KEGIATAN PEMBELAJARAN 2 BERBAGAI JENIS GAYA

•  

A. Tujuan Pembelajaran

 

Setelah kegiatan pembelajaran ini, Ananda diharapkan dapat:

1.       mengetahui berbagai jenis gaya; 

2.   menggambar dan menguraikan vektor berbagai jenis gaya yang bekerja pada suatu   benda; dan

3.    menerapkan berbagai jenis gaya yang bekerja pada suatu benda dengan menerapkan  hukum-hukum Newton tentang gerak benda.

 

B. Uraian Materi

 

Gaya merupakan Interaksi apapun baik berupa dorongan atau tarikan yang dapat menyebabkan sebuah benda mengalami perubahan gerak, baik dalam bentuk arah, maupun konstruksi geometris. Gaya dapat menyebabkan benda diam menjadi bergerak, benda bergerak menjadi diam, benda bergerak menjadi lebih cepat atau lebih lambat. Selain mengubah kecepatan benda, gaya juga dapat mengubah bentuk benda, misalnya plastisin yang akan berubah bentuk setelah ditekan. Gaya dibedakan menjadi beberapa macam, yaitu sebagai berikut.

 

Gaya Berat (w)

Gaya berat merupakan gaya yang dimiliki setiap benda akibat pengaruh medan gravitasi yang arahnya selalu tegak lurus menuju pusat gravitasi.

Secara umum gaya berat dapat ditulis dengan persamaan    𝒘 = 𝑚 . 𝒈

 

 Keterangan:

w   = Gaya berat, newton (N); 

m   = Massa benda (kg); dan

g    = Percepatan gravitasi (m/s2.).

Contoh Soal :

 

Perhatikan gambar berikut :

Sebuah benda bermassa 4 kg berada  pada bidang miring licin dengan sudut  θ = 60⁰.  

Jika g = 10 m/s², 

Tentukan :  

a. berat benda terhadap sumbu x

b. berat benda terhadap sumbu 

Jawab :

Uraikan atau gambar terlebih dahulu vektor gaya berat (w) dan uraikan pada masing-masing sumbu, diperoleh

a.       Menentukan gaya berat pada sumbu x (𝒘_𝒙)

b.   Menentukan gaya berat pada sumbu y (𝒘_𝒚)

𝑤_𝑦 = 𝑤 cos 𝜃

𝑤_𝑦 = 𝑚. 𝑔.  cos 60⁰

𝑤_𝑦 = 4 . 10.  ½  

𝒘_𝒚 = 𝟐𝟎   n𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏

Jadi, berat benda terhadap sumbu-x dan sumbu-y berturut-turut adalah 

𝒘_𝒙= 𝟐𝟎√3     n𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏  dan 𝒘_𝒚 = 𝟐𝟎  n𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏

 Gaya Normal (N)

Gaya normal merupakan gaya yang bekerja pada dua permukaan benda  yang bersentuhan dan arahnya selalu tegak lurus terhadap bidang sentuh

 

 

•       Gaya normal pada bidang datar (gambar a) di atas adalah sebagai berikut :

•       Gaya normal pada bidang miring (gambar b) di atas adalah sebagai berikut :

•       Gaya normal pada bidang miring (gambar c) di atas adalah sebagai berikut:

 

Contoh Soal :

Perhatikan gambar berikut

Sebuah benda bermasa 6 kg mendapat gaya dorong sebesar 20 N. Jika percepatan gravitasi bumi g = 10 m/s², Tentukanlah besar gaya normal yang bekerja benda tersebut 

Jawab

Uraikan dan gambar terlebih dahulu vektor berbagai jenis gaya yang bekerja pada benda.

 

 

Dari uraian gaya-gaya yang bekerja di samping di samping, diperoleh analisa kesimpulan karena benda pada sumbu y diam, maka berlaku Hukum I Newton, sehingga dapat ditulis :

 

∑𝐹_𝑦 = 0

𝑁 − 𝑤 − 𝐹 = 0

𝑁 = 𝑤 + 𝐹

𝑁 = (𝑚 . 𝑔) + 𝐹

𝑁 = (6 .10) + 20

𝑵 = 𝟖𝟎  𝑵𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏

Jadi, besarnya gaya normal benda tersebut adalah 80 Newton

  Gaya Gesekan (f_g)

Gaya gesek merupakan gaya yang timbul akibat kekasaran dua permukaan benda yang saling bersentuhan. Komponen gaya gesek selalu sejajar dengan bidang  sentuh dan arahnya selalu berlawanan  dengan arah gerak benda. Oleh karena itu, gaya gesek bersifat 

menghambat gerak benda.  Gaya gesek dibedakan  menjadi  2, yaitu gaya gesekan statis dan gaya gesekan kinetis.

