Pernahkah Anda mendengar atau membaca mengenai dinamika rotasi? Mungkin beberapa dari Anda kurang begitu terbiasa mendengar kata dinamika rotasi. Bagaimana jika rotasi? Anda pasti akan menghubungkan kata rotasi dengan pergerakan rotasi bumi. Lalu apa hubungan rotasi dan kesetimbangan benda tegar? Pada tulisan ini Anda akan belajar mengenai dinamika rotasi dan hubungannya dengan kesetimbangan benda tegak.
Dinamika Rotasi
Gerakan suatu benda yang berputar pada porosnya disebut rotasi. Oleh karena itu dinamika rotasi kelas 11 adalah ilmu yang mempelajari mengenai pergerakan rotasi tersebut. Dinamika rotasi ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti massa, gaya, percepatan, kecepatan, torsi, dan lain-lain. Dinamika rotasi merupakan penerapan dari konsep Hukum II Newton, yaitu:
ΣF = m.a
Namun, karena benda yang berotasi pada porosnya dipengaruhi oleh torsi, maka rumus dinamika gerak berubah menjadi:
Στ = I.α
Dimana:
- ΣF: Resultan gaya (N)
- m: Massa/ukuran kelembaman (kg)
- a: Percepatan (m/s²)
- Στ: Momen torsi (Nm)
- I: Momen inersia (kg.m²)
- α: Percepatan sudut (rad/s)
Rumus gerak rotasi dipengaruhi oleh momen gaya atau torsi. Selain momen gaya, dalam dinamika rotasi juga menggunakan momen inersia, yang menjadi faktor penting dalam rumus perputaran rotasi. Berikut penjelasan mengenai momen gaya dan momen inersia beserta rumusnya.
Momen Gaya
Momen gaya atau torsi adalah suatu kecenderungan suatu gaya untuk memutar benda tegar terhadap titik poros tertentu. Dalam istilah sederhana, torsi merupakan besaran yang dapat memutarkan benda. Lambang dari torsi adalah τ (tau).
Gaya torsi sebenarnya sudah ditemukan sejak penemuan konsep tuas oleh Archimedes, namun yang pertama kali memperkenalkannya adalah seorang teknisi bernama J. Thomson. Contoh gaya torsi dalam kehidupan adalah ketika kita menggunakan kunci untuk membuka baut, gaya yang diberikan oleh tangan menghasilkan torsi pada baut yang berfungsi sebagai poros rotasi. Untuk membuka baut, kita harus menerapkan gaya yang bekerja pada lengan kunci, yang berfungsi sebagai lengan gaya.
Adapun rumus torsi adalah sebagai berikut:
τ = F.r
Dimana:
- τ: Momen torsi (Nm)
- F: Gaya (N)
- r: Jarak gaya terhadap poros (m)
Tak hanya itu, gaya torsi juga memiliki arah. Jika arahnya berlawanan dengan jarum jam, maka nilai torsi bernilai positif. Sebaliknya, jika arahnya searah jarum jam, maka nilai torsi bernilai negatif. Torsi bekerja paling maksimal ketika gaya yang diberikan tegak lurus dengan lengan gaya (90 derajat). Namun, jika gaya yang diberikan tidak tegak lurus, maka rumus sigma torsi menjadi:
τ = 
Dimana:
- τ: Momen torsi (Nm)
- F: Gaya (N)
- r: Jarak gaya terhadap poros (m)
- θ: Sudut antara r dan F (rad/s)
Momen Inersia
Momen inersia adalah ukuran kelembaman suatu benda untuk berputar pada porosnya. Semakin besar momen inersia, semakin sulit benda tersebut untuk mengubah keadaan putarannya (baik dari diam menjadi bergerak atau sebaliknya).
Secara matematis, momen inersia dapat dihitung dengan rumus berikut:
Dimana:
- I: Momen inersia (kg.m²)
- m: Massa benda (kg)
- R: Jari-jari (m)
Momen inersia juga berbeda untuk benda tegar. Untuk benda tegar yang lebih kompleks, rumus momen inersianya akan disesuaikan dengan bentuk dan distribusi massa benda tersebut.
