Materi fisika kelas 11: Dinamika rotasi dan kesetimbangan benda tegar

Momen Gaya atau Torsi

Tujuan pembelajaran
1) Agar siswa mengetahui apa itu momen gaya atau torsi
2) Agar siswa dapat mengetahui penerapan momen gaya atau torsi
Momen gaya atau torsi dapat didefinisikan dengan beberapa pengertian:

Torsi adalah gaya pada sumbu putar yang dapat menyebabkan benda bergerak melingkar atau berputar.
Torsi disebut juga momen gaya.
Momen gaya/torsi benilai positif untuk gaya yang menyebabkan benda bergerak melingkar atau berputar searah dengan putaran jam (clockwise), dan jika benda berotasi dengan arah berlawanan putaran jam (counterclockwise), maka torsi penyebabnya bernilai negatif.
Setiap gaya yang arahnya tidak berpusat pada sumbu putar benda atau titik massa benda dapat dikatakan memberikan Torsi pada benda tersebut.

Torsi atau momen gaya dirumuskan dengan:

$\tau = r \times F$

dimana:
$\tau$ adalah torsi atau momen gaya (Nm)
r adalah lengan gaya (m)
F adalah gaya yang diberikan tegak lurus dengan lengan gaya (N)

Jika gaya yang bekerja pada lengan gaya tidak tegak lurus, maka besar torsinya adalah:

$\tau = r \times F \times \sin \theta$

dimana $\theta$ adalah sudut antara gaya dengan lengan gaya.

Momen Inersia

Konsep momen inersia pertama kali diberikan oleh Leonhard Euler. Momen inersia didefinisikan sebagai kelembaman suatu benda untuk berputar pada porosnya, atau dapat dikatakan ukuran kesukaran untuk membuat benda berputar atau bergerak melingkar. Besar momen inersia bergantung pada bentuk benda dan posisi sumbu putar benda tersebut.

Momen inersia dirumuskan dengan:

$I = mr^2$

dimana:
I adalah momen inersia (kgm2)
r adalah jari-jari (m)
m adalah massa benda atau partikel (kg)

Benda yang terdiri atas susunan partikel atau benda-benda penyusunnya yang lebih kecil, jika melakukan gerak rotasi, maka momen inersianya sama dengan hasil jumlah semua momem inersia penyusunnya:

$I = \Sigma m_i \times r_i^2$

$I = (mr_1^2) + (mr_2^2) + (mr_3^2) + \cdots$

Momentum Sudut

Momentum sudut adalah ukuran kesukaran benda untuk mengubah arah gerak benda yang sedang berputar atau bergerak melingkar.

Momentum sudut dirumuskan dengan:

$L = I \omega$

$L = mvr$

dimana:
L adalah momentum sudut (kgm2s-1)
I adalah momen inersia benda (kgm2)
$\omega$ adalah kecepatan sudut benda (rad/s)
m adalah massa benda (kg)
v adalah kecepatan linear (m/s)
r adalah jarak benda ke sumbu putarnya (m)

Energi Kinetik Rotasi

Energi kinetik rotasi adalah energi kinetik yang dimiliki oleh benda yang bergerak rotasi yang dirumuskan dengan:

$Ek_r = \frac{1}{2} I \omega^2$

Jika benda tersebut bergerak secara rotasi dan juga tranlasi, maka energi kinetiktotalnya adalah gabungan dari energi kinetik translasi rotasi dan energi kinetik rotasi:

$Ek_t = Ek + Ek_r$

$Ek_t = \frac{1}{2} mv^2 + \frac{1}{2} I \omega^2$

dimana:
Ekt adalah Energi kinetik total benda
Ek adalah energi kinetik translasi
Ekr adalah energi kinetik rotasi
m adalah massa benda (kg)
v adalah kecepatan linear (m/s)
I adalah momen inersia benda (kgm2)
$\omega$ adalah kecepatan sudut benda (rad/s)

Hukum Newton 2 Untuk Rotasi

Benda yang bergerak secara translasi menggunakan hukum newton II ( $\Sigma F = ma$ ) dan benda yang bergerak secara rotasi juga memakai konsep hukum Newton yang sama, akan tetapi besarannya memakai besaran-besaran rotasi. Sehingga, Hukum Newton II untuk benda yang bergerak secara rotasi atau bergerak melingkar memakai rumus:

$\tau = I \alpha$

dimana:
$\tau$ adalah total torsi yang bekerja pada benda
I adalah momen inersia benda
$\alpha$ adalah percepatan sudut benda

Dibawah ini adalah tabel yang menganalogikan antara gerak translasi dan gerak rotasi

Besaran-besaran Pada Gerak Translasi			Besaran-besaran pada Gerak Rotasi
Besaran	Rumus	Satuan	Besaran	Rumus	Satuan
Jarak tempuh	s	m	Jarak tempuh sudut	q = s/r	rad
Kecepatan	V = s/t	m/s	Kecepatan sudut	$\omega = V/r$	rad/s
Percepatan	a = V/t	m/s2	Percepatan sudut	$\alpha = a/r$	rad/s2
Massa	m	kg	Momen inersia	I = mr2	kg . m2
Gaya	F = ma	N	Momen gaya/torsi	$\tau = rF$	Nm
Momentum	p = mv	kg . m/s	Momentum sudut	$L = I \omega$	kg . m2/s
Energi kinetik	$Ek = \frac{1}{2} mv^2$	Nm (Joule)	Energi kinetik rotasi	$Ek = \frac{1}{2} I \omega^2$	Nm (Joule)