a. Gaya Gesekan Statis

Gaya gesek statis merupakan gaya gesek yang bekerja pada  sebuah  benda, dimana benda tersebut masih diam sampai tepat akan bergerak. Selama gaya pendorong/ penarik benda kurang dari gaya gesek statisnya, maka benda akan tetap diam atau tidak bergerak. Besarnya gaya gesek statis dapat ditulis:

b. Gaya Gesekan Kinetis

Gaya gesek kinetis merupakan gaya gesek yang bekerja pada sebuah benda yang sedang bergerak, dan arahnya selalu berlawanan dengan arah gerak benda. Besarnya gaya gesek kinetis dirumuskan sebagai berikut. dimana  :

fs  =  Gaya Gesekan Statis,satuan newton (N)

fk  =  Gaya Gesekan, satuan newton (N)

µs  = Koefisien Gesekan Statis,  tanpa satuan

µk  = Koefisien Gesekan Kinetis,   tanpa satuan

N  =  Gaya Normal, satuan newton (N)

Gaya gesekan kinetis terjadi pada benda yang bergerak, hal ini terjadi karena gaya pendorong/penarik lebih dari gaya gesek statis maksimumnya, sehingga dapat disimpulkan bahwa nilai µs > µk, 

dimana rentang nilai koefisien gesekan adalah "0 < 𝜇 < 1

Contoh Soal : 

Sebuah benda bermassa 1,5  kg terletak pada bidang yang kasar, dan dikenai gaya seperti pada gambar berikut.

Jika Percepatan gravitasi bumi g = 10 m/s², Tentukanlah besar percepatan yang dialami benda tersebut! (anggap √3 =1,7)

Jawab 

Uraikan dan gambar terlebih dahulu vektor berbagai jenis gaya yang bekerja pada benda pada masing-masing sumbu, diperoleh !

👉 Lihat sumbu y (Benda diam, HK Newton ke 1)       

∑𝐹𝑦 = 0  

𝑁 + 𝐹 sin 600 − 𝑤 = 0

𝑁 + 𝐹 sin 600 − (𝑚 . 𝑔) = 0

      𝑁 = (𝑚 . 𝑔) − 𝐹 sin 600 

  Lihat sumbu x

𝑓𝑠 = 𝜇𝑠  .  𝑁  = (0,5 ) . (6,5) = 3,25  𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛

𝑓𝑘 = 𝜇𝑘  .  𝑁  = (0,4 ) .(6,5) = 2,6  𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛 

Sedangkan :

𝐹𝑥 = 𝐹 cos 600 

     = 10 .  ½ 

     = 5  𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛

Ternyata gaya mendatar Fx lebih besar dari pada  gaya gesek statis (ƒs) s sehingga dapat diketahui bahwa benda dalam keadaan bergerak. Dengan demikian, gaya gesek yang bekerja adalah gaya gesek kinetis.

Sehingga pada sumbu x berlaku hukum II Newton, dan diperoleh:

∑𝐹𝑥 =  𝑚  .  𝑎

𝐹𝑥 − 𝑓𝑘  =  𝑚  .  𝑎

5 – 2,6  =  1,5  .  𝑎

2,6 =  1,5  .  𝑎

𝑎 =  𝟏, 𝟔  𝒎/𝒔𝟐

Jadi, besar percepatan yang dialami benda adalah 1,6  m/s2

Gaya Tegangan Tali (T)

Gaya tegangan tali merupakan gaya yang bekerja pada tali ketika tali tersebut dalam keadaan tegang. Simbol gaya tegangan tali adalah T (tension) dan satuannya adalah Newton. Arah gaya tegangan tali ini bergantung pada benda yang ditinjau, bisa ke atas, ke bawah, ke kanan, ke kiri maupun membentuk sudut tertentu. Perhatikan gambar berikut!

Karena arah gaya tegangan tali bergantung pada titik atau posisi benda yang ditinjau, maka untuk keadaan atau kondisi yang berbeda, gambar dan rumus gaya tegangan tali juga berbeda. Berikut ini adalah gambar gaya tegangan tali pada benda dalam empat kondisi, yaitu sebuah benda yang digantung vertikal dengan tali, dua benda yang dihubungkan tali pada bidang datar kemudian di tarik dengan gaya F, sebuah benda yang yang dihubungkan tali pada bidang miring licin dan sebuah benda yang dihubungkan tali melalui katrol.

