Benda Tegar

Benda Tegar

Benda tegar adalah istilah yang sering digunakan dalam dunia Fisika untuk menyatakan suatu benda yang tidak akan berubah bentuknya setelah diberikan suatu gaya pada benda itu. Pada sebuah benda tegar, setiap titik harus selalu berada pada jarak yang sama dengan titik-titik lainya.

Dinamika Rotasi Benda Tegar

Jika suatu momen gaya bekerja pada sebuah benda yang mempubyai momen inersia I terhadap sumbu putar, maka benda tersebut akan berputar dengan percepatan sudut α, yang nilainya diberikan oleh hubungan t = Iα yang sesuai dengan hubugan F = ma pada gerak translasi. Kemudian jika momen gaya τ tersebut menyebabkan benda berputar dari posisi θ₁ ke θ₂, maka kerja yang dilakukan adalah sebagai berikut:

.......................................................................(6.2.1)

Jika τ dan dθ memiliki arah yang sama, maka persamaan (6.2.1) dapat ditulis sebagai berikut.

..........................................................................(6.2.2)

Oleh karena kerja itu dilakukan pada benda, maka terjadi perubahan energi kinetik pada benda sebagai berikut.

ΔEk = Ek₁ – Ek₂ = ½ Iω₁² - ½ Iω₂² ....................................(6.2.3)

Untuk lebih memperjelas pemahaman kita terhadap persamaan-persamaan di atas, perhatikan Gambar 6.2.1. Gambar tersebut melukiskan seutas tali ringan diikatkan pada pinggir piringan denagn massa M dan tali dihubungkan dengan sebuah benda massa m. Mula-mula sistem dalam keadaan diam (berhenti). Dalam kasus ini, maka pada benda massa m berlaku hukum II Newton.

mg – T = ma ........................................................................... (6.2.4)

Dan pada piringan berlaku persamaan

τ - TR = Iα ................................................................................ (6.2.5)

dengan I menyatakan momen inersia piringan yang bernilai I = ½ MR² sehingga persamaan (6.2.5) menjadi

T = ½ MRα ...............................................................................(6.2.6)

Gambar 6.2.1

Ingat bahwa, percepatan gerak benda sama dengan percepatan tangensial pada pinggir piringan, sehingga:

a =αR .................................................................................... (6.2.7)

Dengan mensubsidi persamaan (6.2.7) ke persamaan (6.2.6), maka diperoleh hubungan

T = ½ Ma .................................................................................(6.2.8)

Substitusi persamaan (6.2.8) ke persamaan (6.2.4), diperoleh percepatan beban sebagai berikut:

a = [2m/(2m+M)] g ................................................................(6.2.9)

Dan dengan mensubstitusi persamaan (6.2.9) ke persamaan (6.2.8), diperoleh tegangan tali sebagai berikut.

T = [mM/(2m+M)]g ...............................................................(6.2.10)

Sekarang kita tinjau gerakan yang dilakukan dari A ke B. Misalkan ketika t benda berada di A dengan posisi θ₁= 0 dan ketika t^’ benda berkedudukan di B dengan posisi θ_{2 =} θ, dan oleh karena momen gaya τ bersifat tetap, maka kerja yang dilakukan dari A ke B memenuhi persamaan

=τθ = TR θ ..................................................(6.2.11)

dengan θ memenuhi persamaan :

θ=ω_ot + ½ at² ......................................................................(6.2.12)

dan energi sistem di A memenuhi persamaan :

E_A = mgh₁ ..........................................................................(6.2.13)

Dan energi total di B memenuhi persamaan :

E_B = ½ Iω₂² + ½ mv₂² + mgh₂ ......................................(6.2.14)

oleh karena energi sistem bersifat kekal, maka persamaan (6.2.13) sama dengan persamaan (6.2.14). Oleh sebab itu, maka diperoleh persamaan berikut

mg(h₁- h₂) = Ek_rotasi + Ek_translasi ................................(6.2.15)

yang menyatakan bahwa jumlah energi kinetik rotasi dan energi kinetik translasi sistem asama dengan erubahan energi potensial sistem tersebut.

Kesetimbangan Benda Tegar

Telah dikatakan sebelumnya bahwa suatu benda tegar dapat mengalami gerak translasi (gerak lurus) dan gerak rotasi. Benda tegar akan melakukan gerak translasi apabila gaya yang diberikan pada benda tepat mengenai suatu titik yang yang disebut titik berat.

Benda akan seimbang jika pas diletakkan di titik beratnya

Titik berat merupakan titik dimana benda akan berada dalam keseimbangan rotasi (tidak mengalami rotasi). Pada saat benda tegar mengalami gerak translasi dan rotasi sekaligus, maka pada saat itu titik berat akan bertindak sebagai sumbu rotasi dan lintasan gerak dari titik berat ini menggambarkan lintasan gerak translasinya.

Mari kita tinjau suatu benda tegar, misalnya tongkat pemukul kasti, kemudian kita lempar sambil sedikit berputar. Kalau kita perhatikan secara aeksama, gerakan tongkat pemukul tadi dapat kita gambarkan seperti membentuk suatu lintasan dari gerak translasi yang sedang dijalani dimana pada kasus ini lintasannya berbentuk parabola. Tongkat ini memang berputar pada porosnya, yaitu tepat di titik beratnya. Dan, secara keseluruhan benda bergerak dalam lintasan parabola. Lintasan ini merupakan lintasan dari posisi titik berat benda tersebut.

Demikian halnya seorang peloncat indah yang sedang terjun ke kolam renang. Dia melakukan gerak berputar saat terjun. sebagaimana tongkat pada contoh di atas, peloncat indah itu juga menjalani gerak parabola yang bisa dilihat dari lintasan titik beratnya. Perhatikan gambar berikut ini.

seorang yang meloncat ke air dengan berputar

Jadi, lintasan gerak translasi dari benda tegar dapat ditinjau sebagai lintasan dari letak titik berat benda tersebut. Dari peristiwa ini tampak bahwa peranan titik berat begitu penting dalam menggambarkan gerak benda tegar.

Cara untuk mengetahui letak titik berat suatu benda tegar akan menjadi mudah untuk benda-benda yang memiliki simetri tertentu, misalnya segitiga, kubus, balok, bujur sangkar, bola dan lain-lain. Yaitu d sama dengan letak sumbu simetrinya. Hal ini jelas terlihat pada contoh diatas bahwa letak titik berat sama dengan sumbu rotasi yang tidak lain adalah sumbu simetrinya.

Titik Berat

Titik Berat ialah Benda tegar akan melakukan gerak translasi apabila gaya yang diberikan pada benda tepat mengenai suatu titik.

Hal-hal Istimewa Pada Titik Berat

a. Titik berat benda homogen satu dimensi (garis)

Untuk benda-benda berbentuk memanjang seperti kawat , massa benda dianggap diwakili oleh panjangnya (satu dimensi) dan titik beratnya dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

l1 = panjang garis 1 l2 = panjang garis 2

b. Titik berat benda-benda homogen berbentuk luasan (dua dimensi)

Jika tebal diabaikan maka benda dapat dianggap berbentuk luasan (dua dimensi), dan titik berat gabungan benda homogen berbentuk luasan dapat ditentukan dengan persamaan berikut:

A1 = Luas Bidang 1 A2 = Luas bidang 2 x1 = absis titik berat benda 1 x2 = absis titik berat benda 2 y1 = ordinat titik berat benda 1 y2 = ordinat titik berat benda 2