Penurunan rumus momen inersia berbagai benda (lengkap dengan penjelasannya)

Daftar Isi

• Konsep rapat massa
• Sistem koordinat silinder dan sistem koordinat bola
• Sistem koordinat silinder
• Sistem koordinat bola
• Teorema sumbu sejajar
• Teorema sumbu tegak lurus
• Penurunan rumus momen inersia berbagai benda
• Batang silinder pejal
• Pelat tipis
• Silinder
• Bola
• Ekstra TIme
• Segitiga
• Kerucut

Gambar 1. Momen inersia berbagai benda

Saat mempelajari materi dinamika rotasi, tentu kalian pernah melihat gambar di atas ,Tapi pernahkah kalian berpikir asal dari persamaan-persamaan di atas? Berdasarkan hasil literasi dari berbagai sumber yang ada , Pada kesempatan kali ini saya akan mencoba melakukan penurunan rumus momen inersia untuk berbagai benda di atas sehingga ditemukan rumus-rumus dan angka di atas.

Penurunan rumus momen inersia untuk berbagai benda di atas, pada dasarnya menggunakan persamaan umum momen inersia yang sudah pernah saya bahas di metari dinamika rotasi untuk kelas 11 yakni

Persamaan di atas, merupakan persamaan dasar untuk semua jenis benda dengan massa yang terdistribusi kontinu, selain itu juga diperlukan konsep-konsep pendukung agar persamaan tersebut dapat menghasilkan rumus momen inersia untuk berbagai benda. Salah satu konsep matematis dasar yang perlu dipahami dalam menganalisis persoalan fisika adalah konsep perbandingan selain itu, Beberapa konsep lain khusus pembahasan ini yang menurut saya perlu dipahami antara lain

Konsep rapat massa

Konsep rapat massa yang saya maksudkan disini adalah kerapatan massa terhadap suatu besaran lain yakni rapat massa terhadap panjang (biasa disebut dengan satuan massa persatuan panjang). Ada tiga rapat massa yang perlu dipahami disini seperti yang ditunjukkan tabel berikut.

Konsep rapat massa ini digunakan untuk mensubstitusi nilai “dm” pada persamaan umum di atas, perhatikan juga jenis bendanya (1 dimensi, 2 dimensi, atau 3 dimenssi).

Sistem koordinat silinder dan sistem koordinat bola

Koordinat silinder dan koordinat bola sangat penting untuk dipahami, karna sebagian besar benda yang akan diturunkan rumus momen inersianya adalah benda-benda dengan bentuk silinder dan bola seperti: silinder pejal, silinder berongga, bola pejal, bola berongga dll. benda-benda tersebut akan lebih mudah dianalisis menggunakan sistem koordinat silinder dan sistem koordinat bola. Berikut gambar dan transformasi kedua sistem tersebut

Sistem koordinat silinder

Gambar 2. Koordinat silinder

Sistem koordinat bola

Gambar 3. Koordinat bola

Teorema sumbu sejajar

Teorema sumbu sejajar dapat digunakan untuk menentukan momen inersia suatu benda ketika sumbu porosnya tidak terletak pada pusat massa tetapi sejajar dengan sumbu poros melalui pusat massanya, teorema untuk sudah saya bahas di materi dinamika rotasi. Secara matematis dapat ditulis

Teorema sumbu tegak lurus

Teorema sumbu tegak lurus artinya sumbu poros yang tegak lurus sumbu melalui pusat massa yang tegak lurus penampang. Teorema ini memungkinkan menentukan momen inersia ketika sumbu porosnya tegak lurus penampang (sumbu z)dengan memanfaatkan momen inersia untuk poros tegak lurus lainnya (terhadap sumbu x dan sumbu y). Perhatikan gambar berikut

Gambar 4. Teorema sumbu tegak lurus

I_z = ∫ r² dm
I_z = ∫ (x² + y²) dm
I_z = ∫ x² dm + ∫ y² dm

Penurunan rumus momen inersia berbagai benda

Berikut penurunan rumus momen inersia berbagai benda

Batang silinder pejal

Poros melalui titik pusat massanya

Perhatikan gambar berikut, untuk mempermudah menurunkan rumusnya

Batang yang bermassa m dan memiliki panjang L dengan pusat massa berada di titik O (berada di sumbu y), tampak seperti gambar di atas. Tentukan terlebih dahulu elemen massanya (kotak warna kuning) yang memiliki ukuran dx dan berjarak x dari pusat massanya.
dm = λ dx
r = x
dengan batas integrasi
x : - ½ L sampai ½ L
sehingga