Kondisi 1 (benda digantung vertikal dengan tali)
Ketika sebuah benda bermassa m dihubungkan tali kemudian digantung maka pada benda tersebut bekerja dua gaya, yaitu gaya tegangan tali T dan gaya berat w. Karena benda diam, maka berlaku Hukum I Newton sebagai berikut.
ΣFY = 0
T – w = 0
T = w
Sehingga rumus gaya tegangan tali pada kondisi ini adalah

T = mg

Jika yang kita tinjau adalah tempat dimana tali digantung, maka pada gantungan tersebut juga bekerja gaya tegangan tali T’ yang besarnya sama dengan T sehingga
T’ = T
Kondisi 2 (benda dihubungkan tali pada katrol licin)
Jika sebuah benda bermassa m dihubungkan tali pada katrol licin kemudian ditarik dengan gaya F, maka benda tersebut bekerja dua gaya yaitu gaya tegangan tali T dan gaya berat w, jika F > w maka benda bergerak ke atas sehingga berlaku Hukum II  Newton sebagai berikut.
ΣFY = ma
T1 – w = ma
T1 = ma + w
T1 = ma + mg
Sehingga rumus gaya tegangan tali pada kondisi ini adalah

T1 = m(a+g)

Apabila kita tinjau gaya yang menarik tali (F), maka pada titik tersebut juga bekerja gaya tegangan tali T2 yang arahnya ke atas. Jika yang kita tinjau adalah katrol, maka pada katrol tersebut bekerja gaya tegangan tali T1’ dan T2’ yang besarnya sama dengan T1 dan T2 karena pada katrol yang licin (tidak ada gesekan) semua gaya tegangan tali besarnya adalah sama, sehingga
T1’ = T2’ = T1 = T2

Kondisi 3 (dua benda dihubungkan tali dan ditarik)
Misalkan dua benda bermassa m1 dan m2­ saling dihubungan dengan tali pada bidang datar licin. Kemudian pada benda 2 ditarik dengan gaya sebesar F, maka pada masing-masing benda bekerja gaya tegangan tali T1 dan T2. Jika kedua benda bergerak ke kanan, maka pada masing-masing benda berlaku Hukum II Newton sebagai berikut.
Benda 1
Resultan gaya pada sumbu Y
ΣFY = m1a
N1 – w1 = m1a (karena tidak ada gerak pada arah Y maka a = 0)
N1 – w1 = 0
N1 = w1
Resultan gaya pada sumbu X
ΣFX = m1a
T1 = m1a
Dengan demikian besar gaya tegangan tali pada benda 1 adalah

T1 = m1a

Benda 2
Resultan gaya pada sumbu Y
ΣFY = m2a
N2 – w2 = m2a (karena tidak ada gerak pada arah Y maka a = 0)
N2 – w2 = 0
N2 = w2
Resultan gaya pada sumbu X
ΣFX = m2a
F – T2  = m2a
T2 = F – m2a
Dengan demikian besar gaya tegangan tali pada benda 2 adalah

T2 = F – m2a

Karena pada benda 1 dan benda 2 dihubungkan dengan tali yang sama maka
T1 = T2

Kondisi 4 (benda dihubungkan tali pada bidang miring licin)
Perhatikan kembali gambar tegangan tali di atas. Jika sebuah benda bermassa m dihubungkan dengan tali kemudian diletakkan pada bidang miring licin dengan sudut kemiringan α, maka pada benda tersebut bekerja gaya tegangan tali T dengan arah seperti pada gambar. Karena benda tidak bergerak maka berlaku Hukum I Newton sebagai berikut
Resultan gaya pada sumbu Y
ΣFY = 0
N – w cos α = 0
N = w cos α
N = mg cos α
Resultan gaya pada sumbu X
ΣFX = 0
T – w sin α  = 0
T = w sin α
T = mg sin α
Dengan demikian besar gaya tegangan tali pada benda tersebut adalah

T = mg sin α

Contoh Soal Gaya Tegangan Tali dan Pembahasan
Sebuah lift bergerak dipercepat ke atas dengan percepatan 2 m/s2. Jika massa lift dan isinya 200 kg, tentukanlah tegangan tali penarik lift tersebut jika percepatan gravitasi bumi g = 10 m/s2.
Jawab

Gaya yang bekerja pada lift adalah berat dan tegangan tali seperti diperlihatkan pada gambar di atas. Karena benda bergerak dengan suatu percepatan ke atas, sesuai dengan Hukum II Newton, kita peroleh
ΣFY = ma
T – w = ma
T = w + ma
T = mg + ma
T = m (g + a)
T = (200 kg)(10 m/s2 + 2 m/s2)
T = 2.400 N

Catatan penting: Gaya yang searah dengan percepatan (arah gerak benda) diberi tanda positif dan gaya yang berlawanan dengan percepatan diberi tanda negatif.