Dibawah ini adalah tabel yang menyimpulkan hubungan antara gerak translasi dan gerak rotasi

Konsep	Gerak Translasi	Hubungan	Gerak Rotasi
Penyebab akselerasi	$\Sigma F$	$\tau = r \times F$	$\Sigma \tau$
Kesukaran untuk berakselerasi	m	$I = \Sigma m_i \times r_i^2$	I
Hukum newton 2	$\Sigma F = ma$		$\Sigma \tau = I \alpha$

Contoh Soal Dinamika Rotasi/Momen Gaya

Pada gambar diatas, sebuah katrol silinder pejal ( $Ek = \frac{1}{2}m r^2$ ) dengan massa 3kg dan berjari-jari 20 cm dihubungkan dengan dua buah tali yang masing-masing memiliki terpaut pada benda bermassa dimana m1 = 6kg dan m2 = 3kg. Sistem diatas berada dalam kondisi tertahan diam dan kemudian dilepaskan. Jika tidak terjadi gesekan pada lantai dengan, berapakah percepatan kedua benda tersebut?

Pembahasan:

Katrol:

$\Sigma \tau = I \alpha$

$(T_2 - T_1)r = \frac{1}{2}mr^2 \frac{a}{r}$

$T_2 - T_1 = \frac{1}{2}ma$

$T_2 - T_1 = \frac{1}{2}(3)a$

$T_2 - T_1 = 1,5a$

Sistem m2:

$\Sigma F = ma$

$W_2 - T_2 = m_2 a$

$30 - T_2 = 3a$

$T_2 = 30 - 3a$

Sistem m1:

$\Sigma F = ma$

$T_1 = m_1 a$

$T_1 = 6a$

Dengan mensubstitusi ketiga persamaan diatas, kita dapat mengetahui besar:

$T_2 - T_1 = 1,5a$

30 – 3a – 6a = 1,5a

30 – 9a = 1,5a

30 = 10,5a

a = 2,86m/s2

Jika dalam sebuah benda bekerja gaya lebih dari satu maka: resultan momen gaya adalah penjumlahn dari masing masing momen gaya yang ada.

SOAL:

1. Pada batang AB yang panjangnya 5 meter bekerja gaya 50 N dan 15 N seperti gambar berikut!

Hitung momen gaya total terhadap titik A

2. Dari gambar soal no 1 diatas hitung momen gaya total terhadap titik B.

3. Dua buah gaya F1= 10 N dan F2=15 N bekerja pada batang AC seperti gambar berikut. Hitunglah resultan maing masing momen gaya terhadap titik A, B dan C.

4. Empat buah gaya bekerja pada batang AD seperti gambar berikut. Hitunglah resultan maing masing momen gaya terhadap titik A, B , C dan D.

b. Momen Kopel (M)

Kopel adalah pasangan dua buah gayayang sejajar, sama besar, danberlawanan arah. Kopel yang bekerjapada suatu benda akan mengakibatkanbenda tersebut berotasi.

Momen kopel (M) adalah perkalian silang antaradua besaran vektor, yaitu gaya dan jarak antarakedua gaya tersebut. Secara matematis, dituliskansebagai berikut

dua gaya sejajar berlawanan arah

c. Titik Tangkap Resultan Gaya

Resultan momen gaya dapat digunakan untuk menentukan resultan titik tangkap gaya. Artinya dari beberapa momen gaya yang bekerja pada sebuah benda dapat digantikan menjadi sebuah gaya yang letak titiknya tertentu dari sumbu putar.

Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar berikut. Batang AC menerima tiga gaya dan jaraknya terhadap titik B masing masing seperti gambar berikut. Ketiga gaya dapat diganti menjadi sebuh gaya FR yang letaknya X dari sumbu di B


x adalah titik tangkap resultan gaya dari titi B

Pembahasan ini digunakan untuk menentukan titik berat pada sub bab berikutnya.

Soal.

1.Dari gambar di atas tentukan resultan dan letak titik tangkap gaya resultannya terhadap titik O.

2.Batang AB tetntukan resultan dan letak titik tangkap terhadap titik A.

Soal latihan
1. Berapakah usaha yang dilakukan oleh momen gaya ketika gaya 30 N menyebabkan berjari jari 20 cm berputar sebanyak 60 putaran?
2. Sebuah mesin memutar yang memilikivmomen inersia sebanyak 20 kg m² dari kecepatan sudut 10 rad/s menjadi 20 rad/s . Hitunglah usaha yang dilakukan mesin tersebut.
3. Sebuah roda bermassa 6 kg dengan berjari jari 30 cm berputar dengan kecepatan 300 putaran/menit. Tentukan momen inersia dan energi kinetiknya.
4. Sebuah slinder pejal bermassa 15 kg menggelinding tanpa tergelincir ( slip) dengan kecepatan tetap sebesar 5 m/s. Hitung energi kinetik total slinder tersebut.
5. Sebuah slinder pejal bermassa 5 kg dan berjari jari 10 cm bergerak dengan kecepatan 30 m/s sambil berputar. Tentukan slinder tersebut.
Tugas proyek fisika
Semester ganjil
Guru fisika Indri Dayana M. Si

Materi fisika kelas 11

Selasa, 11 Desember 2018

Dinamika rotasi dan kesetimbangan benda tegar

Momen Gaya atau Torsi

Momen Inersia

Momentum Sudut

Energi Kinetik Rotasi

Hukum Newton 2 Untuk Rotasi

Contoh Soal Dinamika Rotasi/Momen Gaya

Tidak ada komentar:

Posting Komentar

Suhu dan kalor

Social Media Icons 2

Recent Posts