Pengertian & Rumus Gaya Berat, Normal, Gesek + 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:

Dalam artikel tentang Percobaan Hukum 2 Newton terdapat sebuah contoh soal yang merupakan salah satu contoh penerapan Hukum II Newton pada gerak lurus. Bagaimanakah kita menyelesaikan permasalahan yang berkaitan dengan penerapan Hukum II Newton dalam kehidupan sehari-hari?

Untuk menyelesaikan masalah yang berkaitan dengan Hukum II Newton dalam kehidupan sehari-hari, kita perlu mendefinisikan beberapa konsep, yaitu berat benda, gaya normal, dan gaya gesek. Nah, pada kesempatan kali ini kita akan membahas tentang pengertian, rumus, contoh soal dan pembahasan tentang gaya berat, gaya normal dan gaya gesek. Silahkan disimak materi berikut ini.

Apa itu Gaya Berat?

Ketika kalian masih duduk di bangku SMP/MTs, tentunya kalian telah mengetahui perbedaan antara massa dan berat benda. Massa benda di manapun selalu tetap. Akan tetapi, berat benda selalu berubah bergantung besarnya percepatan gravitasi di tempat benda berada.

Gaya berat atau biasanya disingkat berat adalah gaya gravitasi yang bekerja pada suatu benda bermassa. Jika benda tersebut berada di bumi, maka gaya gravitasi yang bekerja adalah gaya tarik bumi. Lambang gaya berat adalah w, singkatan dari weight. Satuan berat adalah Newton (N).

Selain mengajukan tiga hukum tentang gerak, Newton juga mengajukan Hukum Gravitasi Universal. Hukum gravitasi ini menjelaskan interaksi antara dua benda. Hukum gravitasi newton menyatakan bahwa dua buah benda dengan massa m1 dan m2 yang berada pada jarak r mempunyai gaya tarik-menarik sebesar.

F	=	G	m1m2
			r2

Keterangan:

F = gaya tarik-menarik (N)

G = Tetapan gravitasi (6,67 × 105 Nm2/kg2)

m1 = massa benda 1 (kg)

m2 = massa benda 2 (kg)

r = jarak kedua benda (m)

Berdasarkan persamaan di atas, jika m1 adalah massa bumi dan m2 adalah massa benda yang masih terpengaruh gaya tarik bumi, maka percepatan gravitasi (g) bumi dirumuskan sebagai berikut.

g	=	G	m1
			r2

Dari persamaan tersebut, besarnya gaya tarik bumi terhadap benda-benda di bumi dapat dituliskan sebagai berikut.

F = mg

Gaya tarik bumi inilah yang disebut gaya berat (w) dengan satuan Newton (N). Jadi, gaya berat atau berat benda dapat dinyatakan sebagai berikut.

w = mg …………… Pers. (1)

Keterangan:

w = berat benda (N)

m = massa benda (kg)

g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)

Berdasarkan persamaan tersebut, berat benda tergantung pada besarnya percepatan gravitasi di tempat benda berada. Untuk menambah pemahaman kalian tentang berat benda, perhatikan contoh di bawah ini.

Contoh Soal Gaya Berat:

1. Sebuah kelapa mempunyai massa 2 kg. Berapakah berat kelapa, jika percepatan gravitasi di tempat 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 adalah 19,6 N.

2. 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.

Apa itu Gaya Normal?

Kalau kita perhatikan, arah berat benda selalu menuju pusat bumi. Dengan adanya gaya berat ini, benda akan cenderung jatuh menuju pusat bumi. Namun, pernahkan kalian berfikir, mengapa benda yang berada di atas meja tidak jatuh ke bumi?

Benda yang berada di atas meja tidak jatuh ke bumi disebabkan karena meja memberikan gaya tegak lurus meja yang arahnya ke atas pada benda tersebut. Gaya yang diberikan meja ini disebut gaya normal (N).

Secara umum, gaya normal diartikan sebagai gaya yang arahnya tegak lurus bidang. Untuk benda pada bidang datar, besarnya gaya normal sama dengan gaya berat benda.

N = w

N = mg …………… Pers. (2)

Yang perlu kalian perhatikan, gaya normal dan gaya berat benda bekerja pada benda yang berbeda. Jadi, kedua gaya ini tidak bisa saling menghilangkan.

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

Diagram gaya berat dan gaya normal yang bekerja pada benda yang terletak pada bidang datar dan miring dapat kalian lihat pada gambar berikut ini.