Demikianlah artikel tentang pengertian, gambar dan rumus gaya tegangan tali pada dinamika translasi beserta contoh soal dan pembahasannya.
Contoh Soal
Tiga buah benda m1=2 kg, m2= 3 kg dan m3= 5 kg dihubungkan dengan tali pada lantai yang licin, seperti gambar berikut

Berdasarkan gambar di atas, tentukan gaya tegang tali T₂ dan T₁ !

Jawab

Menentukan percepatan (a) yang dialami sistem benda Lihat sumbu horizontal, maka berlaku Hukum II Newton

       

∑𝐹_𝑥 = 𝑚 . 𝑎

𝑇₁ − 𝑇₁ + 𝑇₂ − 𝑇₂ + 𝐹 = (𝑚₁ + 𝑚₂ + 𝑚₃) .𝑎

𝐹 = (𝑚₁ + 𝑚₂ + 𝑚₃) . 𝑎

  

Menentukan T₂ (lihat benda m₃ = 5 kg)

  

 

Lihat sumbu horizontal, maka berlaku Hukum II Newton

∑𝐹𝑥 = 𝑚 . 𝑎

− 𝑇₂  + 𝐹 = 𝑚₃.  𝑎

− 𝑇₂  + 30 = 5 .  3

− 𝑇₂  + 30 = 15

 𝑇₂  = 30 − 15

 𝑇₂  = 𝟏𝟓 𝑵𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏

  Menentukan T₁ (Lihat benda 2, m₂ = 3 kg)

 

 Lihat sumbu horizontal, maka berlaku Hukum II Newton

∑    𝐹𝑥 = 𝑚 . 𝑎
−𝑇1 + 𝑇2 = 𝑚2 .  𝑎
−𝑇1 + 15 = 3 .  3
−𝑇1 + 15 = 9
𝑇1 = 15 − 9
𝑇1 = 𝟔 𝑵𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏      

        Jadi besarnya tegangan tali T2 = 15 Newton dan T1 = 6 Newton

C. Rangkuman

 

1.     Gaya berat merupakan gaya yang dimiliki setiap benda akibat pengaruh medan gravitasi yang arahnya selalu tegak lurus menuju pusat gravitasi.

2.  Gaya normal merupakan gaya yang bekerja pada dua permukaan benda  yang bersentuhan dan arahnya selalu tegak lurus terhadap bidang sentuh.

3.       Gaya gesek merupakan gaya yang timbul akibat kekasaran dua permukaan benda yang saling bersentuhan. Komponen gaya gesek selalu sejajar dengan bidang  sentuh dan arahnya selalu berlawanan  dengan arah gerak benda. Oleh karena itu, gaya gesek bersifat menghambat gerak benda. Gaya gesek dibedakan  menjadi  2, yaitu gaya gesekan statis dan gaya gesekan kinetis.

• Gaya Gesekan Statis (f_s), 

berlaku ketika benda dikenai gaya tetapi benda tersebut masih dalam keadaan diam

sampai tepat akan bergerak arah nya selalu berlawanan dengan arah gerak benda 

•   Gaya Gesekan Kinetis (fk),

berlaku ketika benda dikenai gaya dan benda tersebut dalam keadaan bergerak, 

arahnya selalu berlawanan    dengan arah gerak benda 

• Gaya tegangan tali disebut juga tegangan tali (T) adalah gaya yang bekerja  pada ujung-ujung tali karena tali itu tegang. Jika tali dianggap ringan maka gaya tegangan tali pada kedua ujung tali yang sama dianggap sama besarnya
  
  
  

 Latihan Soal 
.1.  Perhatikan gambar berikut 

Sebuah luikisan bermassa m = 0,6 kg tergantung pada sebuah tali yang berada di dinding ruang tamu terlihat seperti gambar di samping. Jika percepatan gravitasi g = 10 m/s2

Tentukan : 

a. Tegangan tali T1 

 b. Tegangan tali T2 

Pembahasan Latihan Soal

 

