GAYA SENTRIFUGAL: RUMUS, CARA MENGHITUNGNYA, CONTOH, LATIHAN - FISIK - 2025

Gaya sentrifugal cenderung mendorong benda berputar keluar kurva. Ini dianggap sebagai gaya fiktif, pseudoforce atau gaya inersia, karena bukan disebabkan oleh interaksi antara benda nyata, tetapi merupakan manifestasi dari kelembaman benda. Inersia adalah properti yang membuat objek ingin mempertahankan keadaan diamnya atau gerakan bujursangkar yang seragam, jika ada.

Istilah "gaya sentrifugal" diciptakan oleh ilmuwan Christian Huygens (1629-1695). Dia menyatakan bahwa gerakan lengkung planet-planet akan cenderung menjauhkannya kecuali Matahari mengerahkan beberapa gaya untuk menahannya, dan dia menghitung bahwa gaya ini sebanding dengan kuadrat kecepatan dan berbanding terbalik dengan jari-jari keliling yang dijelaskan.

Gambar 1. Saat menikung, penumpang mengalami gaya yang cenderung menarik mereka keluar. Sumber: Libreshot.

Bagi mereka yang melakukan perjalanan dengan mobil, gaya sentrifugal bukanlah fiksi sama sekali. Penumpang di mobil yang belok kanan merasa terdorong ke kiri, begitu pula sebaliknya, saat mobil berbelok ke kiri, orang mengalami gaya ke kanan, yang seolah-olah ingin menjauhkan mereka dari tengah tikungan.

Besar gaya sentrifugal F _g dihitung dengan persamaan berikut:

- F _g adalah besarnya gaya sentrifugal

- m adalah massa benda

- v adalah kecepatannya

- R adalah radius jalur lengkung.

Gaya adalah vektor, oleh karena itu digunakan huruf tebal untuk membedakannya dari besarannya, yaitu skalar.

Ingatlah selalu bahwa F _g hanya muncul jika gerakan dijelaskan menggunakan kerangka acuan yang dipercepat.

Pada contoh yang dijelaskan di awal, mobil yang berputar merupakan acuan akselerasi, karena memerlukan percepatan sentripetal agar dapat berputar.

Bagaimana gaya sentrifugal dihitung?

Pemilihan sistem referensi sangat penting untuk apresiasi gerakan. Kerangka acuan yang dipercepat juga dikenal sebagai kerangka non-inersia.

Dalam sistem jenis ini, seperti mobil yang berputar, gaya fiktif seperti gaya sentrifugal muncul, yang asalnya bukan interaksi nyata antar objek. Seorang penumpang tidak dapat mengatakan apa yang mendorongnya keluar dari tikungan, ia hanya dapat menegaskan bahwa memang demikian.

Di sisi lain, dalam sistem referensi inersia, interaksi terjadi antara benda nyata, seperti benda yang bergerak dan Bumi, yang menimbulkan beban, atau antara benda dan permukaan tempat ia bergerak, yang berasal. gesekan dan normal.

Seorang pengamat yang berdiri di pinggir jalan dan mengamati mobil berbelok adalah contoh yang baik dari sistem referensi inersia. Bagi pengamat ini, mobil berbelok karena gaya yang diarahkan ke pusat kurva bekerja padanya, yang memaksanya untuk tidak keluar darinya. Ini adalah gaya sentripetal yang dihasilkan oleh gesekan antara ban dan perkerasan jalan.

Dalam kerangka acuan inersia, gaya sentrifugal tidak muncul. Oleh karena itu langkah pertama dalam menghitungnya adalah dengan hati-hati memilih sistem referensi yang akan digunakan untuk menggambarkan gerakan.

Akhirnya, perlu dicatat bahwa sistem referensi inersia tidak harus diam, seperti pengamat yang mengamati kendaraan yang membelok. Kerangka acuan inersia, yang dikenal sebagai kerangka acuan laboratorium, juga dapat bergerak. Tentu saja, dengan kecepatan konstan sehubungan dengan inersia.

