Teman KOCO, kamu pernah tidak melihat penjual bakso pikul yang sering keliling di sekitar rumah? Tentu berat panci besar (dandang) bakso dan rak isi bakso harus seimbang agar bisa dipikul penjual bakso dengan mudah dan tidak merasa berat sebelah. Coba bayangkan bila berat setiap benda yang dipikul beratnya berbeda, apa yang akan terjadi dengan penjual bakso? Yap, ia akan kesusahan membawanya dan membuat pundaknya menjadi sakit. Keseimbangan pada penjual bakso pikul ini ternyata menggunakan prinsip keseimbangan benda tegar lho, Teman KOCO! Mau tau lebih lanjut tentang keseimbangan pada benda tegar ini? Yuk, simak langsung penjelasannya!

Pengertian Benda Tegar

Bukan berarti bendanya tegar dalam menghadapi cobaan lho, Teman KOCO hehe… Jadi, benda tegar adalah suatu benda yang bentuknya tidak akan berubah meskipun diberikan gaya luar pada benda tersebut. Dalam sistem partikel, benda dianggap sebagai suatu titik materi yang ukurannya dapat diabaikan. Maka dari itu, semua gaya pada benda yang bekerja pada benda tersebut hanya dianggap bekerja pada titik materi yang menyebabkan terjadinya gerak translasi (∑F = 0). Benda tegar dapat dalam kondisi yang seimbang jika momentumnya bernilai nol. Jadi, jika pada awalnya benda dalam kondisi diam, maka berikutnya benda tersebut akan cenderung untuk terus diam.

Syarat Benda Tegar

Pada benda tegar tidak hanya berlaku keseimbangan translasi saja, namun juga keseimbangan rotasi. Selain itu secara umum, suatu benda tegar atau partikel yang berada dalam keadaan seimbang jika memenuhi syarat sebagai berikut:

• Total gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol (∑F = 0)
• Total momen gaya (torsi) yang bekerja pada benda juga sama dengan nol (∑ τ = 0)

Jenis Keseimbangan Benda Tegar

Perlu kamu ketahui, keseimbangan benda tegar terbagi menjadi tiga jenis berdasarkan kemampuannya untuk kembali ke posisi semula, di antaranya yaitu:

Stabil (mantap)

Jenis keseimbangan benda tegar yang pertama adalah keseimbangan stabil atau mantap, dimana suatu benda mampu untuk kembali ke posisi awal ketika diberi gangguan. Jadi, saat benda diberikan gangguan, maka benda tersebut akan berubah posisi (pusat gravitasi O naik). Namun, setelah gangguan dihilangkan, benda akan kembali ke posisi semula (gambar a).

Labil (goyah)

Berbeda dengan keseimbangan stabil, pada keseimbangan labil atau goyah benda tidak akan bisa kembali ke posisi semula ketika gangguannya dihilangkan. Gangguan tersebut dapat membuat posisi benda berubah (pusat gravitasi O turun). Hal ini membuat benda tidak kembali atau menjauhi posisi awal saat gangguan tersebut dihilangkan (gambar b).

Netral (Indiferen/sembarang)

Selanjutnya yaitu keseimbangan netral yang bisa terjadi jika benda mendapatkan gangguan saat berada di pusat gravitas O yang tidak naik maupun turun. Namun, benda berapa di posisi baru atau berbeda dengan awal (gambar c).

Jika sebuah benda yang berada dalam keseimbangan stabil dipengaruhi oleh gaya luar, maka benda tersebut dapat mengalami gerak translasi (menggeser) atau gerak rotasi (mengguling). Syarat-syarat suatu benda agar dapat bergerak menggeser atau mengguling adalah sebagai berikut.

1. Bergeser → ∑ F ≠ 0, ∑ τ = 0
2. Berguling → ∑ F = 0 dan ∑ τ ≠ 0
3. Bergeser dan berguling → ∑ F ≠ 0 dan ∑ τ ≠ 0

Momen kopel

Dalam keseimbangan benda tegar, kamu juga harus mengenal tentang momen kopel. Jadi, kopel adalah pasangan gaya yang sama besar namun mempunyai arah yang berlawanan. Kopel yang bekerja pada sebuah benda akan menghasilkan momen kopel yang dilambangkan dengan M sebagai hasil perkalian antara gaya dan jarak kedua gaya tersebut. Secara sistematis, momen kopel dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:

• M = Momen kopel (Nm)
• F = Gaya (N)
• d = Panjang lengan gaya (m)

Momen kopel merupakan besaran vektor yang memiliki besar dan arah. Saat menghitung besar momen kopel, kamu harus memperhatikan kecenderungan berputarnya benda tersebut. Untuk itu, dibuatlah perjanjian tanda momen kopel berikut:

• Momen kopel bernilai negatif jika benda berputar searah putaran jarum jam.
• Momen kopel bernilai positif jika benda berputar berlawanan arah putaran jarum jam.

