- Gaya resultan
- Diagram benda bebas
- Cara menerapkan kondisi ekuilibrium
- Dua gaya dengan besaran yang sama dan arah serta arah yang berlawanan
- Dua gaya dengan besaran berbeda, arah yang sama dan arah berlawanan
- Dua gaya dengan besaran yang sama dan arah yang berbeda
- Tiga gaya dengan arah berbeda
- Gesekan
- Gesekan dinamis
- Contoh yang berhasil
- Larutan
- Referensi
The kesetimbangan partikel adalah keadaan di mana partikel adalah ketika kekuatan eksternal yang bekerja pada mereka saling dibatalkan. Ini berarti bahwa ia mempertahankan keadaan konstan, sedemikian rupa sehingga dapat terjadi dalam dua cara berbeda tergantung pada situasi spesifik.
Yang pertama adalah berada dalam kesetimbangan statis, di mana partikel tidak dapat bergerak; dan yang kedua adalah kesetimbangan dinamis, di mana penjumlahan gaya dibatalkan, namun partikel tersebut memiliki gerakan bujursangkar yang seragam.
Gambar 1. Pembentukan batuan dalam kesetimbangan. Sumber: Pixabay.
Model partikel adalah pendekatan yang sangat berguna untuk mempelajari gerakan suatu benda. Ini terdiri dari asumsi bahwa semua massa benda terkonsentrasi di satu titik, terlepas dari ukuran objeknya. Dengan cara ini Anda dapat mewakili planet, mobil, elektron, atau bola biliar.
Gaya resultan
Titik yang mewakili benda adalah tempat gaya yang mempengaruhinya bekerja. Kekuatan ini dapat diganti dengan satu yang memiliki efek yang sama, yang disebut gaya resultan bersih atau kekuatan dan dilambangkan sebagai F R atau F N .
Menurut hukum kedua Newton, ketika ada gaya resultan yang tidak seimbang, benda mengalami percepatan yang sebanding dengan gaya:
F R = ma
Di mana a adalah percepatan yang diperoleh benda berkat aksi gaya dan m adalah massa benda. Apa yang terjadi jika tubuh tidak dipercepat? Persis seperti yang ditunjukkan di awal: tubuh diam atau bergerak dengan gerakan bujursangkar seragam, yang tidak memiliki percepatan.
Untuk partikel dalam kesetimbangan, valid untuk memastikan bahwa:
F R = 0
Karena menambahkan vektor tidak selalu berarti menambahkan modul, vektor harus didekomposisi. Jadi, sah untuk menyatakan:
F x = ma x = 0; F y = ma y = 0; F z = ma z = 0
Diagram benda bebas
Untuk memvisualisasikan gaya yang bekerja pada partikel, akan lebih mudah untuk membuat diagram benda-bebas, di mana semua gaya yang bekerja pada benda diwakili oleh panah.
Persamaan di atas bersifat vektor. Saat menguraikan kekuatan, mereka dibedakan oleh tanda-tanda. Dengan cara ini dimungkinkan untuk jumlah komponennya menjadi nol.
Berikut ini adalah pedoman penting untuk membuat gambar itu berguna:
- Pilih sistem referensi di mana jumlah gaya terbesar berada pada sumbu koordinat.
- Bobot selalu ditarik ke bawah secara vertikal.
- Dalam kasus dua atau lebih permukaan bersentuhan, ada gaya normal, yang selalu ditarik untuk mendorong benda dan tegak lurus dengan permukaan yang memberinya.
- Untuk partikel dalam kesetimbangan mungkin ada gesekan sejajar dengan permukaan kontak dan berlawanan dengan gerakan yang mungkin, jika partikel dianggap diam, atau pasti berlawanan, jika partikel bergerak dengan MRU (gerakan bujursangkar seragam).
- Jika ada tali, tegangan selalu ditarik di sepanjang itu dan menarik tubuh.
Cara menerapkan kondisi ekuilibrium
Gambar 2. Dua gaya yang diterapkan dengan cara berbeda pada benda yang sama. Sumber: buatan sendiri.
Dua gaya dengan besaran yang sama dan arah serta arah yang berlawanan
Gambar 2 menunjukkan sebuah partikel di mana dua gaya bekerja. Pada gambar di sebelah kiri, partikel menerima aksi dua gaya F 1 dan F 2 yang memiliki besaran yang sama dan bertindak dalam arah yang sama dan berlawanan arah.
Partikel berada dalam kesetimbangan, namun dengan informasi yang diberikan tidak mungkin untuk mengetahui apakah kesetimbangan tersebut statis atau dinamis. Lebih banyak informasi diperlukan tentang kerangka acuan inersia dari mana objek diamati.
