FISIKA 2

DINAMIKA ROTASI DAN KESEIMBANGAN BENDA TEGAR

Contoh Soal dan Pembahasan tentang Keseimbangan Benda Tegar, Materi Fisika kelas 2 (11) SMA. Contoh mencakup kesetimbangan translasi, kesetimbangan rotasi pada soal-soal yang umum dibahas di bangku SMA dengan analisa penguraian gaya dan penggunaan rumus torsi (momen gaya).

Rumus-Rumus Minimal :

Momen gaya

τ = Fd

Keterangan :
F = gaya (Newton)
d = jarak (yang tegak lurus) gaya ke poros (meter)
τ = momen gaya atau torsi (Nm)

Penguraian Gaya
Fx = F cos θ
Fy = F sin θ
Keterangan :
θ = sudut antara gaya F terhadap sumbu X

Syarat Keseimbangan Translasi
Σ Fx = 0
Σ Fy = 0

Syarat Keseimbangan Translasi dan Rotasi
Σ Fx = 0
Σ Fy = 0
Σ τ = 0

Gaya Gesek
f = μ N
Keterangan :
f = gaya gesek (N)
μ = koefisien gesekan
N = Normal Force (N)

Gaya Berat
W = mg
Keterangan :
W = berat benda (N)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi bumi (m/s2)

 



Soal No. 1
Kotak lampu digantung pada sebuah pohon dengan menggunakan tali, batang kayu dan engsel seperti terlihat pada gambar berikut ini:



Jika :
AC = 4 m
BC = 1 m
Massa batang AC = 50 kg
Massa kotak lampu = 20 kg
Percepatan gravitasi bumi g = 10 m/s2
Tentukan besarnya tegangan tali yang menghubungkan batang kayu dengan pohon!


Pembahasan 
Penguraian gaya-gaya dengan mengabaikan gaya-gaya di titik A (karena akan dijadikan poros) :



Syarat seimbang Σ τA = 0



Soal No. 2
Seorang anak memanjat tali dan berhenti pada posisi seperti diperlihatkan gambar berikut!



Tentukan besar tegangan-tegangan tali yang menahan anak tersebut jika massa anak adalah 50 kg!

Pembahasan 
Penguraian gaya-gaya dari peristiwa di atas seperti berikut:



Syarat seimbang Σ Fx = 0, Σ Fy = 0


(Persamaan 1)


(Persamaan 2)

Dari persamaan 2 dan 1 didapatkan :



Soal No. 3
Seorang anak bermassa 50 kg berdiri diatas tong 50 kg diatas sebuah papan kayu bermassa 200 kg yang bertumpu pada tonggak A dan C.



Jika jarak anak dari titik A adalah 1 meter dan panjang papan kayu AC adalah 4 m, tentukan :
a) Gaya yang dialami tonggak A
b) Gaya yang dialami tonggak C

Pembahasan 
Berikut ilustrasi gambar penguraian gaya-gaya dari soal di atas :



WB = Wanak + Wtong = 1000 N

a) Mencari gaya yang dialami tonggak A, titik C jadikan poros



b) Mencari gaya yang dialami tonggak C, titik A jadikan poros



Soal No. 4
Seorang anak bermassa 100 kg berada diatas jembatan papan kayu bermassa 100 kg yang diletakkan di atas dua tonggak A dan C tanpa dipaku. Sebuah tong berisi air bermassa total 50 kg diletakkan di titik B.



Jika jarak AB = 2 m, BC = 3 m dan AD = 8 m, berapa jarak terjauh anak dapat melangkah dari titik C agar papan kayu tidak terbalik?

Pembahasan 
Ilustrasi gaya-gaya :



Titik C jadikan poros, saat papan tepat akan terbalik NA = 0



Soal No. 5 
Sebuah tangga seberat 500 N di letakkan pada dinding selasar sebuah hotel seperti gambar di bawah ini!



Jika dinding selasar licin, lantai diujung lain tangga kasar dan tangga tepat akan tergelincir, tentukan koefisien gesekan antara lantai dan tangga!

Pembahasan 
Cara pertama :

μ = 1/[2tan θ] = 1/[2(8/6)] = 6/ [2(8)] = 3/8

Cara kedua :

Ilustrasi gaya- gaya pada soal di atas dan jarak-jarak yang diperlukan :




Urutan yang paling mudah jika dimulai dengan ΣFY kemudian ΣτB terakhir ΣFX. (Catatan : ΣτA tak perlu diikutkan!)