Jika ada beberapa kopel bekerja pada sebuah benda yang sama, maka resultan momen kopelnya merupakan jumlah dari masing-masing momen kopelnya.

Keseimbangan Tiga Gaya

Pada benda tegar, kamu akan menemui tiga buah gaya yang bekerja dalam satu titik partikel dengan keadaan seimbang. Biasanya, resultan dua buah gaya akan sama besar dan berlawanan arah dengan gaya lainnya. Selain itu, hasil bagi setiap besar gaya dengan sudut sinus seberangnya selalu mempunyai nilai yang sama. Rumus yang harus kamu gunakan jika ingin mencari perbandingan dari ketiga gaya ini yaitu:

Titik berat

Sebuah benda terdiri atas partikel-partikel atau bagian yang masing-masing mempunyai berat. Resultan dari semua berat itu disebut dengan berat benda. Resultan ini bekerja melalui suatu titik tunggal (titik tangkap) yang disebut titik berat (pusat gravitasi).

Pada umumnya, benda yang ukurannya tidak terlalu besar, titik beratnya akan berhimpit dengan pusat massanya. Titik pusat massa adalah titik yang mewakili posisi benda jika dianggap sebagai suatu titik materi.

Koordinat titik berat (w) dapat ditentukan dengan rumusan berikut.

Untuk benda-benda homogen seragam (massa jenisnya sama), maka berlaku persamaan rumus berikut:

Garis (berdimensi satu)

Jika benda homogen yang berbentuk garis, kamu bisa menggunakan rumus dan titik berat berikut ini:

Keterangan:

• x₁ = Absis 1 garis pertama
• L₁ = Panjang garis pertama (m)
• x₂ = Absis 2 garis kedua
• L₂ = Panjang garis kedua (m)
• y₁ = Ordinat 1 garis pertama
• y₂ = Ordinat 2 garis kedua

Bidang (berdimensi dua)

Selanjutnya, jika benda homogen berbentuk bidang atau dua dimensi, maka berlaku persamaan rumus berikut ini:

Keterangan:

x₁ = Absis 1 luas benda pertama
A₁ = Luas bidang pertama (m)
x₂ = Absis 2 luas benda kedua
A₂ = Luas bidang kedua (m)
y₁ = Ordinat 1 luas benda pertama
y₂ = Ordinat 2 luas benda kedua

Volume (berdimensi tiga)

Terakhir, benda homogen juga bisa dalam bentuk tiga dimensi. Jika kamu menjumpai benda seperti ini maka kamu bisa menggunakan rumus berikut ini untuk menghitungnya:

Keterangan:

x₁ = Absis 1 volume benda pertama
V₁ = Volume bangun ruang pertama (m)
x₂ = Absis 2 volume benda kedua
V₂ = Volume bangun ruang kedua (m)
y₁ = Ordinat 1 volume benda pertama
y₂ = Ordinat 2 volume benda kedua

Penerapan Konsep Kesetimbangan Benda Tegar

Konsep kesetimbangan benda tegar dapat kamu temui dengan mudah dalam kehidupan sehari-hari, misalnya seperti:

• Pemikul buah
• Ayunan yang diam
• Layar LCD gantung
• Lampu lalu lintas
• Jembatan gantung/lengkung/kantiveler

Contoh soal

1.  Diketahui sebuah batang homogen XY memiliki panjang 80 cm dengan berat 18N. Diujung batang tersebut diberi beban seberat 30 N. Untuk menahan batang, sebuah tali diikat antara ujung Y dengan titik Z. Jika diketahui jarak YZ adalah 60 cm, maka berapakah tegangan pada tali?

Jawaban:

2. Pada sebuah sistem kesetimbangan seperti berikut, tentukan besar gaya F agar sistem berada dalam keadaan setimbang!

Jawaban:

3. Pada sebuah sistem katrol sebagaimana pada gambar, berat benda A dan E masing-masing 100 N dan 10 N. Jika tali horizontal AC dan tali AB sejajar bidang serta bidang miring dan katrol licin, hitunglah berat D agar sistem berada dalam kondisi setimbang!

Jawaban:

Bagaimana, Teman KOCO? Sudah mulai paham kan dengan materi kali ini? Jangan lupa, pelajari juga materi tentang dinamika rotasi agar pengetahuan kamu makin luas!

Kamu juga bisa mendownload rangkuman materi gratis atau bertanya langsung dengan guru menggunakan KOCO Star.   

Yuk, dapatkan semua aksesnya dengan klik banner di bawah ini!