Jelaskan mengapa jembatan termasuk salah satu contoh dari benda tegar

Kesetimbangan benda tegar adalah kondisi dimana momentum benda tegar sama dengan nol. Artinya jika awalnya benda tegar tersebut diam, maka ia akan tetap diam. Namun jika awalnya benda tegar tersebut bergerak dengan kecepatan konstan, maka ia akan tetap bergerak dengan kecepatan konstan.

Sedangkan benda tegar sendiri adalah benda yang bentuknya (geometrinya) akan selalu tetap sekalipun dikenakan gaya. Jadi sekalipun dia bergerak translasi atau rotasi bentuknya tidak akan berubah, contohnya meja, kursi, bola, dll.

Perlu diperhatikan bahwa momentum terbagi menjadi dua, yakni momentum linear dan momentum angular. Pertama-tama kita meninjau momentum linear p = 0. Momentum linear dan impuls dihubungkan oleh persamaan

dapat juga ditulis menjadi karena p konstan maka akibatnya sama dengan 0. Sehingga

Kemudian dengan cara yang sama kita meninjau momentum angular L. Momentum angular dan impuls angular dihubungkan oleh persamaan

atau dapat juga ditulis menjadi  . Karena L konstan maka akibatnya sama dengan nol. Sehingga .

Akhirnya dapat disimpulkan bahwa suatu benda/sistem dikatakan setimbang jika ia memenuhi dua syarat berikut:

Jenis-jenis Kesetimbangan Benda Tegar

Secara umum kesetimbangan benda tegar dapat dikelompokkan menjadi dua, yakni kesetimbangan dinamis (benda yang bergerak baik secara translasi/linear ataupun secara angular dan kesetimbangan statis (benda yang betul-betul diam).

Kesetimbangan statis itu sendiri dikelompokkan menjadi 2, yaitu :

1. Kesetimbangan stabil, terjadi apabila suatu benda diberikan gaya maka posisinya akan berubah. Namun bila gaya tersebut dihilangkan maka posisinya akan kembali ke titik semula.
2. Kesetimbangan labil (tidak stabil), terjadi apabila suatu benda diberikan gaya maka posisinya akan berubah. Namun bila gaya tersebut dihilangkan maka posisinya tidak akan kembali ke titik semula.

Contoh kesetimbangan stabil: kelereng di dasar mangkok ½ lingkaran. Ketika kelerang diberi gangguan (gaya) sehingga posisinya menjadi naik, namun ketika gaya tersebut dihilangkan maka posisi kelereng akan kembali ke dasar mangkok.

Sumber gambar: Dwi. S. Palupi, dkk. 2009

Sedangkan contoh kesetimbangan labil: kelereng yang diam di puncak mangkok ½ lingkaran yang terbalik. Ketika kelereng diberi gangguan sedikit, maka ia akan jatuh ke bawah, dan tidak akan kembali ke posisi semula.

Sumber gambar: Dwi. S. Palupi, dkk. 2009

Contoh kesetimbangan netral: kelereng yang ada di atas lantai. Ketika kelereng diberi gangguan, maka posisinya akan bergeser. Namun titik beratnya tidak akan berpindah secara vertikal.

Sumber gambar: Bambang Haryadi 2009

Contoh Soal Kesetimbangan Benda Tegar

Soal Fisika SNMPTN 2009

Sebuah tangga homogen dengan panjang L diam bersandar pada tembok yang licin di atas lantai yang kasar dengan koefisien gesekan statis antara lantai dan tangga adalah µ. Jika tangga membentuk sudut Ө tepat saat akan tergelincir, besar sudut Ө adalah . . .

a.
b.
c.
d.
e.

(Soal Kesetimbangan Benda Tegar, Fisika SNMPTN 2009)

Pembahasan:

Kalimat “tepat saat akan tergelincir” bermakna bahwa tangga masih dalam kondisi setimbang. Sehingga:

…. (1)

akan lebih mudah jika mengambil acuan rotasi adalah titik D (titik kontak antara ujung tangga dan dinding).