Poros melalui salah satu ujung

Perhatikan kembali gambar di atas, jika sumbu poros di geser ke tepi (sumbu y’) maka kita dapat menggunakan teorema sumbu sejajar untuk menemukan momen inersianya, dimana sumbu poros bergeser sejauh ½ L
I = I_pm + md²
I = 1/12 mL² + m( ½L)²
I = 1/12 mL² + ¼ mL²
I = 1/12 mL² + 3/12 mL²
I = 4/12 mL²
I = 1/3 mL² (terbukti)

Pelat tipis

Poros sepanjang tepi (salah satu sisinya)

Perhatikan gambar berikut

Plat tipis yang bermassa m dan memiliki panjang dan lebar berturut-turut adalah b dan a. Jika pelat tersebut diputar dengan poros sejajar salah satu sisi (b) melewati titik pusat massanya (p), maka untuk menentukan momen inersianya pertama-tama kita tentukan terlebih dahulu elemen massa dm yang memiliki panjang b dan lebar dy terletak sejauh y dari poros yang tampak seperti gambar di atas. Sehingga dapat kita tulis dm = λ dy
r = y
dengan batas integrasi
y : - ½ a sampai ½ a
sehingga

Dengan cara yang sama kita dapat menentukan momen inersia ketika porosnya sejajar dengan sisi a dan melewati titik pusat massanya yakni sebesar

Poros di pusat massanya dan tegak lurus bidang

Momen inersia pelat dengan sumbu poros di pusat massanya dan tegak lurus lurus bidang dapat ditentukan dengan menggunakan teorema sumbu tegak lurus

Berdasarkan gambar di atas, maka dapat kita ketahui bahwa momen inersia pada sumbu y sama dengan momen inersia pada pers (1) dan momen inersia pada sumbu x sama dengan momen inersia pada pers (2) sehingga dapat kita tuliskan
I_z = I_x + I_y
I_z = 1/12 mb² + 1/12 ma²
I_z = 1/12 m (a² + b²) (terbukti)

Poros sepanjang tepi (salah satu sisinya)

Momen inersia pelat sepanjang tepi salah satu sisinya dapat ditentukan dengan menggunakan teorema sumbu sejajar, dimana poros sejajar dan bergeser sejauh ½ a dari poros dipusat massanya (pers. 2), maka dapat kita tuliskan
I = I_pm + md²
I = 1/12 ma² + m( ½a)²
I = 1/12 ma² + ¼ ma²
I = 1/12 ma² + 3/12 ma²
I = 4/12 ma²
I = 1/3 ma² (terbukti)

Silinder

Silinder berongga

Sebuah silinder yang bermassa m dan panjang L memiliki lubang di tengah-tengahnya dengan jari-jari seperti tampak pada gambar a. jika silinder tersebut berotasi dengan sumbu poros melalui pusat massanya, maka momen inersianya dapat ditentukan sebagai berikut dm = ρ dV
dm = ρ r dr dθ dz (sistem koordinat silinder)
dengan batas integrasi
r : R₁ sampai R₂
θ : 0 sampai 2π
z : 0 sampai L

Sehingga

Silinder pejal

Momen inersia silinder pejal dapat ditentukan ketika nilai R₁ pada persamaan (3) sama dengan nol dan R₂ sama dengan R (jari-jari silinder), sehingga dapat ditulis

Silinder tipis berongga

Momen inersia silinder tipis berongga dapat ditentukan ketika nilai R₁ = R₂ = R, silinder hanya memiliki kulit tipis. Maka persamaan (3) dapat ditulis.