Jumlah gaya pada sumbu Y (garis vertikal) harus nol :



Jumlah torsi di B juga harus nol :



Jumlah gaya sumbu X (garis horizontal) juga nol :



Soal No. 6
Budi hendak menaikkan sebuah drum yang bermassa total 120 kg dengan sebuah katrol seperti terlihat pada gambar berikut.



Jari-jari drum adalah 40 cm dan tali katrol membentuk sudut 53° terhadap horizontal. Jika percepatan gravitasi bumi adalah 10 m/s2, tentukan gaya besar gaya yang diberikan Budi agar drum tepat akan terangkat!

Pembahasan
Sketsa soal di atas adalah sebagai berikut.



Gaya normal yang segaris dengan gaya berat w tidak diikutkan karena saat tepat drum akan terangkat nilai gaya normal adalah nol, juga gaya normal pada poros tidak diikutkan karena menghasilkan torsi sebesar nol.

Berikutnya adalah menentukan jarak gaya F ke poros dan gaya w ke poros.



Dari gambar terlihat jarak gaya F ke poros P adalah 2r.
df = 2r = 2× 40 cm = 80 cm

Jarak gaya w ke poros dapat ditentukan dengan memakai sudut yang diketahui.



dw = r cos 37°
dw = 40 cm × 0,8 = 32 cm

Terakhir, syarat kesetimbangan:
Σ τp = 0



Soal No. 7
Tiga buah beban m1, m2 dan m3 digantungkan dengan tali melalui dua katrol tetap yang licin (lihat gambar)

Bila sistem dalam keadaan seimbang dan m2 = 500 gram tentukan:
a) massa m1
b) massa m3

Pembahasan
Dengan rumus sinus




a) massa m1



b) massa m3



Soal No. 8
Perhatikan gambar!



Balok AB = 5 m, BZ = 1 m (Z = titik berat balok). Jika berat balok 100 N, maka berat beban C adalah...
A. 40 N
B. 60 N
C. 80 N
D. 90 N
E. 92 N
(Kesetimbangan - UAN Fisika 2002)

Pembahasan
Gaya-gaya yang bekerja pada balok AB ditunjukkan gambar berikut!



Dengan titik A sebagai poros,

 

Contoh soal kesetimbangan benda tegar dan pembahasan.

1. F1 = 10 N, F2 = 15 N dan F4 = 10 N, bekerja pada balok ABCD seperti pada gambar. Panjang balok ABCD adalah 20 meter. Tentukan F3 agar balok setimbang statis. Abaikan massa balok.
Pembahasan :

2. Kotak A (10 kg) dan B (20 kg) diletakkan di atas papan kayu. Panjang papan = 10 meter. Jika kotak B diletakkan 2 meter dari titik tumpuh, pada jarak berapa dari titik tumpuh kotak A harus diletakkan sehingga papan tidak berotasi ?   (g = 10 m/s2)

Pembahasan :

Langkah 1 : menggambarkan diagram gaya-gaya yang bekerja pada benda

Langkah 2 : menyelesaikan soal

Perhatikan diagram di atas. Gaya yang bekerja pada papan adalah gaya berat kotak B (wB), gaya berat kotak A (wA), gaya berat papan (w papan) dan gaya normal (N). Titik tumpuh merupakan sumbu rotasi. Gaya berat papan (w papan) dan gaya normal (N) berhimpit dengan titik tumpuh / sumbu rotasi sehingga lengan gayanya nol. w papan dan N tidak dimasukkan dalam perhitungan.

Torsi 1 = torsi yang dihasilkan oleh gaya berat kotak B (torsi bernilai positif)

Torsi 2 = torsi yang dihasilkan oleh gaya berat kotak A (torsi bernilai negatif)

Papan setimbang statis jika torsi total = 0.

Contoh Soal dan pembahasan Kesetimbangan Benda tegar, berikut adalah Contoh Soal Kesetimbangan benda tegar yang dapat anda gunakan untuk lebih mendalami materi yang terkait dengan kesetimbangan benda tegar.

1. Pada sebuah benda bekerja gaya 20 N seperti pada gambar. Jika titik tangkap gaya berjarak 25 cm dari titik P. Berapakah besar momen gaya terhadap titik P?  
   
