Kesetimbangan Benda Tegar (Fisika)

Dalam Fisika, suatu sistem dapat dikatakan seimbang bila sistem tersebut dalam keadaan tanpa gerak (diam) atau bergerak lurus beraturan. Dalam keadaan ini berarti resultan gaya yang bekerja pada sistem itu sama dengan nol (Hukum Newton I).

Sistem yang seimbang dalam keadaan tanpa gerak dinamakan seimbang statis, sedangkan sistem atau  benda yang seimbang dalam keadaan bergerak dinamakan seimbang mekanis.

1. KESEIMBANGAN  PARTIKEL

Partikel merupakan benda yang ukurannya dapat diabaikan dan dapat digambarkan sebagai suatu titik materi. Partikel tidak mengalami gerak rotasi melainkan hanya gerak translasi dan syarat partikel dalam keaadaan seimbang  adalah resultan gaya sama dengan nol.

ΣF = 0

Jika gaya diuraikan dalam sumbu X dan Y, maka syarat keseimbangan dapat dituliskan sebagai:

ΣFx = 0

ΣFy = 0

Keterangan :

ΣFx = resultan gaya pada komponen sumbu  X

ΣFy = resultan gaya pada komponen sumbu  Y

Sebuah partikel dikatakan dalam keadaan seimbang tidak harus dalam keadaan diam melainkan dapat terjadi apabila benda tersebut dalam keadaan bergerak lurus beraturan (percepatan partikel sama dengan nol dan kecepatan konstan ).

Keseimbangan 3 gaya :

1.              Apabila ada tiga buah gaya yang seimbang, maka resultan dua buah gaya akan sama besar dan berlawanan arah dengan gaya yang lain

2.              Hasil bagi setiap besar gaya dengan sinus sudut diseberangnya selalu bernilai sama

F1   = F2    = F3

Sin α  sin β  sin γ

2. KESEIMBANGAN BENDA TEGAR

Benda tegar adalah benda yang posisi partikelnya tetap atau benda yang tidak mudah berubah bentuknya ketika diberi gaya luar.

Suatu benda dikatakan dalam keadaan seimbang bila memiliki keseimbangan translasi (diam atau bergerak beraturan ) dan keseimbangan rotasi (tidak berputar atau berputar dengan kecepatan sudut tetap). Pada keseimbangan translasi berlaku F = m.a, sedangkan pada keseimbangan rotasi berlaku τ = I.α. Syarat seimbang translasi :

ΣF = 0 atau  ΣFx = 0

   ΣFy = 0

Syarat seimbang rotasi Στ = 0

Jadi syarat seimbang benda tegar adalah

ΣFx = 0

ΣFy = 0

Στ   = 0

            Sebagaimana kita ketahui benda yang dalam keadaan seimbang tidak harus dalam keadaan diam namun percepatan linear a = 0, dan percepatan sudut α = 0. Benda yang berada dalam keadaan diam dan seimbang dinamakan diam statis, sedangkan benda seimbang namun keadaan bergerak beraturan disebut keseimbangan mekanik. Sehingga ada dua jenis keseimbangan mekanis, yaitu :

Keseimbangan translasi

Keseimbangan rotasi

            3. KESEIMBANGAN ROTASI

            Benda dikatakan mempunyai keseimbangan rotasi bila memenuhi syarat :

1. Benda tidak mempunyai percepatan anguler
2. Benda kemungkinan dalam keadaan diam atau bergerak dengan percepatan anguler tetap
3. Στ = 0, ΣF ≠ 0

4. MOMEN GAYA

Pengertian Momen Gaya adalah efek putar dari sebuah gaya terhadap suatu sumbu putar. Besar Momen gaya sama dengan perkalian gaya terhadap jarak

                 

            τ = F . d

dengan

τ =  Momen Gaya (Nm)

F =  gaya (N)

d =  jarak sumbu putar terhadap garis kerja gaya (m)

Momen gaya yang searah putaran jarum jam bertanda positif, sedangkan yang berlawanan arah dengan putaran jarum jam bertanda negatif.

      5. MOMEN KOPEL

Kopel adalah dua buah gaya yang sejajar, sama besar, dan berlawanan arah. Momen kopel adalah perkalian antara gaya dengan jarak antara kedua gaya

      M = F d

Sifat – sifat momen kopel :

1.              Sebuah kopel dapat dipindahkan baik pada bidang asalnya ataupun pada bidang lain yang sejajar dengan bidang asalnya dengan besar dan arah yang tetap.

2.              Resultan sebuah kopel M dengan sebuah gaya F  yang sebidang adalah sebuah gaya yang besar dan arahnya sama dengan F semula, tetapi garis kerjanya bergeser sejauh d dari gaya awalnya.

d = M

       F

            6. KOORDINAT TITIK TANGKAP GAYA RESULTAN

Jika resultan komponen gaya pada sumbu Y adalah Ry dengan jarak Xr dari sumbu Y, maka berlaku hubungan :

Στy = τy1 + τy2 + τy3 +…..+ τyn

RyXr = F1yX1 + F2yX2 + F3yX3 +…..+ FnyXny

Kooordinat gaya resultan:

Xr = F1yX1 + F2yX2 + F3yX3 + …..+ FnyXn

                  F1y + F2y + F3y +…..+ Fny

Yr = F1xY1 + F2xY2 + F3xY3 + …..+ FnxYn

                  F1x +F2x + F3x + …..+Fnx

7. TITIK BERAT

Menentukan titik berat dengan perhitungan

Xo = X1W1 + X2W2 + X3W3 +…

                  W1 + W2 + W3 + …

Yo = Y1W1 + Y2W2 + Y3W3 + …

                  W1 +W2 + W3 +…

Sejalan dengan pengertian titik berat, maka titik pusat massa suatu benda didefinisikan sebagai

Xpm = X1m1 + X2m2 + X3m3 +…

                  m1 + m2 + m3 +…

Ypm = Y1m1 + Y2m2 + Y3m3 +…

                  m1 +m2 + m3 +…

Berdasarkan keadaan benda dikenal tiga macam keseimbangan yaitu keseimbangan stabil, keseimbangan labil, dan keseimbangan indeferen.

a.              Keseimbangan Stabil (mantap) : Bendsa dikatakan  seimbang stabil jika posisi benda berubah pada saat mendapat gangguan, seperti dorongan atau tarikan. Namun pada saat gangguan dihilangkan, benda kembali pada posisi semula.

b.              Keseimbangan Labil : Benda dikatakan labil jika setelah gangguan  yang mengenai dihilangkan, benda tidak kembali pada posisi semula.

c.              Keseimbangan Indeferen (Netral) : Benda memiliki keseimbsngan indeferen jika setelah gangguan dihilangkan, titik berat benda tetap pada satu garis lurus seperti semula.

Jika benda mendapatkan pengaruh gaya lalu benda melakukan gaya translasi disebut menggeser, jika benda melakukan gerak rotasi maka benda tersebut dikatakan mengguling. Sehingga dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :

1. Syarat benda menggeser adalah ΣF ≠ 0 dan Στ = 0
2. Syarat benda mengguling  adalah ΣF = 0 dan Στ ≥ 0

Syarat benda menggeser dan mengguling adalah ΣF ≠ 0 dan Στ ≠ 0.