4 Jenis Gaya Penting dalam Dinamika, Pengertian, Rumus, 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:

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

Gaya tak langsung merupakan gaya yang bekerja di antara dua benda tetapi kedua benda tersebut tidak bersentuhan. Contoh gaya tak langsung adalah 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 mengatakan “Doni memiliki berat 65 kg”. Pernyataan orang tersebut keliru karena sebenarnya yang dikatakan orang tersebut adalah massa Doni. Kalian harus dapat membedakan antara massa dan berat.

Massa merupakan ukuran banyaknya materi 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 adalah Newton (N). Hubungan antara massa dan berat dijelaskan dalam hukum II Newton.

Misalnya, sebuah benda yang bermassa m dilepaskan dari ketinggian tertentu, maka benda tersebut akan jatuh ke bumi. Jika gaya hambatan 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 tempat itu. Secara matematis dapat 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 jika 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 adalah 98 N.

#2 Gaya Normal

Kalian ketahui bahwa benda yang dilepaskan pada ketinggian tertentu akan jatuh bebas. Bagaimana jika 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 agar tidak jatuh adalah gaya tekan meja pada buku. Gaya ini ada karena permukaan buku bersentuhan dengan permukaan meja dan sering disebut gaya normal. Gaya normal (N) adalah 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 adalah horizontal, maka arah gaya normalnya adalah vertikal. Jika bidang sentuhnya vertikal, maka arah gaya normalnya adalah 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. jika g = 10 m/s2 maka tentukan gaya normal yang bekerja pada balok jika diam di atas bidang miring yang membentuk sudut 300 terhadap horisontal.

Penyelesaian:

Perhatikan gambar di atas. gaya-gaya pada balok dapat dilihat pada gambar tersebut. Balok dalam keadaan diam 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 dapat dipastikan tidak akan bergerak (bergeser). Jika Anda mengelindingkan sebuah bola di lapangan rumput, maka setelah menempuh jarak tertentu bola tersebut pasti berhenti. Mengapa hal-hal tersebut dapat terjadi? Apa yang menyebabkan almari sulit di gerakkan dan bola berhenti setelah menempuh jarak tertentu?

Gaya yang melawan gaya yang Anda berikan ke almari atau gaya yang menghentikan gerak bola adalah gaya gesek. Gaya gesek adalah 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 gesekan dapat dibedakan menjadi dua, yaitu gaya gesekan statis dan gaya gesekan kinetis. Gaya gesek statis (fs) adalah gaya gesek yang bekerja pada benda selama benda tersebut masih diam.

Menurut hukum I Newton, selama benda masih diam berarti resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut adalah nol. Jadi, selama benda masih diam gaya gesek statis selalu sama dengan yang bekerja pada benda tersebut. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.

fs maks = μsN

Keterangan:

fs maks = gaya gesekan statis maksimum (N)

μs = koefisien gesekan statis

Gaya gesek kinetis (fk) adalah gaya gesek yang bekerja pada saat benda dalam keadaan bergerak. Gaya ini termasukgaya dissipatif, yaitu gaya dengan usaha yang dilakukan akan berubah menjadi kalor. Perbandingan antara gaya gesekan kinetis dengan gaya normal disebut koefisien gaya gesekan kinetis (μk). Secara matematis dapat di tulis sebagai berikut.

fk = μkN

Keterangan:

fk = gaya gesekan statis maksimum (N)

μk = koefisien gesekan 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 seperti pada gambar berikut ini.

■ Gaya Normal

Karena pada sumbu vertikal tidak terjadi gerak, maka berdasarkan 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 adalah 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 karena 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 memiliki percepatan sentripetal. Arah percepatan sentripetal selalu menuju ke pusat lingkaran dan tegak lurus dengan vektor kecepatan.

Menurut hukum II Newton, percepatan ditimbulkan karena adanya gaya. Oleh karena itu, percepatan sentripetal ada karena adanya gaya yang menimbulkannya, yaitu gaya sentripetal.

Pada hukum II Newton dinyatakan bahwa gaya merupakan perkalian antara massa benda dan percepatan yang dialami benda tersebut. Sesuai hukum tersebut, hubungan antara percepatan sentripetal, massa benda, dan gaya sentripetal dapat 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 lingkaran (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 pasti memerlukan gaya sentripetal. Misalnya, planet-planet yang mengitari matahari, elektron yang mengorbit inti atom, dan batu yang diikat dengan tali dan diputar.

Contoh Soal Gaya Sentripetal:

Sebuah mobil bermassa 1.000 kg melintasi suatu jembatan yang melengkung. Jari-jari kelengkungan jembatan 20 m denga 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.