Dua gaya dengan besaran berbeda, arah yang sama dan arah berlawanan
Gambar di tengah menunjukkan partikel yang sama, yang kali ini tidak berada dalam kesetimbangan, karena besar gaya F 2 lebih besar dari pada F 1 . Oleh karena itu terdapat gaya yang tidak seimbang dan benda tersebut memiliki percepatan searah dengan F 2 .
Dua gaya dengan besaran yang sama dan arah yang berbeda
Akhirnya, pada gambar di sebelah kanan, kita melihat sebuah benda yang juga tidak berada dalam kesetimbangan. Meskipun F 1 dan F 2 besarnya sama, gaya F 2 tidak searah dengan 1. Komponen vertikal F 2 tidak ditangkal oleh yang lain dan partikel mengalami percepatan ke arah itu.
Tiga gaya dengan arah berbeda
Bisakah sebuah partikel yang dikenai tiga gaya berada dalam kesetimbangan? Ya, asalkan saat meletakkan ujung dan ujung masing-masing, maka gambar yang dihasilkan adalah segitiga. Dalam hal ini jumlah vektornya adalah nol.
Gambar 3. Sebuah partikel yang dikenakan aksi 3 gaya bisa berada dalam kesetimbangan. Sumber: buatan sendiri.
Gesekan
Gaya yang sering mengintervensi kesetimbangan partikel adalah gesekan statis. Ini karena interaksi benda yang diwakili oleh partikel dengan permukaan benda lain. Misalnya, buku dalam kesetimbangan statis di atas meja miring dimodelkan sebagai partikel dan memiliki diagram benda-bebas seperti berikut:
Gambar 4. Diagram benda-bebas sebuah buku pada bidang miring. Sumber: buatan sendiri.
Gaya yang mencegah buku meluncur melintasi permukaan bidang miring dan tetap diam adalah gesekan statis. Itu tergantung pada sifat permukaan yang bersentuhan, yang secara mikroskopis menghadirkan kekasaran dengan puncak yang saling mengunci, membuat pergerakan menjadi sulit.
Nilai maksimum gesekan statik sebanding dengan gaya normal, gaya yang diberikan oleh permukaan pada benda yang disangga, tetapi tegak lurus dengan permukaan tersebut. Dalam contoh di buku itu ditunjukkan dengan warna biru. Secara matematis dinyatakan seperti ini:
Konstanta proporsionalitas adalah koefisien gesekan statik μ s , yang ditentukan secara eksperimental, tidak berdimensi dan bergantung pada sifat permukaan yang bersentuhan.
Gesekan dinamis
Jika sebuah partikel berada dalam kesetimbangan dinamis, gerakan sudah terjadi dan gesekan statis tidak lagi mengintervensi. Jika ada gaya gesek yang menentang gerakan, gesekan dinamis bekerja, yang besarnya konstan dan diberikan oleh:
Dimana μ k adalah koefisien gesekan dinamis, yang juga tergantung pada jenis permukaan dalam kontak. Seperti koefisien gesekan statis, ia tidak berdimensi dan nilainya ditentukan secara eksperimental.
Nilai koefisien gesekan dinamis biasanya lebih kecil daripada nilai koefisien gesekan statis.
Contoh yang berhasil
Buku pada Gambar 3 diam dan memiliki massa 1,30 kg. Bidang tersebut memiliki sudut kemiringan 30º. Temukan koefisien gesekan statik antara buku dan permukaan bidang.
Larutan
Penting untuk memilih sistem referensi yang sesuai, lihat gambar berikut:
Gambar 5. Diagram benda-bebas buku pada bidang miring dan dekomposisi berat. Sumber: buatan sendiri.
Berat buku ini memiliki besaran W = mg, namun buku ini harus diuraikan menjadi dua komponen: W x dan W y , karena ini adalah satu-satunya gaya yang tidak jatuh tepat di atas sumbu koordinat mana pun. Dekomposisi bobot diamati pada gambar di sebelah kiri.
Tanggal 2. Hukum Newton untuk sumbu vertikal adalah:
Menerapkan 2nd. Hukum Newton untuk sumbu x, memilih arah gerakan yang mungkin adalah positif:
Gesekan maksimum adalah f s max = μ s N, oleh karena itu:
Referensi
- Rex, A. 2011. Dasar-dasar Fisika. Pearson. 76 - 90.
- Serway, R., Jewett, J. (2008). Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 1. 7 ma . Ed. Pembelajaran Cengage. 120-124.
- Serway, R., Vulle, C. 2011. Dasar-dasar Fisika. 9 na Ed. Cengage Learning. 99-112.
- Tippens, P. 2011. Fisika: Konsep dan Aplikasi. Edisi ke-7. MacGraw Hill. 71 - 87.
- Walker, J. 2010. Fisika. Addison Wesley. 148-164.