2. Sebuah gaya F = (3i + 5j) N memeiliki lengan gaya r = (4i + 2j) m terhadap suatu titik poros. Vektor i dan j berturut-turut adalah vektor satuan yang searah dengan sumbu-x dan sumbu-y pada koordinat kartesian. Berapakah besar momen gaya yang dilakukan gaya F terhadap titik poros?  
   
3. Batang AC yang panjangnya 30 cm diberi gaya seperti terlihat pada gambar. Jika BC = 10 cm dan F1 = F2 = 20 N, berapakah momen gaya total terhadap titik A? 
4. Empat partikel dihubungkan dengan batang kayu yang ringan dan massanya diabaikan seperti pada gambar berikut. Jika jarak antarpartikel sama, yaitu 20 cm, berapakah momen inersia sistem partikel tersebut terhadap (a) poros PQ; (b). poros RS.  
   
5. Sebuah roda berputar dari kecepatan 10 rad/s menjadi 70 rad/s karena mendapat momen gaya tetap dalam waktu 3 sekon. Jika momen kelembaman roda 4 kg m², tentukanlah besar momen gaya tersebut. 
6. Sebuah bola pejal yang berdiameter 40 cm berotasi dengan poros yang melalui pusat bola. Persamaan kecepatan sudut bola adalah (5 + 20t) rad/s dengan t dalam sekon. Apabila massa bola 4 kg, tentukan momen gaya yang bekerja pada bola.
7.  Sebuah benda pejal bermassa M dan berjari-jari R, memiliki momen inersia I = kMR². Benda tersebut menggelinding pada suatu bidang miring dengan sudut kemiringan, seperti tampak pada gambar. Berapakah percepatan yang dialami benda pejal tersebut?  
   
8. Batang AC bermassa 40 kg dan panjangnya 3 m. Jarak tumpuan A dan B adalah 2 m (di B papan dapat berputar) seorang anak bermassa 25 kg berjalan dari A menuju C. Berapa jarak minimum anak dari titik C agar papan tetap setimbang (ujung batang A hampir terangkat)? 
   
9. Sistem terlihat pada gambar. Massa batang homogen AB  adalah 50 kg dan massa bebannya 150 kg. Ujung A diengselkan ke tembok, sedangkan beban dihubungkan ke ujung B dengan seutas tali melalui sebuah katrol. Massa tali dan gesekan pada katrol diabaikan, g = 10 m/s², dan sinθ  =7/16. hitunglah tegangan talinya.  
   
10. Soal nomer 10 bonus sehingga ada jawabannya :)  
11.  Perhatikanlah gambar di bawah ini!
 

Hitunglah T1 dan T2 dari susunan kesetimbangan di bawah ini.

1. Hitunglah Gaya T pada susunan kesetimbangan ini.


2. Seandainya benda-benda yang massanya mA = 20 kg dan mB = 50 kg disusun sedemikian hingga terjadi kesetimbangan, dengan tg  = 3/4
Hitunglah mC jika lantai pada bidang miring licin sempurna.
Hitunglah 2 kemungkinan jawab untuk mC jika bidang miring kasar dengan koefisien gesekan statis 0,3

3. Gaya 8 N, 6 N, 5 N, 3 N, 7 N, 9 N dan 4 N bekerja terhadap persegi panjang yang sisi-sisinya berukuran : 4 m x 2 m seperti terlihat pada gambar.
Tentukan jumlah aljabar momen gaya dengan pusat :
a. Titik A b. Titik B c. Titik C d. Titik O


4. Pada sebuah batang horisontal AC yang panjangnya 10 m bekerja tiga buah gaya 3 N, 2 N dan 4 N seperti terlihat pada gambar ! Tentukan :
a. Resultan dari gaya-gaya tersebut.
b. Momen gaya yang bekerja pada sumbu-sumbu yang melalui A, B dan C
c. Letak titik tangkap gaya Resultannya.

5. Batang AB yang panjangnya 5 meter dan beratnya boleh diabaikan, padanya bekerja 5 buah gaya seperti tampak pada gambar di bawah ini. Jika tg  = 3/4.
Tentukan besar dan letak dari gaya resultannya.


6. Batang AB yang mempunyai panjang 6 m mendapat gaya pada ujung-ujungnya seperti tampak pada gambar. Tentukan besar dan letak gaya resultannya.