1. Perhatikan gambar uraian vektor gaya yang bekerja pada kasus di atas
   
   
   

a.  Menentukan besar tegangan tali T1

Lihat sumbu y (benda diam) maka berlaku hukum I Newton, sehingga dapat ditulis 

∑ 𝐹𝑦 = 0

𝑇_1𝑦 − 𝑤 = 0

𝑇_1𝑦 = 𝑤 

𝑇₁ sin30⁰ = 𝑚 . 𝑔

𝑇₁. ½  = 0,6 . 10

𝑇₁ = 6 × 2

𝑻_𝟏 = 𝟏𝟐 𝑵𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏

 

Jadi, besar tegangan tali T₁ adalah 12 

b.       Menentukan besar tegangan tali T₂ 

Lihat sumbu x (benda diam) maka berlaku hukum I Newton, sehingga dapat ditulis

∑ 𝐹_𝑥 = 0

𝑇_1𝑥 − 𝑇₂ = 0

𝑇2 = 𝑇1𝑥

𝑇₂ = 𝑇₁ cos 30⁰

        =12. ½√3

 𝑻𝟐 = 𝟔√𝟑  Newton
                  

Jadi, besar tegangan tali T₂ adalah 𝟔√𝟑  Newton

2.  Sebuah balok yang massa nya 7,5 kg berada di atas lantai. Agar balok bergerak dengan kecepatan konstan diperlukan gaya horizontal sebesar 30 Newton.  Jika percepatan gravitasi g = 10 m/s2 maka :  

a.  Koefisien gesekan antara balok dan 

b.  Apabila di atas balok tersebut diletakkan benda yang massanya 5 kg, Tentukan berapa gaya horizontal maksimum agar balok tetap bergerak dengan kecepatan konstan 

Pembahasan latihan soal 2

2. Perhatikan gambar berikut!

 

a. Menentukan koefisien gesekan μ_s antara balok dan lantai

Ketika benda ditarik dengan gaya F benda tersebut bergerak dengan kecepatan konstan (GLB), maka berlaku hukum I Newton

∑ 𝐹 = 0

𝐹 − 𝑓_𝑔 = 0

𝑓_𝑔 = 𝐹

𝜇 × 𝑁₁ = 𝐹

𝜇 × 𝑤 = 𝐹

𝜇 × (𝑚 . 𝑔) = 𝐹

𝜇  = F/m.g

                      

𝜇 = 30/ 7,5.10

𝝁 = 𝟎, 𝟒

 

Jadi, besar koefisien gesekan ketika benda tersebut bergerak dengan kecepatan konstan adalah µ = 0,4

 

b. Apabila di atas balok tersebut diletakkan benda yang massanya 5 kg, Tentukan berapa gaya horizontal maksimum agar balok tetap bergerak dengan kecepatan konstan

 

Perhatikan gambar uraian vektor yag bekerja pada kasus ini !

Ketika benda ditarik dengan gaya F benda tersebut bergerak dengan kecepatan konstan (GLB), maka berlaku hukum I Newton

∑ 𝐹 = 0

𝐹 − 𝑓_𝑔 = 0

𝑓_𝑔 = 𝐹

𝜇 × 𝑁₁₂ = 𝐹

𝜇 × 𝑁₁₂ = 𝐹

𝜇 × ((𝑚₁ + 𝑚₂).𝑔) = 𝐹

0,4 × ((7,5 + 5). 10) = 𝐹

𝐹 = 0,4 × 125

𝑭 = 𝟓𝟎  𝑵𝒆𝒘𝒕𝒐𝒏

 

Jadi, setelah ditambah beban m₂ yang diletakkan di atas benda m1, maka agar sistem benda tersebut bergerak dengan kecepatan konstan, maka gaya maksimal yang harus diberikan oleh sistem adalah 50 Newton

 

E. Penilaian Diri

 

Isilah pertanyaan pada tabel di bawah ini sesuai dengan yang kalian ketahui, berilah penilaian secara jujur, objektif, dan penuh tanggung jawab dengan memberi tanda pada kolom Jawaban.

 

No	Pertanyaan	Jawaban
		Ya	Tidak
1	Apakah Ananda memahami konsep berbagai jenis  gaya yang bekerja pada benda?
2	Apakah Ananda dapat melukiskan vektor berbagai jenis gaya sesuai konsep yang bekerja pada suatu benda?
3	Apakah Ananda mampu menjawab dan memahami soal-soal yang tertera pada latihan soal?
	Jumlah

 

Catatan:

•   Jika ada jawaban “Tidak” maka segera lakukan review pembelajaran.

•  Jika semua jawaban “Ya” maka Anda dapat melanjutkan kegiatan Pembelajaran berikutnya

Link    Video  👉Pembahasan  Kegiatan Pembelajaran 2