Contoh Dinamika Rotasi dalam Kehidupan Sehari-Hari
Contoh dinamika rotasi dapat kita temukan di banyak aspek kehidupan sehari-hari. Misalnya, pada penggunaan kunci dan baut. Ketika membuka baut, torsi bekerja pada baut sebagai sumbu rotasi, dan gaya yang diberikan pada lengan kunci menghasilkan perputaran yang membuka baut tersebut.
Selain itu, contoh lainnya dapat ditemukan pada gerakan bola yang berputar di atas porosnya, seperti bola sepak yang diputar oleh pemain. Dalam hal ini, bola mengalami gerak rotasi yang dipengaruhi oleh torsi, yang kemudian menghasilkan kecepatan sudut dan energi kinetik rotasi.
Pelajari juga definisi dan rumus dari momentum dan impuls dalam fisika!
Syarat Agar Benda Tetap Bergerak dalam Keadaan Seimbang
Dalam beberapa kasus, benda bisa tetap bergerak namun tetap dalam keadaan seimbang. Ini biasanya berlaku untuk benda yang bergerak dengan kecepatan konstan, baik dalam gerakan translasi maupun rotasi. Syarat agar benda tetap bergerak dalam keadaan seimbang adalah bahwa resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut harus tetap nol.
Dengan kata lain, meskipun benda bergerak, percepatan linier atau percepatan sudutnya harus nol, yang berarti gaya-gaya yang bekerja pada benda saling meniadakan. Contoh benda yang bergerak dalam keadaan seimbang adalah satelit yang mengorbit bumi dengan kecepatan konstan. Meskipun terus bergerak, satelit tersebut tetap berada dalam keadaan seimbang karena gaya gravitasi yang menariknya ke bawah diimbangi oleh kecepatan orbitnya.
Kesetimbangan Benda Tegar
Kesetimbangan adalah kondisi ketika suatu benda dianggap sebagai benda titik dan memiliki ΣF = 0, yang artinya benda tersebut setimbang. Pada rumus kesetimbangan fisika, terdapat dua kondisi yang harus dipenuhi: ΣF = 0 (kesetimbangan translasi) dan Στ = 0 (kesetimbangan rotasi).
Rumus keseimbangan benda tegar ini erat kaitannya dengan Hukum I Newton, yang menyatakan bahwa benda dalam keadaan diam atau bergerak lurus beraturan, apabila tidak ada gaya eksternal yang bekerja padanya.
Contoh penerapan konsep kesetimbangan ini dapat dilihat pada seorang pemain akrobat yang tengah berdiri di atas tali dengan membawa tongkat panjang. Gaya berat tongkat pada setiap sisi sama besar, yang menimbulkan momen gaya pada sumbu putar (tubuh pemain) dengan arah berlawanan. Kondisi ini menyebabkan pemain tersebut mudah menjaga keseimbangan saat berjalan di atas tali.
Kenali juga rumus dan rangkaian arus listrik searah serta contohnya!
Jenis Jenis Keseimbangan
Dalam fisika, keseimbangan dapat dibedakan menjadi tiga jenis utama, kami akan sebutkan jenis-jenis keseimbangan membahasnya satu per satu agar lebih jelas.
1. Keseimbangan Stabil
Keseimbangan stabil adalah kondisi di mana suatu benda akan kembali ke posisi semula setelah diberikan gangguan kecil. Artinya, benda tersebut cenderung mempertahankan posisinya dan kembali ke keadaan awal ketika ada gangguan eksternal. Konsep ini erat kaitannya dengan posisi pusat gravitasi benda. Pada benda yang berada dalam keseimbangan stabil, pusat gravitasinya cenderung berada di posisi yang lebih rendah. Hal ini menyebabkan benda lebih "stabil" dan memiliki kecenderungan untuk kembali ke posisi awal ketika digerakkan sedikit.