7. Sebuah batang homogen AB panjangnya 6m dan massanya 40 kg ditahan pada kedua ujungnya. Dimana kita harus menempatkan beban 2000 N pada batang itu agar tekanan-tekanan di A dan B berbanding sebagai 2 : 1 . Berat batang dianggap bertitik tangkap di tengah-tengah batang.

8. Suatu batang AB yang homogen, massanya 30 kg, panjangnya 5 meter, menumpu pada lantai di A dan pada tembok vertikal di B. Jarak dari B ke lantai 3 meter; batang AB menyilang tegak Lurus garis potong antara lantai dan tembok vertikal. Berapa besarnya gaya K mendatar yang harus di berikan pada batang di A supaya batang tetap seimbang ? dan Hitung juga tekanan pada A dan B.

9. Suatu batang AB yang homogen, massanya 30 kg, panjangnya 6 meter, bersandar di atas tembok yang tingginya 3 meter ujung A dari batang menumpu pada lantai dan berjarak 4 meter dari tembok. Berapa besarnya gaya K mendatar yang harus diberikan pada batang di A supaya batang tetap seimbang ? dan Hitung juga gaya-gaya tekanan pada A dan C.

Gambar no. 13 Gambar no. 14
10. Pada sebuah balok kayu yang massanya 10 kg dikerjakan gaya K = 50 N yang mengarah kebawah dan garis kerjanya berimpit dengan garis kerja gaya berat balok itu. Tentukan letak dan besar gaya tekanan N ( gaya reaksi ) yang dilakukan bidang terhadap balok itu.
15. Pada sebuah balok kayu, massanya 20 kg, panjangnya 30 cm dikerjakan gaya K = 100 N ( lihat gambar ). Tentukan letak dan besar gaya tekanan N ( gaya reaksi ) yang dilakukan bidang terhadap balok itu. 

11. Sebuah papan berbentuk empat persegi panjang ABCD ( beratnya diabaikan ) dapat berputar pada bidangnya disekeliling titik A sebagai sendi, AB = 4 meter ; AD = 3 meter. Persegi panjang itu setimbang karena gaya-gaya yang bekerja pada bidang persegi panjang itu ialah : K1 = 30 N pada titik C dengan arah BC; K2 = 150 N pada titik D dengan arah sejajar AC ; K pada titik B dengan arah BD.
Hitunglah : a. Besar gaya K itu b. Besar dan arah gaya sendi.

12. Sebuah batang AB massanya 10 kg, panjangnya 6 meter. Ujung B diikat dengan tali dan ujung tali yang lain diikat di C pada sebuah tembok vertikal. Ujung A dari batang bertumpu pada tembok itu juga. Dalam sikap seimbang ini tali membuat sudut 300 dengan tembok. Tentukan : a. Gaya tegangan tali.
b. Tekanan tembok di A
c. Sudut yang dibuat batang dengan tembok.

13. Sebuah batang dengan berat 50 N seperti tampak pada gambar di bawah ini. Berapa besar tegangan dalam kabel pendukungnya dan berapa komponen dari gaya yang dikerjakan oleh engsel pada batang.





19. Sebuah batang lurus homogen AB ( massanya 10 kg ) di A dihubungkan pada tembok vertikal oleh sebuah sendi, sehingga batang AB dapat berputar pada bidang yang tegak lurus pada tembok. Tengah-tengah batang AB dihubungkan dengan tali pada tembok sedemikian sehingga tali tersebut tegak lurus pada tembok dan kencang. Batang tersebut membentuk sudut 600 dengan tembok ke atas. Pada ujung B dari batang digantungkan benda massanya 30 kg.
Tentukan : 
a. Diagram gaya-gaya
b. Gaya tegangan dalam tali
c. Besar dan arah gaya sendi.



20. Sebuah bidang miring AB ( panjangnya 40 meter ) bersendi pada kakinya yaitu titik A. Puncak B bidang condong dihubungkan oleh tali BC dengan tembok vertikal yang melalui A. Bidang miring ini bersudut 300 dengan horisontal dan tali BC arahnya mendatar. Pada bidang miring dan tembok vertikal bersandar sebuah bola jari-jarinya 5 meter dan massanya 10 kg. berat bidang miring diabaikan. 
Tentukanlah :
a. Gaya-gaya tekanan oleh bidang miring dan tembok pada bola 
b. Gaya tegangan dalam tali
c. Gaya sendi.