Perbedaan gaya gesekan kinetik dan gaya gesekan statik

Peran gaya gesek sangat dirasakan oleh para pendaki
agar dapat tetap berpijak dengan kuat.

Gaya gesekan dibedakan menjadi dua jenis, yaitu gaya gesekan kinetik dan gaya gesekan statik. 

a. Gaya Gesekan Kinetik (f_k )

Ketika sebuah benda bergerak sepanjang permukaan yang kasar, gaya gesekan kinetik bekerja dengan berlawanan arah terhadap kecepatan benda. Besar gaya gesek kinetik bergantung pada jenis kedua permukaan yang bersentuhan. Besar gaya gesekan kinetik dapat ditulis dengan persamaan berikut ini.

f_k  = µ_k N

Keterangan:

f_k =gaya gesekan kinetik (N)

µ_k = koefisien gesekan kinetik

N = gaya normal (N)

Rumus tersebut bukan merupakan hukum yang mendasar, melainkan merupakan hubungan eksperimental besar gaya gesekan (f_k ) yang sejajar dengan kedua permukaan. Besar gaya normal ( N ) bekerja tegak lurus terhadap permukaan. Rumus di atas bukan merupakan persamaan vektor karena kedua gaya tegak lurus satu dengan yang lain. Nilai µ_k bergantung pada jenis kedua permukaan. Nilai-nilai µ_k untuk berbagai permukaan diberikan pada tabel di bawah. Nilai-nilai ini hanya merupakan perkiraan karena koefisien gesekan kinetik (µ_k) masih bergantung pada keadaan permukaan tersebut basah atau kering, sudah digosok (diampelas) atau belum. Akan tetapi, µ_k secara kasar tidak bergantung pada laju peluncur.

Tabel Koefisien Gesek

Permukaan	µs	µk
Kayu pada kayu	0,4	0,2
Es pada es	0,1	0,03
Logam pada logam (dilumasi)	0,15	0,07
Baja dan baja (tidak dilumasi)	0,7	0,8
Karet pada beton kering	0,1	0,8
Karet pada beton basah	0,1	0,5
Karet pada permukaan padat lainnya	1 - 4	1
Teflon pada teflon di udara	0,04	0,04
Teflon pada baja di udara	0,04	0,04
Bantalan peluru yang dilumasi	< 0,01	< 0,01
Persendian tungkai (lengan manusia)	0,01	0,01

Catatan: nilai-nilai ini merupakan pembulatan dan hanya sebagai petunjuk

b. Gaya Gesekan Statik (f_s)

gaya gesekan statik mengacu kepada gaya yang sejajar dengan kedua permukaan dan tetap ada walaupun permukaan-permukaan tersebut tidak meluncur satu sama lain. Misalkan sebuah benda berada dalam keadaan diam di lantai horizontal. Jika tidak ada gaya yang diberikan pada benda maka tidak ada gaya gesekan. Walaupun telah diberi gaya kadang-kadang benda tidak bergerak. Hal itu terjadi karena ada gaya lain pada benda yang menahannya tidak bergerak (gaya total pada benda yang yidak bergerak adalah nol). Inilah gaya gesekan statik yang diberikan oleh lantai pada benda. Jika anda mendorong dengan gaya yang lebih besar dan benda belum dapat bergerak, gaya gesekan statik juga bertambah. Jika anda mendorong cukup kuat dan akhirnya benda akan mulai bergerak, gesekan kinetik mengambil alih. Pada saat ini, gaya yang telah diberikan telah melampaui gaya gesean statik maksimum. Karena gaya gesekan statik dapat bernilai nol sampai maksimum, persamaannya adalah

f_s  ≤ µ_sN

Keterangan:

f_s = gaya gesekan statik (N)

µ_s = koefisien gesekan statik

Pada saat f_s  = µ_sN, dikatakan bahwa f_s  bernilai maksimum. Anda mungkin telah memperhatikan bahwa lebih mudah untuk menjaga agar sebuah benda yang berat tetap bergerak daripada membuatnya mulai bergerak. Hal ini sesuai dengan kenyataan bahwa µ_s selalu lebih besar dari pada µ_s.

