APAKAH KESETIMBANGAN DINAMIS ITU? (DENGAN CONTOH) - FISIK - 2025

The keseimbangan dinamis adalah keadaan di mana objek yang bergerak diwakili idealnya sebagai partikel ketika gerakan adalah bujursangkar seragam kebohongan. Fenomena ini terjadi ketika jumlah gaya eksternal yang bekerja padanya dibatalkan.

Seringkali diyakini bahwa jika tidak ada gaya total atau resultan pada suatu benda, maka hanya ada konsekuensi yang mungkin terjadi. Atau juga agar benda seimbang tidak boleh ada gaya yang bekerja.

Gambar 1. Kucing ini bergerak dalam kesetimbangan dinamis jika bergerak dengan kecepatan konstan. Sumber: Pixabay.

Pada kenyataannya, kesetimbangan adalah tidak adanya percepatan, dan karena itu kecepatan konstan sangat mungkin terjadi. Kucing pada gambar mungkin bergerak tanpa percepatan.

Sebuah benda dengan gerakan melingkar seragam tidak berada dalam kesetimbangan dinamis. Meski kecepatannya konstan, ada percepatan yang diarahkan ke pusat keliling yang membuatnya tetap di jalur. Akselerasi ini bertanggung jawab untuk mengubah vektor kecepatan dengan tepat.

Kecepatan nol adalah situasi tertentu dari kesetimbangan suatu partikel, setara dengan menegaskan bahwa benda diam.

Adapun mempertimbangkan objek sebagai partikel, ini adalah idealisasi yang sangat berguna ketika menggambarkan gerakan global mereka. Pada kenyataannya, benda bergerak yang mengelilingi kita terdiri dari sejumlah besar partikel yang studi individualnya akan merepotkan.

Prinsip superposisi

Prinsip ini memungkinkan penggantian aksi beberapa gaya pada suatu objek dengan ekuivalen yang disebut gaya resultan FR atau gaya total FN, yang dalam hal ini nol:

F1 + F2 + F3 +…. = FR = 0

Dimana gaya F1, F2, F3…., Fi adalah gaya berbeda yang bekerja pada benda. Notasi penjumlahan adalah cara ringkas untuk mengungkapkannya:

Selama gaya yang tidak seimbang tidak mengintervensi, objek dapat terus bergerak tanpa batas dengan kecepatan konstan, karena hanya satu gaya yang dapat mengubah panorama ini.

Dalam hal komponen gaya resultan, kondisi kesetimbangan dinamis suatu partikel dinyatakan sebagai berikut: Fx = 0; Fy = 0; Fz = 0.

Kondisi rotasi dan kesetimbangan

Untuk model partikel, kondisi FR = 0 cukup menjamin kesetimbangan. Namun, jika memperhitungkan dimensi ponsel yang diteliti, ada kemungkinan benda tersebut bisa berputar.

Gerakan rotasi menyiratkan adanya percepatan, oleh karena itu benda-benda yang berputar tidak berada dalam kesetimbangan dinamis. Rotasi suatu benda tidak hanya membutuhkan partisipasi suatu gaya, tetapi juga perlu diterapkan di tempat yang sesuai.

Untuk memeriksanya, batang tipis dengan panjang dapat ditempatkan pada permukaan bebas gesekan, seperti permukaan beku atau cermin atau kaca yang sangat halus. Normal menyeimbangkan berat secara vertikal, dan dengan menerapkan dua gaya F1 dan F2 yang besarnya sama secara horizontal, menurut diagram pada gambar berikut, apa yang terjadi diverifikasi:

Gambar 2. Sebuah batang pada permukaan bebas gesekan mungkin atau mungkin tidak dalam kesetimbangan, tergantung pada bagaimana gaya 1 dan 2 diterapkan Sumber: elaborasi sendiri.

Jika F1 dan F2 diterapkan seperti yang ditunjukkan di kiri, dengan garis aksi yang sama, tongkat akan tetap diam. Tetapi jika F1 dan F2 diterapkan seperti yang ditunjukkan di sebelah kanan, dengan garis aksi yang berbeda, meskipun sejajar, terjadi rotasi searah jarum jam, di sekitar sumbu yang melewati pusat.

Dalam hal ini, F1 dan F2 merupakan sepasang gaya atau hanya sepasang.

Torsi atau momen suatu gaya

Pengaruh torsi adalah menghasilkan rotasi pada objek yang diperpanjang seperti batang pada contoh. Besarnya vektor bermuatan disebut torsi atau juga momen suatu gaya. Ini dilambangkan sebagai τ dan dihitung dengan:

τ = rx F

Dalam ekspresi ini F adalah gaya yang diberikan dan r adalah vektor yang bergerak dari sumbu rotasi ke titik penerapan gaya (lihat gambar 2). Arah τ selalu tegak lurus dengan bidang dimana F dan r terletak dan satuannya dalam sistem internasional adalah Nm

Misalnya, arah momen yang dihasilkan F1 dan F2 mengarah ke kertas, sesuai aturan perkalian vektor.

