Contoh momen gaya atau torsi

Dinamika Rotasi dan Kesetimbangan Benda Tegar – Materi Fisika Kelas 11

Artikel ini akan membahas tentang kesetimbangan benda tegar, yang kemudian disusul dengan pembahasan mengenai dinamika rotasi, momen gaya, momen inersia, momentum sudut, energi kinetik pada gerak translasi dan rotasi, hingga contoh soal lengkap dengan pembahasannya.

Hi, guys! Apa kabar? Semoga sehat dan bahagia selalu ya! Kali ini aku mau mengajak kamu belajar tentang dinamika rotasi. Di artikel sebelumnya aku udah pernah membahas tentang dinamika partikel yang mana di dalamnya terdapat hukum-hukum Newton. Pasti kamu udah baca dong? Kalau belum, baca dulu ya agar kamu bisa dengan mudah memahami pembahasan tentang dinamika rotasi ini.

Lho memang ada kaitannya ya, kak? Tentu saja ada. Dinamika rotasi ini erat kaitannya dengan Hukum II Newton. Jadi, untuk mempelajari ini ada baiknya kamu memahami terlebih dahulu tentang dinamika partikel. Yuk, kita bahas bersama-sama mengenai dinamika rotasi!

Kesetimbangan Benda Tegar

Sebelum membahas tentang dinamika rotasi, kita harus memahami dulu konsep kesetimbangan nih. Kesetimbangan benda tegar ini erat kaitannya dengan Hukum I Newton lho, guys. Konsepnya menggunakan ΣF=0 dan Στ=0 (torsi).

Kesetimbangan adalah ketika suatu benda dianggap sebagai benda titik dengan ΣF=0, maka benda tersebut setimbang. Namun, jika pada kesetimbangan benda tegar menggunakan syarat Στ=0.

Apa Itu Dinamika Rotasi?

Dinamika rotasi adalah ilmu yang mempelajari mengenai pergerakan benda yang berputar pada poros atau titik tumpunya. Dinamika rotasi ini dipengaruhi oleh beberapa hal seperti massa, gaya, percepatan, kecepatan, torsi, dll. Dinamika rotasi ini sebenarnya menggunakan konsep Hukum II Newton, yaitu:

ΣF = m.a

Tetapi karena ia berotasi pada porosnya dan dipengaruhi oleh torsi, sehingga rumusnya menjadi:

Στ = I.α

Keterangan:

ΣF : resultan gaya (N)

m : massa/ukuran kelembaman (kg)

a : percepatan (m/s2)

Στ : momen torsi (Nm)

I : momen inersia (kgm2)

α : percepatan sudut (rad/s)

Ke depannya ketika kamu mempelajar dinamika rotasi, maka kamu akan menemukan rumus dengan bentuk baru dari gerak lurus atau translasi. Jadi, kamu tetap harus paham dulu mengenai gerak lurus yang mengikuti Hukum Newton.

perbedaan dinamika partikel dan dinamika rotasi
Perbedaan gerak translasi dan gerak rotasi

Betul kan, dari gerak linear/translasi itu rumusnya sama. Kita hanya tinggal menggantinya dengan lambang untuk dinamika rotasi.

Momen Gaya

Momen gaya atau torsi adalah suatu kecenderungan suatu gaya untuk memutar benda tegar terhadap titik poros tertentu. Kalau bahasa simpelnya sih torsi ini merupakan suatu besaran yang dapat memutarkan benda. Lambang dari torsi adalah τ (tau).

Torsi ini pertama kali diperkenalkan ke dunia sains oleh seorang teknisi bernama J. Thomson, namun konsep torsi sebenarnya sudah ada jauh semenjak konsep tuas ditemukan oleh Archimedes. Kalau tuas, kamu tentu udah mempelajarinya ya waktu SD, seperti jungkat-jungkit dan gunting kuku.

Kita ambil contoh pintu. Ketika kamu ingin membuka pintu, kamu hanya perlu memutar engsel, dan tadaaa kemudian pintu terbuka. Maka agar bisa bekerja, torsi dipengaruhi oleh engsel pintu sebagai titik tumpunya, gaya yang bekerja yaitu kamu atau orang yang membuka pintu, dan lengan (jarak terhadap titik tumpu).

Contoh momen gaya atau torsi
Ilustrasi momen gaya/torsi pada saat membuka pintu (sumber gambar: video animasi Zenius)

Nah, jadi besar kecilnya torsi dipengaruhi oleh poros/titik tumpu, gaya, dan jarak/lengan. Torsi merupakan perkalian antara gaya dan jarak. Kalau dituliskan rumusnya akan menjadi seperti berikut ini:

τ = F.r

Keterangan:

τ : momen torsi (Nm)

F : gaya (N)

r : jarak gaya terhadap poros (m)

Oh iya, guys. Torsi juga ternyata memiliki arah lho. Kalau arahnya berlawanan dengan jarum jam, berarti nilainya positif. Sedangkan, kalau searah jarum jam, maka bernilai negatif. Torsi juga akan bekerja maksimal ketika gaya yang diberikan tegak lurus, yang berarti 90 derajat. Tapi, kalau gayanya tidak tegak lurus itu bagaimana? Tentunya akan lebih sulit, rumusnya pun akan berbeda. Bisa dilihat pada ilustrasi berikut ini.

