Kesetimbangan Benda Tegar: Prinsip, Rumus, Contoh Soal dan Pembahasannya

kesetimbangan benda tegar
Ilustrasi oleh dribbble,com

Kesetimbangan benda tegar adalah keadaan dimana momentum suatu benda bernilai nol, artinya jika benda awalnya diam, maka benda tersebut akan tetap diam.

Konsep ini berkaitan dengan Hukum I Newton yang menggunakan ΣF=0 dan Στ=0 (torsi).

Kesetimbangan terjadi bila benda memenuhi kondisi ΣF=0, maka benda dikatakan seimbang, sedangkan bila pada kondisi kesetimbangan  benda tegar berlaku syarat Στ=0 .

Benda tegar adalah benda yang memiliki bentuk tetap meskipun saat dikenai gaya. Benda tersebut bisa bergerak secara translasi atau rotasi, akan tetapi bentuknya tetap tidak berubah misalnya bola, meja, kursi dan sebagainya.

Syarat Kesetimbangan benda tegar

Syarat Keseimbangan benda tegar yang berlaku adalah syarat keseimbangan translasi dan rotasi. Dua syarat yang harus dipenuhi adalah

  1. Jumlah gaya yang bekerja sama dengan nol ΣF=0 
  2. Total  momen gaya (torsi) yang bekerja sama dengan nol Στ=0

Jenis-jenis kesetimbangan benda tegar

Berikut adalah tiga jenis keseimbangan benda tegar diantaranya:

1. Kesetimbangan Stabil

Keseimbangan stabil adalah kemampuan benda untuk kembali ke posisi semula saat diberi gangguan.

Contohnya kelerang yang diletakan di wajan, meskipun diberi  gangguan berupa goyang ke semua arah kelerang akan kembali ke posisi awal.

2. Kesetimbangan Labil

Keseimbangan labil adalah kondisi benda yang tidak bisa kembali ke posisi awal saat diberi gangguan.

Contohnya kelereng yang diletakan diatas wajan yang terbalik, kelereng akan mudah jatuh atau berpindah saat ada gangguan.

3. Kesetimbangan Netral (indeferen)

Keseimbangan netral terjadi jika benda diberi gangguan maka titik berat benda tidak akan mengalami perubahan.

Contohnya kelerang yang diletakan di lantai yang datar, apabila kelereng diberi gangguan maka titik beratnya tidak akan berubah karena letaknya selalu berada di pusat kelereng.

Baca juga:  Pameran Seni Rupa: Pengertian, Jenis, dan Tujuannya [LENGKAP]

Rumus Momen gaya

Momen gaya adalah besar gaya yang bekerja pada suatu benda ynag mengakibatkan benda berputar atau berotasi. Secara matematis ditunjukkan sebagai berikut.

τ =r F sinθ

Dimana, τ = torsi (Nm), r = jarak dari sumbu putar (m) dan θ = sudut antara r dan F

Momen Kopel

Momen Kopel adalah jumlah pasangan gaya yang besarnya sama, atau yang berlawanan arah. Gaya ini menyebabkan terjadinya momen kopel yang dinyatakan sebagai berikut

M = F x d

Dimana: M = momen kopel (Nm), F = gaya (N) dan d = panjang lengan gaya (m).

Apabila terdapat beberapa momen kopel yang bekerja pada suatu benda, maka

M = M1 + M2 + M3+ ….+Mn

Arahnya momen kopel negatif apabila searah jarum jam, sedangkan bernilai positif apabila berlawanan jarum jam.

Titik Berat

Setiap benda yang bermassa pasti memiliki titik berat baik benda homogen ataupun benda yang tidak homogeny. Titik berat benda adalah titik dimana berat keseluruhan benda terpusat pada titik tersebut.

Pada dasarnya, suatu benda terdiri dari banyak partikel yang memiliki titik berat sehingga gaya gravitasi terjadi pada setiap partikel penyusun tersebut.

  • Titik berat satu dimensi

Titik berat satu dimensi berbentuk garis seperti kawat memanjang. Secara matematis, rumus titik beratnya sebagai berikut.

Untuk bentuk benda tegar satu dimensi homogen, titik beratnya ditunjukan seperti tabel berikut.

titik berat
quipper.com
  • Titik berat dua dimensi (luas)

Rumus titik berat benda dua dimensi secara matematis ditunjukkan sebagai berikut.

Untuk benda berbentuk bidang atau luasan, titik beratnya ditampilkan sebagai tabel berikut.

idschool.net
  • Titik berat tiga dimensi (volume)

Rumus titik berat benda tiga dimensi secara matematis ditunjukkan sebagai berikut.

Tabel dibawah ini adalah beberapa titik berat benda berbentuk ruang.

edutafsi.com

Contoh soal dan pembahasan

1. Sebuah batang homogen AC dengan panjang 4 cm dan massanya 50 kg. Pada ujung C digantung beban yang massanya 20 kg. Batang ditahan oleh tali T sehingga sistem seimbang. Jika jarak BC= 1m, maka hitunglah tegangan tali T!

kesetimbangan benda tegar

Pembahasan:

Baca juga:  Minyak Bumi: Pengertian, Proses Pembentukan, Jenis, dan Contohnya

Apabila diuraikan gaya-gaya yang bekerja pada sistem batang diatas sebagai berikut

kesetimbangan benda tegar

Berlaku syarat kesetimbangan benda tegar yaitu

Jadi, tegangan yang bekerja pada tali adalah 1200 N.

2. Pada sistem kesetimbangan benda seperti pada gambar di samping, panjang AB = 80 cm, AC = 60 cm,  dan berat 18 N. Jika ujung batang digantungkan beban 3 N, maka  tegangan pada tali adalah …

Pembahasan:

Untuk menyelesaikan soal diatas, berlaku hukum kesetimbangan:

Στ = 0

T . Sin θ .r = Wbatang. r + Wbeban . r

T . 0,6 . 0,8 = 18 . 0,4 + 30 . 0,8

T . 0, 48 = 31,2

T = 65 N

Jadi, tegangan tali pada sistem tersebut adalah 65 N

3. Suatu sistem dirangkai seperti gambar di samping. Jika sistem dalam keadaan setimbang, maka besarnya gaya F adalah … .

kesetimbangan benda tegar

Pembahasan:

Dari sistem diatas, berlaku syarat kesetimbangan benda tegar, sehingga:

Jadi, gaya F yang bekerja sebesar 100 N.

4. Tentukan koordinat titik berat potongan karton homogen pada gambar berikut!

titik berat

Pembahasan:

Titik berat benda I dan II ditunjukkan sebagai berikut.

kesetimbangan benda

Persegi panjang I:

x1 = 0,5
y1 = 2,5
A1 = 1 × 5 = 5

Persegi panjang II:

x2 = 1 + 2 = 3
y2 = 0,5
A2 = 1 × 4 = 4

Sehingga:

Maka, koordinat titik berat benda diatas (x0,y0)=(1,6;1,6)

Demikian penjelasan mengenai rumus kesetimbangan benda tegar dan pengaplikasian dalam soal beserta pembahasannya. Semoga bermanfaat!

Referensi:

  • studiobelajar.com
  • rumuspintar.com
  • quipper.com
Lulusan Departemen Fisika Universitas Diponegoro. Senang belajar dan meneliti.