Meskipun gaya saling membatalkan, torsi mereka tidak. Dan hasilnya adalah rotasi yang ditampilkan.

Kondisi kesetimbangan untuk benda yang diperpanjang

Ada dua syarat yang harus dipenuhi untuk menjamin keseimbangan objek yang diperpanjang:

Ada kotak atau bagasi yang beratnya 16 kg-f, yang meluncur ke bawah bidang miring dengan kecepatan konstan. Sudut kemiringan baji adalah θ = 36º. Menjawab:

a) Berapakah besar gaya gesek dinamis yang diperlukan untuk batang geser dengan kecepatan konstan?

b) Berapakah koefisien gesekan kinetik?

c) Jika tinggi h bidang miring adalah 3 meter, tentukan kecepatan turun batang pohon mengetahui bahwa dibutuhkan waktu 4 detik untuk mencapai tanah.

Larutan

Batangnya dapat diperlakukan seperti sebuah partikel. Oleh karena itu, gaya akan diterapkan pada titik yang terletak kira-kira di tengahnya, di mana semua massanya dapat diasumsikan terkonsentrasi. Pada titik inilah ia akan dilacak.

Gambar 3. Diagram benda bebas untuk perosotan batang menuruni bukit dan rincian berat (kanan). Sumber: buatan sendiri.

Bobot W adalah satu-satunya gaya yang tidak jatuh pada salah satu sumbu koordinat dan harus diuraikan menjadi dua komponen: Wx dan Wy. Dekomposisi ini ditunjukkan dalam skema (gambar 3).

Juga nyaman untuk mentransfer berat ke unit sistem internasional, yang cukup untuk dikalikan dengan 9,8:

Wy = W. cosθ = 16 x 9,8 x cos 36º N = 126,9 N

Wx = W. sinθ = 16 x 9,8 x sin 36º = 92,2 N

Paragraf a

Di sepanjang sumbu horizontal terdapat komponen horizontal dari bobot Wx dan gaya gesekan dinamis atau kinetik fk, yang menentang gerakan.

Dengan memilih arah positif pada arah pergerakan, mudah untuk melihat bahwa Wx bertanggung jawab atas penurunan balok. Dan karena gesekan ditentang, bukannya meluncur dengan cepat, balok memiliki kemungkinan meluncur dengan kecepatan konstan menuruni bukit.

Kondisi kesetimbangan pertama sudah cukup, karena kita memperlakukan batang sebagai sebuah partikel, yang dijamin dalam pernyataan bahwa ia berada dalam kesetimbangan dinamis:

Wx - fk = 0 (tidak ada percepatan pada arah horizontal)

fk = 92,2 N

Bagian b

Besarnya gesekan dinamis adalah konstan dan diberikan oleh fk = μk N. Ini berarti bahwa gaya gesekan dinamis sebanding dengan normal dan besarnya diperlukan untuk mengetahui koefisien gesekan.

Mengamati diagram benda-bebas, kita dapat melihat bahwa pada sumbu vertikal kita memiliki gaya normal N, yang diberikan baji pada batang dan diarahkan ke atas. Dia seimbang dengan komponen vertikal dari bobot Wy. Memilih sebagai pengertian positif dan menggunakan hukum kedua Newton dan kondisi kesetimbangan menghasilkan:

N - Wy = 0 (tidak ada pergerakan di sepanjang sumbu vertikal)

Jadi:

N = Wy = 126,9 N

fk = μk N

μk = fk / N = 92,2 /126,9= 0,73

Bagian c

Total jarak yang ditempuh oleh batang dari puncak baji ke tanah ditemukan oleh trigonometri:

d = h / sin 36º = 3 / sin 36º m = 5,1 m.

Untuk menghitung kecepatan, definisi gerakan bujursangkar seragam digunakan:

v = d / t = 5,1 m / 4 s = 1,3 m / s

Referensi

1. Rex, A. 2011. Dasar-dasar Fisika. Pearson. 76 - 90.
2. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 1. 7. Ed. Pembelajaran Cengage. 120-124.
3. Serway, R., Vulle, C. 2011. Dasar-dasar Fisika. 9th Ed. Cengage Learning. 99-112.
4. Tippens, P. 2011. Fisika: Konsep dan Aplikasi. Edisi ke-7. MacGraw Hill. 71 - 87.
5. Walker, J. 2010. Fisika. Addison Wesley. 148-164.