Meskipun gaya gesekan ada yang bersifat merugikan, tetapi tanpa adanya gaya gesekan, makhluk hidup akan kerepotan. Seseorang tidak akan dapat berjalan tanpa adanya gaya gesekan. Mobil yang sedang melaju tidak akan dapat berhenti tanpa ada gaya gesekan. Ketika anda berjalan di atas lantai yang berminyak sehingga sangat licin. Hal itu akan membuat anda jatuh dan kesulitan saat berdiri.

Dalam hal lain, orang berusaha meredakan gaya gesekan. Banyak sekali peralatan, komponen-komponen peralatan, atau permesinan dibuat selicin mungkin. As roda diberi bantalan bola (laker) dan masih diberi pelumas. Hal itu bertujuan untuk memperkecil bahkan meniadakan gesekan. Demikian juga komponen mesin yang selalu bergerak dan bersinggungan, diusahakan tanpa gesekan dengan cara membuat permukaan yang bersinggungan sehalus mungkin dan diberi pelumas

Contoh

Sebuah kotak 10 kg berada dalam keadaan diam di lantai horizontal. Koefisien gesek statik adalah 0,4 dan koefisien gesek kinetik adalah 0,3. Tentukan gaya gesekan yang bekerja pada kotak jika gaya yang diberikan sebesar

a. 0 N

b. 10 N

c. 20 N

d. 38 N

e. 50 N

Penyelesaian

Untuk mempermudah pengerjaan, gambarlah benda beserta gaya-gaya yang bekerja padanya.

∑F_y = ma_y = 0

N – w = 0

N = w

N = mg

N = 10 x 10 = 100 N

Dengan demikian, gaya normal untuk semua kasus adalah 100 N

a. Untuk F = 0

karena tidak ada gaya yang diberikan, kotak tidak akan bergerak sehingg f = 0

b. Untuk F = 10 N

karena benda dikenai gaya luar, gaya gesekan statik akan melawan sampai maksimum.

f_s  = µ_sN

f_s  = 0,4 x 100 = 40 N

karena f_s  > F maka benda masih diam

Akibatnya, ∑f_x = 0

              F – f_s = 0

                   f_s = F

                   f_s = 10 N

jadi, gaya gesekan statik besarnya sama dengan gaya luar, yaitu 10 N

c. Untuk F = 20 N

seperti halnya pada bagian (b), f_s  > F maka benda masih diam sehingga f_s  = F = 20 N

d. Untuk F = 38 N

Gaya F = 38 N masih belum dapat menggerakkan kotak. Untuk mempertahankan kotak dalam keadaan diam, gaya gesekan statik (f_s) sekarang bertambah menjadi 38 N.

e. untuk F = 50 N

karena gaya yang diberikan melebihi gaya gesekan statik, benda akan mulai bergerak. Dengan demikian, benda sudah tidak mempunyai gesekan statik, tetapi mempunyai gesekan kinetik yang besarnya

f_k  = µ_k N

f_k = 0,3 x 100

f_k = 30 N

sehingga ∑F_x = ma

            F – f_k = ma

         50 -30 = 10a

                 a = 20/10 = 2 m/s²

Akibatnya, benda dipercepat 2 m/s² selama gaya yang diberikan 50 N.
Perbedaan gaya gesekan kinetik dan gaya gesekan statik

Continue Reading →

Dinamika Gerak Lurus – Pengertian Gaya dan Macam-macam Gaya

Gaya adalah dorongan atau tarikan yang dikerjakan pada sebuah benda. Dengan demikian, gaya dapat membuat benda diam menjadi bergerak dan dapat membuat benda bergerak menjadi diam. Gaya juga dapat menyebabkan benda yang sedang bergerak bertambah atau berkurang kelajuannya.

Contoh gaya dalam kehidupan, seperti ketika orang mendorong troli, ia akan memberikan dorongan atau gaya pada troli itu

Selain itu, gaya juga dapat mengubah bentuk benda. Misalnya,  kayu dapat patah ketika digergaji. Ketika anda memberikan dorongan dan tarikan (gaya) kepada gergaji yang digesekkan pada kayu dan kayu pun patah menjadi dua. Gaya juga dapat mengubah arah gerak benda. Misalnya, ketika anda sedang bermain badminton bersama adik anda. Adik anda memukul kok yang mengarah kepada anda. Sesampainya di tempat anda, kok anda pukul dan arahnya berbelok ke arah adik anda. 