Diagram benda bebas dalam sistem inersia dan non-inersia

Pada gambar di sebelah kiri, seorang pengamat O berdiri dan melihat ke O ', yang berada di platform yang berputar ke arah yang ditunjukkan. Untuk O yang merupakan kerangka inersia, tentunya O 'terus berputar karena gaya sentripetal F _{c yang} dihasilkan oleh dinding bingkai di belakang O'.

Gambar 2. Seseorang yang berdiri di atas meja putar dilihat dari dua sistem referensi yang berbeda: satu tetap dan yang lainnya berjalan bersama orang tersebut. Sumber: Física de Santillana.

Hanya dalam kerangka acuan inersia hukum kedua Newton berlaku, yang menyatakan bahwa gaya total sama dengan hasil kali massa dan percepatan. Dan dalam melakukannya, dengan diagram benda-bebas yang ditunjukkan, kita mendapatkan:

Demikian pula, pada gambar di sebelah kanan juga terdapat diagram benda-bebas yang menggambarkan apa yang dilihat oleh pengamat O '. Dari sudut pandangnya, dia diam, oleh karena itu kekuatan padanya seimbang.

Gaya-gaya ini adalah: F normal , yang diberikan dinding padanya, berwarna merah dan diarahkan ke pusat dan gaya sentrifugal F _g yang mendorongnya ke luar dan yang tidak berasal dari interaksi apa pun, adalah gaya non-inersia yang muncul dalam sistem referensi berputar.

Gaya sentrifugal bersifat fiktif, ia diimbangi dengan gaya nyata, kontak atau gaya normal yang mengarah ke pusat. Jadi:

Contoh

Meskipun gaya sentrifugal dianggap gaya semu, pengaruhnya cukup nyata, seperti yang dapat dilihat pada contoh berikut:

- Dalam permainan berputar apa pun di taman hiburan, gaya sentrifugal hadir. Dia memastikan bahwa kita "melarikan diri dari tengah" dan menawarkan perlawanan konstan jika Anda mencoba berjalan ke tengah korsel yang bergerak. Dalam pendulum berikut, Anda dapat melihat gaya sentrifugal:

- Efek Coriolis muncul dari rotasi Bumi, yang membuat Bumi berhenti menjadi kerangka inersia. Kemudian gaya Coriolis muncul, yang merupakan gaya semu yang membelokkan objek ke samping, seperti orang yang mencoba berjalan di atas meja putar.

Latihan

Latihan 1

Sebuah mobil yang berbelok dengan akselerasi A ke kanan memiliki boneka yang tergantung di kaca spion bagian dalam. Gambar dan bandingkan diagram benda-bebas dari mainan yang dilihat dari:

a) Kerangka acuan inersia pengamat yang berdiri di jalan.

b) Seorang penumpang yang bepergian dengan mobil.

Solusi untuk

Seorang pengamat yang berdiri di jalan memperhatikan bahwa mainan tersebut bergerak dengan cepat, dengan akselerasi A ke kanan.

Gambar 3. Diagram benda bebas untuk latihan 1a. Sumber: F. Zapata.

Ada dua gaya yang bekerja pada mainan: di satu sisi ketegangan dalam string T dan berat vertikal ke bawah W. berat ini seimbang dengan komponen vertikal dari ketegangan Tcosθ, oleh karena itu:

Komponen tegangan horizontal: T. sinθ adalah gaya tak seimbang yang bertanggung jawab atas percepatan ke kanan, oleh karena itu gaya sentripetalnya adalah:

Solusi b

Untuk penumpang di dalam mobil, mainan itu tergantung dalam keseimbangan dan diagramnya adalah sebagai berikut:

Gambar 4. Diagram benda bebas untuk latihan 1b. Sumber: F. Zapata.

Seperti dalam kasus sebelumnya, bobot dan komponen vertikal tegangan dikompensasikan. Tetapi komponen horizontal diimbangi oleh gaya fiktif F _g = mA, sehingga:

Latihan 2

Sebuah koin berada di tepi pemutar piringan hitam tua, yang radiusnya 15 cm dan berputar pada 33 putaran / menit. Temukan koefisien minimum gesekan statis yang diperlukan agar koin tetap di tempatnya, menggunakan kerangka acuan solidaritas dengan koin.