Torsi pada dinamika rotasi
Ilustrasi torsi ketika gaya yang diberikan tidak tegak lurus/miring (sumber gambar: video materi Zenius)

Dari ilustrasi di atas, maka rumus torsinya seperti ini:

τ = F.sin θ.r

Keterangan:

τ : momen torsi (Nm)

F : gaya (N)

r : jarak gaya terhadap poros (m)

θ : sudut antara r dan F (rad/s)

Momen Inersia

Sebelumnya kita udah tau nih kalau inersia adalah derajat kelembaman. Kalau inersianya besar, maka benda akan susah diputar. Sebaliknya, kalau inersianya kecil, maka benda akan mudah untuk diputar. Inersia ini punya dua jenis lho, guys. Ada inersia benda titik/partikel dan benda tegar.

Untuk momen inersia untuk benda titik bisa dirumuskan sbb:

I = m.R

Keterangan:

I : momen inersia (kgm2)

m : massa benda (kg)

R : jari-jari (m)

Sedangkan untuk momen inersia benda tegar, rumusnya disesuaikan tergantung dengan benda yang akan dihitung. Benda tegar yang dimaksud itu seperti apa? contohnya adalah silinder berongga, seperti jam dan batang. Kamu bisa lihat rumus-rumusnya seperti ini:

Momen inersia pada benda tagar dinamika rotasi
Momen inersia pada benda tegar

Nah, setelah kamu mengetahui bentuk dari benda tegar yang akan dihitung momen inersianya, kamu bisa langsung memasukkan rumusnya.

Momentum Sudut

Apa sih yang dimaksud dengan momentum sudut? Momentum sudut atau L merupakan hasil perkalian antara momen inersia dengan kecepatan sudut benda. Dirumuskan sbb:

L = I ω

Keterangan:

L : momentum sudut (kgm²/s)

I : momen inersia (kgm²)

ω : kecepatan sudut benda (rad/s)

Energi Kinetik Dinamika Rotasi

Energi kinetik ada dua bagian lho, guys. Ada energi kinetik translasi dan rotasi.

Gerak Translasi

Gerak translasi adalah suatu gerak yang arahnya lurus atau melengkung. Gerak ini udah sering kita pelajari sebelumnya. Jadi, pastinya udah gak bingung lagi ‘kan? Contohnya pada gerak translasi itu apa sih? Misalnya ada balok dengan massa M ditarik ke kanan dengan kecepatan V. Maka, rumus energi kinetik gerak translasi adalah sbb:

Ek = ½ m.v²

Keterangan:

Ek : energi kinetik (joule)

m : massa benda (kg)

v : kecepatan (m/s)

Gerak Rotasi

Gerak rotasi adalah suatu gerak yang arahnya mengalami perputaran terhadap poros tertentu. Nah, gerak ini dipengaruhi oleh torsi. Sebelumnya kita udah belajar juga tentang torsi. Contohnya gerak rotasi itu apa? Contohnya adalah bola yang berputar pada porosnya. Maka, rumus energi kinetik gerak rotasi adalah sbb:

Ek = ½ I.ω²

Keterangan:

Ek : energi kinetik (joule)

I : momen inersia (kgm²)

ω : kecepatan sudut (rad/s)

Contoh Soal Dinamika Rotasi dan Pembahasan

Sekarang kita lihat contoh soal dan pembahasan dinamika rotasi, yuk. Agar kamu lebih paham lagi dalam memahami materi ini.

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 1

Inersia untuk silinder pejal menggunakan rumus : I = ½mR².

Contoh soal dan pembahasan dinamika rotasi percepatan sudut

Soal 2

Sebuah bola pejal memiliki massa sebesar 10 kg. Jari-jari yang dimiliki oleh bola pejal tersebut adalah 1 m. Bola tersebut berputar pada porosnya dengan kecepatan sudut sebesar π rad/s. Tentukan energi kinetik dari bola pejal tersebut!

Pembahasan 2

Inersia untuk bola pejal menggunakan rumus: I = 2/5 mR².

contoh soal dan pembahasan energi kinetik dinamika rotasi

Belajar konsep udah, latihan soal juga udah. Berarti udah paham dong sama materi dinamika rotasi? Kalau kamu masih bingung, oh tenang aja, sangat tidak masalah kok. Gak usah pesimis begitu ah!

Kamu bisa langsung cek materi dinamika rotasi di sini buat belajar lagi dengan kakak tutor yang sangat keren. Setelah menonton video-video materi Zenius, kamu bakal makin cinta sama fisika. Semoga artikel di atas dapat bermanfaat untukmu ya. Have a nice day!

Baca Juga Artikel Materi Fisika Lainnya

Dinamika Partikel dan Hukum Newton

Usaha dan Energi

Gelombang Mekanik

Kamu juga bisa menonton pembahasan materi Fisika lainnya dari Youtube Channel Zenius di bawah ini, ya!

Bagikan artikel ini