Dalam fisika, gaya termasuk besaran turunan yang memiliki satuan newton (N). Selain memiliki nilai, gaya juga memiliki arah sehingga termasuk besaran vektor. Dengan demikian, ketika anda meresultankan gaya, aturan-aturan resultan vektor dapat diterapkan.

Macam-macam Gaya

Gaya yang bekerja pada suatu benda ada beberapa macam. Berikut ini macam-macam gaya yang terdapat pada suatu benda.

1. Gaya Berat

Berat suatu benda dipengaruhi oleh gravitasi bumi. Gaya gravitasi bumi selalu bekerja pada setiap benda yang berada di permukaan bumi. Gaya tarik bumi tersebut dinamakan gaya berat. Berdasarkan hukun II Newton, gaya berat suatu benda dapat dituliskan sebagai berikut.

W = m g

Keterangan:

w = berat benda (N)

m = massa (kg)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

Percepatan gravitasi bumi arahnya ke bawah (pusat bumi). Percepatan gravitasi pada tempat-tempat di bumi berbeda-beda bergantung pada jaraknya dari pusat bumi. Makin menjauhi pusat bumi, gaya gravitasi bumi semakin kecil.

Contoh

Sebuah mobil memiliki massa 2.000 kg. Tentukan berat mobil tersebut jika percepatan gravitasi bumi 10 m/s².

Penyelesaian

Diketahui : m = 2.000 kg

                   g = 10 m/s²

Berat mobil, w =mg

                        = 2.000 kg x 10 m/s²

                    w = 20.000 N

2. Gaya Normal

Balok di atas meja

Kotak pada bidang miring

Untuk mengetahui gaya normal perhatikan gambar di atas. Dimana ada sebuah balok diletakkan di atas meja. Menurut anda, ada berapa gaya yang terjadi? Pada kasusu tersebut, balok tidak bergerak di atas meja. Gaya gravitasi bumi membuat balok memiliki gaya berat w  yang arahnya ke bawah. Balok tida melesak ke dalam meja karena meja memberikan gaya reaksi yang sama besar dengan gaya berat w. Gaya reaksi ini disebut gaya normal. Akibatnya, gaya normal tersebut dapat dituliskan sebagai berikut.

N = w  dan  N = mg

Pada sebuah balok yang terletak di atas bidang miring akan bekerja gaya berat dan gaya normal yang dinyatakan sebagai berikut.

Besar gaya normal N adalah

N = w cos α

Contoh

Sebuah kotak bermasaa 30 kg terletak di atas papan miring dengan sudut 60^o  terhadap lantai (liha gambar di atas). Berapakah besar gaya normal yang bekerja pada papan

Penyelesaian

          N = w cos α

               = mg cos α

               = 30 x 10 cos 60^o

           N = 150 N

Jadi, besar gaya normal adalah 150 N arahnya tegak lurus dengan papan.

3. Gaya Gesekan

Misalnya, seseorang sedang mendorong sebuah kotak besar di atas lantai tanah. Orang tersebut kelihatan kesulitan dan merasa berat. Di lain tempat, ada orang mendorong kotak yang sama, tetapi diletakkan di atas lantai ubin (keramik), ternyata orang itu terlihat lebih mudah dan terasa ringan. Mengapa demikian? 

Gaya Gesekan (a) kotak terasa berat untuk digeser
(b) kotak terasa ringan untuk dipindahkan

Berdasarkan hukum I Newton, suatu benda akan diam atau bergerak lurus beraturan jika tidak ada gaya luar yang mengenainya. Jika sebuah balok di atas lantai kita tarik dengan suatu gaya dan balok tidak berubah posisinya maka pada balok tersebut terdapat gaya lain. Gaya lain yang bekerja pada balok tersebut adalah gaya gesekan.
Dinamika Gerak Lurus – Pengertian Gaya dan Macam-macam Gaya

Continue Reading →

Konsep Jarak, Perpindahan, Kelajuan, dan Kecepatan

Bagaimana cara menganalisis Jarak, Perpindahan,
Kelajuan, dan Kecepatan kendaraan tersebut?