Larutan

Pada gambar adalah diagram benda-bebas untuk pengamat yang bergerak dengan koin. Normal N bahwa exerts meja putar vertikal up seimbang dengan berat W , sedangkan gaya sentrifugal F _g dikompensasi oleh statis _gesekan F _gesekan .

Gambar 5. Diagram tubuh bebas untuk latihan 2. Sumber: F. Zapata.

Besarnya gaya sentrifugal adalah mv ² / R, seperti yang dikatakan di awal, maka:

Di sisi lain, gaya gesekan statis diberikan oleh:

Di mana μ _s adalah koefisien gesekan statis, kuantitas tak berdimensi yang nilainya bergantung pada bagaimana permukaan bersentuhan. Pengganti persamaan ini adalah:

Besaran normal masih harus ditentukan, yang berkaitan dengan berat badan menurut N = mg. Mengganti lagi:

Kembali ke pernyataan tersebut, dilaporkan bahwa koin berputar dengan kecepatan 33 putaran / menit, yang merupakan kecepatan sudut atau frekuensi sudut ω, terkait dengan kecepatan linier v:

Hasil dari latihan ini akan sama jika kerangka acuan inersia telah dipilih. Dalam kasus seperti ini, satu-satunya gaya yang mampu menyebabkan percepatan menuju pusat adalah gesekan statis.

Aplikasi

Seperti yang telah kami katakan, gaya sentrifugal adalah gaya fiktif, yang tidak muncul dalam kerangka inersia, yang merupakan satu-satunya kerangka di mana hukum Newton berlaku. Di dalamnya, gaya sentripetal bertanggung jawab untuk menyediakan tubuh dengan percepatan yang diperlukan menuju pusat.

Gaya sentripetal bukanlah gaya yang berbeda dari yang sudah dikenal. Sebaliknya, justru inilah yang memainkan peran gaya sentripetal bila memungkinkan. Misalnya, gravitasi yang membuat Bulan mengorbit di sekitar Bumi, tegangan tali yang memutar batu, gesekan statis, dan gaya elektrostatis.

Namun, karena banyak kerangka referensi yang dipercepat dalam praktiknya, gaya fiktif memiliki efek yang sangat nyata. Misalnya, berikut adalah tiga aplikasi penting yang memiliki efek nyata:

Mesin sentrifugal

Sentrifugal adalah instrumen yang banyak digunakan di laboratorium. Idenya adalah membuat campuran zat berputar dengan kecepatan tinggi dan zat dengan massa lebih besar mengalami gaya sentrifugal yang lebih besar, menurut persamaan yang dijelaskan di awal.

Kemudian partikel yang paling masif akan cenderung menjauh dari sumbu rotasi, sehingga terpisah dari yang lebih ringan, yang akan tetap lebih dekat ke pusat.

Mesin cuci

Mesin cuci otomatis memiliki siklus putaran yang berbeda. Di dalamnya, pakaian disentrifugasi untuk menghilangkan sisa air. Semakin tinggi putaran siklus, semakin sedikit pakaian yang basah di akhir pencucian.

Tidak ada kurva

Mobil lebih jago menikung di jalan raya, karena treknya sedikit miring ke arah tengah tikungan yang dikenal dengan cant. Dengan cara ini, mobil tidak hanya bergantung pada gesekan statis antara ban dan jalan untuk menyelesaikan belokan tanpa meninggalkan tikungan.

Referensi

1. Acosta, Victor. Pembuatan panduan didaktik gaya sentrifugal untuk siswa pada siklus V kelas 10. Diperoleh dari: bdigital.unal.edu.co.
2. Toppr. Hukum Gerak: Gerak Melingkar. Diperoleh dari: toppr.com.
3. Resnick, R. (1999). Fisik. Vol. 1. Edisi ke-3 dalam bahasa Spanyol. Editorial Compañía Continental SA de CV
4. Universitas Otonom Negara Bagian Hidalgo. Gaya sentrifugal. Diperoleh dari: uaeh.edu.mx
5. Wikipedia. Mesin sentrifugal. Diperoleh dari: es.wikipedia.org.