mengubah besar kecepatan linearnya. Tanpa adanya gaya sentripetal, maka suatu benda tidak akan bisa bergerak melingkar.

Dari definisi tersebut, dapat kita ketahui bahwa suatu benda dapat bergerak melingkar, karena pada benda bekerja gaya sentripetal seperti bandul yang diikat tali kemudian diputar. Ketika bandul berputar atau bergerak melingkar, tali dalam keadaan tegang sehingga timbullah gaya tegangan tali. Gaya tegangan tali inilah yang kemudian berperan sebagai gaya sentripetal.

Lalu bagaimana dengan gerak-gerak benda langit dalam sistem tata surya, seperti gerak Bulan mengitari Bumi? Gaya sentripetal apa yang menyebabkan Bulan dapat bergerak melingkar? Untuk menjawab pertanyaan ini, perhatikan gambar di bawah ini.

Berdasarkan Hukum Newton tentang Gravitasi Universal, dikatakan bahwa dua benda yang memiliki massa dan dipisahkan oleh jarak tertentu bekerja sebuah gaya tarik-menarik yang besarnya sebanding dengan massa benda-benda tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak pisah antara benda-benda tersebut. gaya ini disebut sebagai gaya gravitasi.

Gaya gravitasi inilah yang menyebabkan Bulan dapat bergerak melingkar mengelilingi Bumi. Dengan demikian, yang berperan sebagai gaya sentripetal pada gerak Bulan mengelilingi Bumi adalah gaya gravitasi antara Bulan dan Bumi.

Catatan Penting:

Istilah sentipetal berasal dari kata baha Latinm yaitu ”centrum” yang artinya pusat dan kata ”petere” yang artinya menuju arah. Jadi sentripetal artinya menuju arah pusat lingkaran.

Rumus Gaya Sentripetal

Dari penjelasan-penjelasan mengenai pengertian gaya sentripetal di atas, ternyata gaya tegangan tali dan gaya gravitasi dapat berfungsi sebagai gaya sentripetal. Dengan kata lain, istilah “gaya sentripetal” ini sebenarnya bukan merupakan gaya fisis atau gaya dalam arti yang sebenarnya, melainkan hanya suatu penamaan atau penggolongan jenis-jenis gaya yang berfungsi membuat benda bergerak melingkar.

Gaya sentripetal bukanlah gaya yang berdiri sendiri. Gaya ini pada dasarnya merupakan resultan gaya yang bekerja pada benda dengan arah radial. Berdasarkan Hukum II Newton, secara matematis rumus gaya sentripetal adalah sebagai berikut.

ΣFs

=

mas

………. Pers. (1)

Karena as = v2/R = ω2R, maka persamaan (1) dapat kita tulis sebagai berikut.

ΣFs	=	m	v2	………. Pers. (2)
			R

Atau bisa juga dapat kita tulis sebagai berikut.

ΣFs

=

mω2R

………. Pers. (3)

Keterangan:
Fs	=	Gaya sentripetal atau komponen gaya dalam arah radial (N)
m	=	Massa benda (kg)
as	=	Percepatan sentripetal (m/s2)
v	=	Kecepatan linear (m/s)
ω	=	Kecepatan sudut (rad/s)
R	=	Jari-jari lintasan (m)

Catatan Penting:

Untuk memahami kenapa as = v2/R = ω2R, silahkan kalian pelajari artikel tentang Rumus Hubungan Besaran Sudut dan Linear Gerak Melingkar Beserta Contoh Soal dan Pembahasan.

Contoh Soal Gaya Sentripetal dan Pembahasan

Agar kalian lebih paham mengenai konsep gaya sentripetal serta menerapkan rumusnya untuk menyelesaikan persoalan fisika, simak beberapa contoh soal tentang gaya sentripetal beserta pembahasannya berikut ini.

Contoh Soal #1

Sebuah bola bermassa 2 kg diikatkan di ujung seutas tali dan kemudian diputar dalam bidang horizontal dengan kelajuan tetap 5 m/s seperti yang tampak pada gambar di bawah ini. Apabila jari-jari lingkaran 1 m, tentukan besar gaya tegangan talinya.

Jawab:

Diketahui: m = 2 kg, v = 5 m/s dan R = 1 m. Dengan persamaan (2) maka kita peroleh hasil sebagai berikut.

ΣFs = mv2/R

Gaya-gaya yang bekerja dalam arah radial hanya gaya tegangan tali T saja sehingga

T = mv2/R

T = (2 kg)(5 m/s)2/(1 m)

T = 50 N

Dengan demikian, besar gaya tegangan talinya adalah 50 N.

Contoh Soal #1

Sebuah mobil bermassa 1.000 kg melintasi suatu jembatan yang melengkung. Jari-jari kelengkungan jembatan 20 m dengan pusat berada di bawah jembatan. Tentukan besar gaya yang diberikan mobil pada jembatan saat mobil berada di puncak jembatan jika 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 mobil pada jembatan sama dengan gaya yang diberikan jembatan pada mobil, yakni gaya normal seperti yang diperlihatkan pada gambar di atas.

Selain gaya normal, pada mobil bekerja gaya berat. Kedua gaya ini merupakan gaya sentripetal karena bekerja dalam arah radial (berhimpit dengan diameter lingkaran) dengan arah yang saling berlawanan. Dengan menggunakan 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 mobil pada jembatan pada saat mobil berada di puncak jembatan adalah 5.000 N.

Catatan Penting:

Penentuan resultan gaya radial mengikuti perjanjian sebagai berikut. Gaya yang berarah ke pusat lingkaran diberi tanda positif dan gaya yang berarah ke luar lingkaran diberi tanda negatif. Pada contoh di atas, w berarah ke pusat lingkaran, sedangkan N berarah keluar lingkaran sehingga w berharga positif dan N berharga negatif.

Demikianlah artikel tentang pengertian dan rumus gaya sentripetal beserta contoh soal dan pembahasannya lengkap dengan gambar ilustrasi. Semoga dapat bermanfaat untuk Anda. Apabila terdapat kesalahan tanda, simbol, huruf maupun angka dalam perhitungan mohon dimaklumi. Terimakasih atas kunjungannya dan sampai jumpa di artikel berikutnya.