1. Jarak dan Perpindahan

Perhatikan gambar kedudukan beberapa titik berikut ini.

Kedudukan atau letak suatu titik dalam fisika akan mempunyai arti apabila dibandingkan terhadap suatu titik acuan (pada titik O ). Titik acauan dalam matematika atau fisika diberi angka 0. Untuk suatu garis, titik acuan biasanya diletakkan pada tengah-tengah garis sehingga kedudukan titik di sebelah kanan titik acuan diberi tanda (+) dan di sebelah kiri acuan diberi tanda (-). Sebagai contoh, kedudukan titik A  pada gambar di atas adalah (+2) dan kedudukan titik B  adalah (-3). Jika sebuah artikel berubah terhadap titik acuan, partikel itu dikatakan berpindah. Pada koordinat Cartesius, titik acuan perpindahan terletak pada titik potong antara sumbu X dan sumbu Y, yaitu O (0,0).

Perhatikan gambar di bawah benda berpindah dari titik A ke titik B melalui berbagai lintasan,

Beberapa bentuk lintasan perpindahan benda

Besar jarak atau panjang lintasan dengan besar perpindahannya akan berbeda meskipun jika ditarik garis lurus dari titik A ke titik B  jaraknya sama.

Dari uraian tersebut, dapat disimpulkan bahwa jarak merupakan panjang lintasan yang menghubungkan dua titik. Jarak merupakan besaran skalar dan tidak mempunyai arah, sedangkan perpindahan adalah perubahan kedudukan suatu benda dari suatu titik ke titik yang lain. Perpindahan mempunyai nilai dan arah. Oleh karena itu, perpindahan merupakan besaran vektor.

Contoh

Berdasarkan gambar berikut,

Sebuah titik materi berpindah dari titik A ke tititk B. Berapa perpindahan dan jarak yang ditempuh?

Penyelesaian

Perpindahan dari A ke B adalah (-3) – (2) = -5

Jarak yang ditempuh sama dengan panjang AB, yaitu (2) + (3) = 5

Tanda pada perpindahan A ke B menunjukkan arah perpindahan ke kiri (negatif), sedangkan jarak selalu positif, tidak mengenal tanda negatif.

Perpindahan B  ke A adalah (2) – (3) = 5 (arah perpindahan ke kanan (positif)).

2. Kecepatan

Dalam hal ini, akan membedakan antara kelajuan dan kecepatan. Kelajuan merupakan besaran skalar, sedangkan kecepatan merupakan vektor. Perhatikan contoh berikut.

Seorang pengendara motor atau mobil melaju di jalan raya dengan spidometernya menunjukkan angka 70 km/jam. Nilai 70 km/jam ini merupakan kelajuan (speed). Dikatakan kelajuan karena nilai 80 km/jam tidak menunjukkan arah geraknya. Jika disebutkan arah geraknya. Misalnya 70 km/jam ke arah barat, “70 km/jam ke arah barat” ini disebut kecepatan. Dengan demikian, yang membedakan kelajuan dan kecepatan adalah arahnya, kelajuan tanpa arah, sedangkan kecepatan mempunyai arah. Ingat, kecepatan merupakan besaran vektor yang mempunyai besar dan arah, sedangkan kelajuan merupakan besaran skalar.

a. Kecepatan Rata-rata

Sebuah mobil yang bergerak dalam satu arah dan menempuh jarak yang sama dalam selang waktu tertentu dikatakan berkecepatan tetap. Akan tetapi, jika arahnya berubah-ubah, tidak dapat dikatakan berkecepatan tetap. Sebagai contoh, sebuah bus bergerak dari Makassar ke Palu dalam waktu 15 jam. Bus lain bergerak dari Palu ke Makassar juga dalam waktu 15 jam. Dalam hal ini, kedua bus dikatakan berkelajuan sama, tetapi kecepatnnya berbeda. Mengapa?