Jawaban yang tepat ialah (c)

Kontributor: Alexander Sitompul
Alumni Fisika UI

Materi StudioBelajar.com lainnya:

1. Tata Surya – Pengertian, Susunan, Pembentukan
2. Listrik Statis
3. Gerak Parabola

Hai Quipperian, bagaimana kabarnya? Semoga selalu sehat dan tetap semangat ya!

Siapa di antara Quipperian yang memiliki lampu gantung di rumah? Jika memiliki lampu gantung, cobalah perhatikan tangkai lampu tersebut, terbuat dari apakah tangkainya? Apakah mungkin tangkai lampu gantung terbuat dari karet atau bahkan tali rafia? Jelas tidak mungkin, ya. Jika tangkai lampu terbuat dari tali rafia, besar kemungkinan tali akan putus. Akibatnya, lampu bisa jatuh. Itulah mengapa tangkai lampu gantung umumnya terbuat dari logam yang dibentuk menyerupai rantai. 

Hal itu bertujuan untuk menjaga keseimbangan lampu karena tali penopangnya kuat dan kokoh. Posisi lampu akan tetap seimbang jika tidak dikenai gaya dari luar, misalnya gaya sentuh. Keseimbangan yang dialami lampu gantung tersebut ternyata menggunakan prinsip keseimbangan benda tegar yang ada di Fisika, lho. Ingin tahu selengkapnya tentang keseimbangan benda tegar? Simak pembahasan berikut.

Pengertian Benda Tegar

Benda tegar adalah suatu benda yang bentuknya tidak berubah saat diberi gaya dari luar. Benda dianggap sebagai suatu titik materi yang ukurannya bisa diabaikan. Hal itu berlaku jika benda dimasukkan dalam sistem partikel. Itulah mengapa, semua gaya yang bekerja pada benda tersebut hanya dianggap bekerja pada titik materi yang menyebabkan terjadinya gerak translasi (∑F = 0)

Keseimbangan benda tegar adalah kondisi di mana momentum suatu benda bernilai nol. Artinya, jika awalnya suatu benda diam, benda tersebut akan cenderung untuk diam.

Jika ditinjau dari sistem partikel, syarat keseimbangan yang berlaku pada benda hanya syarat keseimbangan translasi. Hal itu berbeda dengan syarat keseimbangan benda tegar.

Syarat Keseimbangan Benda Tegar

Syarat keseimbangan yang berlaku pada benda tegar adalah syarat keseimbangan translasi dan rotasi. Adapun syarat yang harus dipenuhi adalah sebagai berikut.

Macam-macam Keseimbangan Benda Tegar

Berdasarkan kemampuan benda untuk kembali ke posisi semula, keseimbangan benda tegar dibagi menjadi tiga, yaitu sebagai berikut.

1. Keseimbangan stabil (mantap)

Keseimbangan stabil adalah kemampuan suatu benda untuk kembali ke posisi semula saat benda diberi gangguan. Gangguan tersebut mengakibatkan posisi benda berubah (pusat gravitasi O naik). Untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar berikut.

2. Keseimbangan labil (goyah)

Keseimbangan labil terjadi jika benda tidak bisa kembali ke posisi semula saat gangguan pada benda dihilangkan. Gangguan yang diberikan menyebabkan posisi benda berubah (pusat gravitasi O turun). Untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar berikut.

3. Keseimbangan netral (indeferen)

Keseimbangan netral terjadi jika benda mendapatkan gangguan di mana pusat gravitasi O pada benda tidak naik atau tidak turun. Akan tetapi, benda berada di posisinya yang baru. Perhatikan gambar berikut.

Benda yang berada dalam keseimbangan stabil bisa mengalami gerak menggeser (translasi) atau mengguling (rotasi) saat diberi gaya dari luar. Apa sih syarat benda dikatakan mengalami translasi atau rotasi?

Momen Kopel

Momen kopel adalah pasangan gaya yang besarnya sama, tetapi berlawanan arah. Kopel yang bekerja pada suatu benda akan menyebabkan terbentuknya momen kopel. Secara matematis, momen kopel dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

M = momen kopel (Nm);

F = gaya (N); dan

d = panjang lengan gaya (m).