Contoh sederhana yakni bola di dasar cekungan, bayangkan sebuah bola yang diletakkan di dasar sebuah cekungan atau mangkuk. Ketika bola tersebut digerakkan atau diberikan dorongan kecil, ia akan berguling ke tepi cekungan. Namun, setelah gaya gangguan dihilangkan, bola akan kembali ke posisi semula di dasar cekungan karena gaya gravitasi menariknya kembali ke titik pusat yang lebih rendah. Bola dalam cekungan ini adalah contoh sempurna dari keseimbangan stabil, karena benda kembali ke posisi awal setelah terganggu.
Contoh keseimbangan stabil lainnya dapat ditemukan pada kendaraan seperti mobil. Mobil dirancang dengan pusat gravitasi yang relatif rendah agar tetap stabil saat berbelok tajam pada kecepatan tinggi. Jika pusat gravitasi terlalu tinggi, mobil akan lebih mudah terbalik saat berbelok, namun dengan pusat gravitasi rendah, keseimbangan stabil dapat dipertahankan.
2. Keseimbangan Labil
Keseimbangan labil adalah kebalikan dari keseimbangan stabil. Dalam kondisi ini, jika sebuah benda diberikan gangguan kecil, benda tersebut tidak akan kembali ke posisi semula. Sebaliknya, benda akan bergerak semakin jauh dari posisi asalnya dan menjadi semakin tidak stabil. Hal ini disebabkan oleh posisi pusat gravitasi benda yang berada di posisi lebih tinggi. Ketika pusat gravitasi lebih tinggi, sedikit saja gangguan bisa menyebabkan benda terbalik atau bergerak jauh dari titik keseimbangannya.
Contoh keseimbangan labil adalah pensil yang berdiri di ujungnya, salah satu contoh klasik dari keseimbangan labil adalah pensil yang berdiri di ujungnya. Ketika sedikit saja diberi dorongan atau gangguan, pensil tersebut akan jatuh dan tidak kembali ke posisi tegaknya. Hal ini disebabkan oleh posisi pusat gravitasi yang tinggi, yang membuat pensil tidak stabil ketika terganggu. Setelah gangguan diberikan, gravitasi menarik benda tersebut lebih jauh dari posisi semula, sehingga tidak ada kecenderungan bagi pensil untuk kembali ke keadaan awalnya.
Ciri-Ciri Keseimbangan Labil
Keseimbangan labil dicirikan oleh benda yang mudah terbalik atau berubah posisi saat terkena sedikit gangguan. Ini terjadi karena pusat gravitasi yang tinggi, yang membuat benda lebih mudah kehilangan keseimbangannya. Benda dalam keseimbangan labil tidak memiliki kemampuan untuk kembali ke posisi awal setelah terganggu. Sebaliknya, benda tersebut akan bergerak semakin jauh dari posisi keseimbangannya.
3. Keseimbangan Netral
Keseimbangan netral terjadi ketika sebuah benda, setelah diberikan gangguan kecil, tidak kembali ke posisi semula tetapi juga tidak semakin menjauh dari posisi asalnya. Benda hanya berpindah ke posisi baru tanpa ada kecenderungan untuk kembali atau bergerak lebih jauh. Dalam kondisi ini, pusat gravitasi benda tidak berubah signifikan, sehingga posisi baru yang dicapai setelah gangguan juga merupakan posisi yang seimbang.
Contoh sederhanannya adalah bola di atas permukaan datar, sebuah contoh sederhana dari keseimbangan netral adalah bola yang berada di atas permukaan datar. Ketika bola digerakkan sedikit, ia tidak akan kembali ke posisi semula, tetapi juga tidak semakin bergerak jauh tanpa adanya gaya tambahan. Bola hanya akan berhenti di posisi baru tanpa perubahan pada kondisi keseimbangannya. Pusat gravitasi bola tetap berada di titik yang sama relatif terhadap permukaan, sehingga benda tidak memiliki kecenderungan untuk kembali atau menjauh.