Dalam kenyataan, kita sulit menemukan gerak dengan kelajuan dan kecepatan tetap, yang ada adalah kelajuan rata-rata dan kecepatan rata-rata. Sebagai contoh, seorang pelari dapat menempuh jarak 100 m dalam 10 sekon. Dalam hal ini, laju dan kecepatan pelari adalah 10 m/s. kecepatan 10 m/s ini merupakan kecepatan pelari itu. Selanjutnya, kelajuan rata-rata dan kecepatan dirumuskan sebagai berikut.

Contoh

Disajikan grafik hubungan antara kecepatan dan waktu sebuah benda seperti gambar di bawah. Tentukan kelajuan dan kecepatan rata-rata dari benda tersebut.

Penyelesaian

Untuk menyelesaikannya, kita dapat membuat grafik hubungan antara posisi dan waktu seperti gambar berikut.

Berdasarkan grafik terdebut kelajuan dan kecepatan gerak rata-rata benda dapat ditentukan.

Kelajuan rata-rata

Kecepatan rata-rata

Jadi, kelajuan rata-rata benda adalah 8,33 m/s dan kecepatan rata-rata -1,67 m/s.

b. Kecepatan Sesaat

Bagaimana cara menghitung kecepatan seorang pengendara motor pada saat tertentu, misalnya pada sekon ke-5? Dalam hal ini, kecepatan sesaat pada saat itu (sekon ke-5) disebut kecepatan sesaat. Kecepatan sesaat dapat dihitung berdasarkan rumus kecepatan rata-rata dengan mengambil harga Δt (selang waktu) sangat kecil mendekati 0 (Δt → 0). Demikian juga dengan kelajuan.

Kecepatan sesaat di titik P dapat ditentukan dengan gradien atau garis miring dalam grafik. Misalnya, ketika kita mengambil perubahan perpindahan (Δx) dan selang waktu yang sangat kecil (Δt). Gradien atau kemiringan dapat ditulis sebagai

Dengan perubahan atau selang waktu yang sangat kecil

Gerak kecepatan sesaat

Di mana perbandingan tersebut merupakan kecepatan sesaat benda ketika di titik P sehingga 

Untuk Δt sangat kecil
Kalau ditinjau dengan diferensial (turunan), kecepatan sesaat adalah

konsep diferensial dapat mempermudah penjelasan mengenai hubungan antara jarak, kecepatan, dan percepatan. Secara umum, diferensial dapat dijelaskan sebagai berikut.

Jika suatu fungsi dinyatakan dengan y = xⁿ maka

Berdasarkan hubungan jarak, kecepetan, dan percepatan, konsep diferensial dapat dituliskan sebagai berikut.

Contoh

menentukan kecepatan sesaat dari sebuah benda yang bergerak merupakan sebuah fungsi kedudukan terhadap waktu yang dinyatakan dengan persamaan x = 2t² + 3t – 2, dengan x dalam meter dan t dalam sekon. Tentukan kecepatan pada saat t = 2 sekon.

Penyelesaian

Mengingat kecepatan sesaat merupakan perpindahan dalam selang waktu yang sangat kecil maka waktu diambil sekitar t = 2 sekon, misalnya t = 2,1 s (Δt = 0,1 s ), t = 2,05 s (Δt = 0,05 s), dan t = 2,02 s (Δt = 0,02 s).

Dari perhitungan tersebut, terlihat bahwa dengan selang waktu yang makin kecil, hasil kecepatan akan mendekati kecepatan sesaat yang sebenarnya.

Menurut hasil perhitungan diferensial, kecepatan sesaat pada t = 2 s adalah

Dengan mempergunakan perhitungan diferensial, penyelesaiannya akan lebih mudah dan cepat.

Sumber : Purwanto, B & Azam, M. 2014. Fisika 1 untuk kelas X SMA dan MA Kelompok Peminatan Matematika dan Ilmu Alam “Kurikulum 2013”. Solo: PT Wangsa Jatra Lestari

Konsep Jarak, Perpindahan, Kelajuan, dan Kecepatan

Continue Reading →