Keterangan: Gambar (a): gaya berat dan gaya normal pada bidang datar. Gambar (b): gaya berat dan gaya normal pada bidang miring.

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 adalah 25 √3 N.

Apa itu Gaya Gesek?

Pernahkan kalian mendorong atau menarik balok dan sulit bergerak? Misalnya seperti pada gambar di bawah ini. Salah satu penyebab keadaan itu adalah gaya gesek. Gaya gesek merupakan proyeksi gaya kontak yang sejajar bidang sentuh. Pada gerak translasi arah gaya ini akan menentang kecenderungan arah gerak sehingga dapat mempersulit gerak benda.

Berdasarkan keadaan benda yang dikenainya, gaya gesek dapat dibagi menjadi dua. Untuk keadaan benda yang diam dinamakan gaya gesek statis fs dan untuk keadaan benda yang bergerak dinamakan gaya gesek kinetik fk.

Gaya gesek (friction force) adalah 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 adalah Newton.

1. Gaya Gesek Statis

Gaya gesek ini terjadi pada keadaan diam berarti besarnya akan memenuhi hukum I Newton. Contohnya seperti balok pada gambar di bawah ini. Balok ditarik gaya F, karena tetap diam berarti fs = F agar ΣF = 0.

Gaya gesek statis ini memiliki nilai maksimum fs max yaitu gaya gesek yang terjadi pada saat benda tepat akan bergerak. fs max dipengaruhi oleh gaya normal dan kekasaran bidang sentuh (μs). Dari kesebandingan ini dapat dirumuskan sebagai berikut.

fs max ~ N

fs max ~ μs

fs max = μsN …………… Pers. (3)

Keterangan:

fs max = gaya gesek statis maksimum (N)

μs = koefisien gesek statis

N = gaya normal (N)

Dari nilai fs max pada persamaan (3) di atas, maka nilai gaya gesek statis akan memenuhi syarat sebagai berikut.

fs ≤ μsN …………… Pers. (4)

2. Gaya Gesek Kinetis

Gaya gesek kinetik timbul saat benda bergerak. Besar gaya gesek kinetik sesuai dengan fs max yaitu sebanding dengan gaya normal N dan sebanding dengan koefisien gesek kinetik μk. Dari hubungan ini dapat dirumuskan seperti berikut ini.

fk = μkN …………… Pers. (5)

Keterangan:

fk = gaya gesek kinetik (N)

μk = koefisien gesek kinetis

N = gaya normal (N)

Contoh Soal Gaya Gesek:

Sebuah balok bermassa 20 kg berada di atas lantai mendatar kasar. μs = 0,6 dan μk = 0,3. Kemudian balok ditarik gaya sebesar F mendatar. g = 10 m/s2. Tentukan gaya gesek yang dirasakan balok dan percepatan balok jika:

(a) F = 100 N

(b) F = 140 N

Penyelesaian:

Diketahui:

m = 20 kg

μs = 0,6

μk = 0,3

g = 10 m/s2

F = 100 N dan 140 N

Ditanyakan: f dan a?

Jawab:

Keadaan balok dapat digambarkan seperti pada gambar di atas. Gaya normal N memenuhi:

N = w = mg = (20 kg)(10 m/s2) = 200 N

Pengaruh gaya F dapat diketahui dengan menghitung dahulu gaya gesek statis yang bekerja pada balok, yaitu sebagai berikut.

fs = μsN

fs = (0,6)(200 N)

fs = 120 N

(a) Untuk F = 100 N

Karena F < fs maka balok masih tetap diam sehingga berlaku Hukum I Newton yaitu sebagai berikut.

ΣFX = 0

F – f = 0

f = F

f = 100 N

Karena benda diam, maka a = 0

Jadi, gaya gesek dan percepatan balok sebesar 100 N dan 0 m/s2.

(b) Untuk F = 140 N

F > fs maka balok bergerak dan gaya gesek yang bekerja adalah gaya gesek kinetik, yaitu sebesar:

fk = μkN

fk = (0,3)(200)

fk = 60 N

Karena balok bergerak, maka berlaku Hukum II Newton yaitu sebagai berikut.

ΣFX = ma

F – fk = ma

140 – 60 = 20a

20a = 80

a = 4 m/s2

Jadi, gaya gesek dan percepatan balok adalah 60 N dan 4 m/s2.