Ciri-Ciri Keseimbangan Netral
Ciri utama keseimbangan netral adalah bahwa benda tidak mengalami perubahan keseimbangan yang signifikan setelah diberi gangguan kecil. Benda hanya berpindah ke posisi baru dan tetap berada dalam keadaan seimbang di tempat yang baru. Dalam keseimbangan netral, posisi pusat gravitasi benda tidak berubah, yang membuat benda tetap berada dalam kondisi seimbang meskipun telah bergeser.
PErdalam pengetahuan fisika Anda dengan memahami hukum Termodinamika.
Contoh Soal Dinamika Rotasi dan Kesetimbangan Benda Tegar
Agar semakin paham berikut kami sajikan beberapa contoh soal terkait dinamika rotasi dan kesetimbangan benda tegar beserta pembahasannya:
Contoh Soal 1:
Pada katrol berupa silinder pejal dililitkan tali dan ditarik dengan gaya sebesar 40 N. Massa katrol tersebut adalah 2 kg dengan jari-jari 0,5 m. Akibat gaya tersebut, berapa percepatan sudut dan percepatan tangensial yang dialami oleh katrol?
Pembahasan:
Inersia untuk silinder pejal dapat dihitung dengan rumus:
I = 
Diketahui:
- Massa
- Jari-jari
- Gaya
Maka, momen inersia untuk katrol adalah:
I = 
Untuk menghitung percepatan sudut, kita gunakan rumus torsi:
τ = 
Dengan menggunakan rumus dinamika rotasi:
τ = 
α
Maka percepatan sudut αα adalah:
α = 
Untuk menghitung percepatan tangensial, kita gunakan rumus:
a = α 
Jawaban:
- Percepatan sudut α =
- Percepatan tangensial
Contoh Soal 2:
Sebuah bola pejal memiliki massa sebesar 10 kg dengan jari-jari 1 m. Bola tersebut berputar pada porosnya dengan kecepatan sudut sebesar π rad/s. Tentukan energi kinetik dari bola pejal tersebut!
Pembahasan:
Momen inersia untuk bola pejal dapat dihitung dengan rumus massa jenis bola:
Diketahui:
- Massa
- Jari-jari
Maka, momen inersia untuk bola pejal adalah:
Untuk menghitung energi kinetik rotasi, kita gunakan rumus:
Dengan kecepatan sudut ω=π rad/sω = π \, \text{rad/s}, maka:
Jawaban:
Energi kinetik 
Contoh Soal 3:
Seorang pemain akrobat yang berjalan di atas tali membawa tongkat panjang dengan panjang 3 m dan massa 1 kg. Tentukan momen gaya yang terjadi pada titik tengah tongkat jika gaya beratnya adalah 9,8 N.
Pembahasan:
Momen gaya dapat dihitung dengan rumus torsi:
τ = 
Diketahui:
- Gaya berat
- Jarak gaya terhadap titik tumpu
(karena tongkat panjangnya 3 m, maka titik tengahnya adalah 1,5 m)
Maka, momen gaya yang terjadi adalah:
τ = 
Jawaban:
Momen gaya τ = 
Tambah wawasan Anda dengan mengerti arti momen gaya dan juga rumusnya!
Apakah Anda sudah mendapat gambaran mengenai materi dinamika rotasi dan keseimbangan benda tegar? Ataukah Anda masih merasa kesulitan dalam memahami materi ini? Jika Anda kesulitan dalam memahami konsep-konsep fisika, seperti dinamika rotasi fisika kelas 11 atau topik lainnya, pertimbangkan untuk mencari les privat di Superprof. Dengan bimbingan dari tutor berpengalaman, Anda dapat belajar dengan lebih efektif dan mendapatkan pemahaman yang lebih mendalam. Temukan tutor fisika terbaik yang siap membantu Anda memahami materi dengan cara yang lebih personal dan interaktif. Jangan ragu untuk mulai perjalanan belajar Anda bersama Superprof sekarang!
Apa Anda menyukai artikel ini? Berikan penilaian Anda
Loading...
ini artikel terkeren yang saya pernah datangi, membahas tentang dunia sangat infromatif…recommended banget untuk kalian.. terima kasih admin.. sukses selalu
sama2, terima kasih atas apresiasinya