Dinamika Rotasi, Kesetimbangan Benda Tegar, dan Elastisitas
📋Capaian Pembelajaran
Dinamika rotasi, kesetimbangan benda tegar, dan elastisitas adalah konteks pendalaman (materi pilihan) dari hubungan gerak dan gaya di Fase F. Capaian Pembelajaran menyebut pemanfaatannya untuk desain atau rekayasa struktur: konstruksi atap, jembatan, alat-alat berporos, dan peredam kejut.
🎯Yang perlu kamu kuasai
- Menghitung momen gaya \( \tau = rF\sin\theta \) dan menentukan arahnya.
- Menggunakan momen inersia dan Hukum II Newton untuk rotasi \( \Sigma\tau = I\alpha \).
- Menganalisis katrol bermassa dan benda menggelinding.
- Menerapkan syarat kesetimbangan benda tegar dan menentukan titik berat.
- Menghitung tegangan, regangan, modulus Young, konstanta pegas, dan susunan pegas.
📚Materi
1. Momen gaya (torsi)
Kemampuan gaya memutar benda bergantung pada besar gaya, jarak titik kerja ke poros (lengan), dan sudutnya:
\( \theta \) adalah sudut antara lengan dan arah gaya. Hanya komponen gaya yang tegak lurus lengan yang memutar. Itulah sebabnya membuka mur lebih mudah dengan kunci yang panjang dan gaya yang tegak lurus kunci.
2. Momen inersia dan Hukum II Newton untuk rotasi
Momen inersia \( I \) adalah “kelembaman rotasi”, bergantung pada massa dan sebarannya terhadap poros. Untuk partikel, \( I = mr^2 \). Beberapa benda tegar (poros melalui pusat):
- Silinder pejal / katrol pejal: \( I = \tfrac12 MR^2 \); cincin tipis: \( I = MR^2 \).
- Bola pejal: \( I = \tfrac25 MR^2 \); bola berongga: \( I = \tfrac23 MR^2 \).
- Batang tipis, poros di tengah: \( I = \tfrac{1}{12} ML^2 \); poros di ujung: \( I = \tfrac13 ML^2 \).
Energi kinetik benda menggelinding adalah jumlah energi translasi dan rotasi: \( E_k = \tfrac12 Mv^2 + \tfrac12 I\omega^2 \). Benda dengan \( I \) lebih kecil (bola pejal) sampai di dasar bidang miring lebih dulu daripada benda dengan \( I \) lebih besar (cincin). Momentum sudut \( L = I\omega \) kekal jika tidak ada momen gaya luar — penari balet berputar makin cepat saat merapatkan tangan.
3. Kesetimbangan benda tegar
Benda tegar setimbang (diam) jika
Pilih poros di titik yang dilalui gaya yang tidak diketahui agar gaya itu hilang dari persamaan momen. Titik berat adalah titik tangkap resultan gaya berat; benda stabil jika garis kerja beratnya jatuh di dalam bidang tumpuan.
4. Elastisitas
Benda elastis kembali ke bentuk semula setelah gaya dihilangkan — selama tidak melewati batas elastis.
\( \sigma \) tegangan (N/m²), \( e \) regangan (tanpa satuan), \( E \) modulus Young — sifat bahan, bukan bentuknya.
Hukum Hooke: \( F = k \Delta x \) di dalam batas elastis.
- Pegas seri: \( \dfrac{1}{k_s} = \dfrac{1}{k_1} + \dfrac{1}{k_2} \) (lebih lunak).
- Pegas paralel: \( k_p = k_1 + k_2 \) (lebih kaku).
Penerapan
Kabel jembatan gantung, tulangan beton, dan per sepeda motor dipilih berdasarkan modulus Young dan batas elastisnya. Sebuah proyek sederhana: rancang rak buku dari kardus dan hitung beban maksimum dengan syarat kesetimbangan, lalu uji.
✏️Contoh soal
Ambil poros di A. Berat papan 200 N bekerja di tengah (2 m dari A); berat anak 400 N bekerja 3 m dari A.
📝Latihan
Kerjakan di kertas, lalu buka jawabannya.
1. Gaya 50 N bekerja di ujung kunci 30 cm dengan sudut 30° terhadap batang kunci. Berapa momen gayanya?
2. Katrol pejal 2 kg berjari-jari 10 cm dililit tali yang ditarik 6 N. Berapa percepatan sudut katrol?
3. Bola pejal dan silinder pejal bermassa dan berjari-jari sama menggelinding dari puncak bidang miring yang sama. Mana yang sampai lebih dulu? Jelaskan.
4. Kawat baja 2 m dengan luas penampang 1 mm² ditarik 200 N dan bertambah panjang 2 mm. Berapa modulus Young-nya?
5. Dua pegas identik 200 N/m disusun seri. Berapa pertambahan panjangnya jika diberi beban 10 N?
6. Mengapa penari yang merapatkan lengannya berputar makin cepat?
🎯Latihan TKA untuk topik ini
Soal-soal berikut dari latihan TKA Fisika SMA menguji materi di halaman ini. Kerjakan langsung di halaman soal, lalu buka pembahasannya.
- Paket 1 · Soal 11 PGK MCMA — Menganalisis percepatan, tegangan tali, dan momen gaya pada sistem katrol bermassa.
- Paket 2 · Soal 11 PG — Menentukan momen gaya pada kunci roda dengan gaya yang membentuk sudut terhadap lengan.