Oleh karena memiliki besar dan arah, maka momen kopel termasuk dalam besaran vektor. Untuk itu, Quipperian harus memperhatikan kecenderungan benda saat berputar. Cara termudahnya dengan membuat perjanjian tanda seperti berikut.

1. Momen kopel bernilai negatif jika berputar searah putaran jarum jam.
2. Momen kopel bernilai positif jika berlawanan dengan arah putaran jarum jam.

Jika beberapa momen kopel bekerja pada suatu bidang, persamaannya menjadi:

Keseimbangan Tiga Buah Gaya

Saat Quipperian menjumpai ada tiga buah gaya bekerja pada satu titik partikel dalam keadaan seimbang, gunakan SUPER “Solusi Quipper” berikut.

Ilustrasi ketiga gaya ditunjukkan oleh gambar berikut.

Untuk mencari perbandingan gaya-gayanya, gunakan persamaan berikut.

Titik Berat

Pada prinsipnya, sebuah benda terdiri dari banyak partikel di mana setiap partikel memiliki berat. Resultan seluruh berat partikel di dalam benda disebut sebagai berat benda. Berat benda bekerja melalui satu titik tunggal yang disebut titik berat (titik gravitasi). Untuk benda yang ukurannya tidak terlalu besar, titik berat hampir berimpit dengan pusat massanya. Perhatikan ilustrasi berikut.

Adapun koordinat titik beratnya (w) dirumuskan sebagai berikut.

1. Titik berat benda berdimensi satu

Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.

Untuk benda homogen berbentuk garis, titik beratnya bisa dilihat di tabel berikut.

2. Titik berat benda berdimensi dua (luas)

Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.

Untuk benda homogen berbentuk bidang, titik beratnya bisa dilihat di tabel berikut.

3. Titik berat benda berdimensi tiga (volume)

Secara matematis, dirumuskan sebagai berikut.

Untuk benda homogen berbentuk ruang, titik beratnya bisa dilihat di tabel berikut.

Belajar keseimbangan benda tegar belum afdal jika belum mengerjakan latihan soal, ya. Berikut ini contoh-contoh soal terkait keseimbangan benda tegar yang bisa Quipperian pelajari selanjutnya.

Contoh soal 1

Sebuah benda bermassa M berada pada sistem seperti berikut.

Tentukan gaya normal di titik P dan S!

Pembahasan:

Untuk menentukan gaya normalnya, Quipperian harus menganalisis komponen gaya yang bekerja pada sistem.

Dalam kasus ini, analisis komponen gaya yang bekerja di sumbu X saja.

Tetapkan syarat keseimbangannya seperti berikut.

Contoh soal 2

Perhatikan gambar berikut.

Pembahasan:

Mula-mula, perhatikan analisis gaya berikut.

Kemudian, terapkan syarat keseimbangan.

Dengan mensubstitusikan nilai T2 = 250 ke persamaan (*), diperoleh:

Jadi, tegangan pada kedua tali berturut-turut adalah 150 N dan 250 N.

Jika cara di atas dirasa terlalu panjang, Quipperian bisa menggunakan cara SUPER “Solusi Quipper” berikut.

Contoh soal 3

Perhatikan gambar berikut.

Tentukan koordinat titik berat bangun di atas!

Pembahasan:

Jika diuraikan gambar bangunnya, menjadi seperti berikut.

Berdasarkan rumus titik berat, diperoleh:

Jadi, koordinat titik berat bangun tersebut adalah (2,45; 3,47).

Bagaimana Quipperian? Sudah semakin paham dengan materi keseimbangan benda tegar kan? Agar kamu lebih paham, cobalah untuk mengerjakan latihan soal tentang materi tersebut. Jika ingin melihat latihan soal beserta pembahasannya, silahkan gabung bersama Quipper Video. Bersama Quipper Video, belajar jadi lebih mudah dan menyenangkan. Salam Quipper!

Penulis: Eka Viandari