Bola

Bola pejal dengan poros melalui pusat massa

Momen inersia bola pejal dengan poros melalui pusat massa, dapat ditentukan dengan menggunakan sistem koordinat bola sehingga elemen massanya dapat ditulis sebagai berikut
dm = ρ dV
dm = ρ r² sin θ dr dθ dϕ (koordinat bola)
r = r sin θ
dengan batas integrasi
r : 0 sampai R
θ : 0 sampai π
ϕ : 0 sampai 2π
Sehingga

Bola pejal dengan poros di tepi

Momen inersia bola pejal dengan poros di tepi dapat ditentukan dengan teorema sumbu sejajar dengan poros bergeser sejauh R dari poros pusat massanya, sehingga
I = Ipm + md²
I = 2/5 mR² + m(R)²
I = 2/5 mR² + mR²
I = 7/5 mR² (terbukti)

Bola tipis berongga

Momen inersia bola tipis berongga yang dimaksudkan disini adalah sebuah bola yang terlapisi oleh sebuah kulit tipis (seperti bola pingpong), maka dalam menentukan nilai elemen massa (dm) tidak menggunakan volume akan tetapi luas permukaan bola.
dm = σ r² sin θ dθ dϕ dA
r = r sin θ
dengan batas integrasi
θ : 0 sampai π
ϕ : 0 sampai 2π
sehingga

Ekstra TIme

Segitiga

Sebuah segitiga sama sisi yang memiliki panjang sisi sebesar a diputar dengan poros berada pada satu sisi, tampak seperti gambar berikut

Elemen massa diambil lebar dy dan berjarak y dari sumbu poros. Karena nilai p berubah untuk setiap perubahan y maka, nilai p dapat ditentukan dengan persamaan

dm = σ dA (dA = p dy)
dm = σ p dy
r = y
dengan batas integrasi
y : 0 sampai h
sehingga

Kerucut

Tentukan momen inersia sebuah kerucut yang memiliki tinggi h sama dengan jari-jari alasnya r (h=r) yang diputar dengan sumbu poros z tampak seperti gambar berikut

Untuk menentukan momen inersia kerucut di atas, pertama-tama perlu diketahui bahwa kerucut tersebut terbentuk dengan menarik luasan alas (lingkaran) dari z = 0 sampai z = h. Setiap perubahan h jari-jarinya juga berubah dari r = 0 sampai r = h, sehingga dapat dikatakan batas untuk jari-jari tersebut adalah dari r = 0 sampai r = z. Selain itu, kita harus menggunakan sistem koordinat silinder untuk menentukan elemen massanya yang dapat dituliskan dm = ρ r dr dθ dz
r = r
dengan batas integrasi
r : 0 sampai z
θ : 0 sampai 2π
z : 0 sampai h
sehingga

Demikian penurunan rumus momen inersia untuk berbagai benda, semoga dapat menambah pengetahuan para pembaca dan tidak membingungkan. Jika ada kritik dan saran bisa tinggalkan komentarnya di bawah.Agar pemahamannya lebih lengkap perlu diketahui Materi ini hanya sebagian dari materi fisika dinamika rotasi 

baca juga : 
materi fisika kelas 11 : fluida statis
latihan soal fisika kelas 11 materi dinamika rotasi lengkap dengan pembahasannya
konsep fisika : pembiasan cahaya pada permukaan lengkung
konsep fisika : gerak parabola pada bidang miring

Kupas tuntas! materi dinamika rotasi (fisika kelas 11)

Gambar 1. Atlet judo ketika membanting lawannya

Seorang atlet judo ketika akan membanting lawannya, ia akan berusaha menempatkan titik pusat massa lawannya sedekat mungkin dengan pusat massa dirinya untuk mengurangi torsi yang disebabkan oleh lawannya tersebut, sehingga hanya torsi dirinya sendiri yang bekerja pada saat membanting. Berbicara tentang gerak rotasi (gerak melingkar) pada dasarnya mirip dengan gerak translasi (gerak lurus) baik secara teknik analisis atau persamaan-persamaan matematisnya. Pada dasarnya gerak rotasi merupakan gerak lurus yang ditarik ke suatu titik secara terus menerus sehingga lintasannya menjadi melingkar. Gaya yang menarik tersebut disebut dengan gaya sentripetal.

Ternyata begini ! Pembiasan cahaya pada permukaan lengkung

gambar 1. pembiasan pada butiran air

Tetesan air pada dasarnya merupakan bentuk dari lensa cembung yang mana ketika seberkas cahaya melewatinya akan terjadi pembiasan. Pembiasaan cahaya merupakan fenomena yang terjadi ketika seberkas cahaya melalui dua medium yang berbeda kerapatannya (indeks bias). Ketika cahaya melewati dua medium yang berbeda indeks biasnya maka cahaya tersebut akan mengalami pembelokan , jika cahaya datang dari medium lebih rapat ke medium yang kurang rapat maka cahaya akan dibiaskan menjauhi garis normal, begitu pula sebaliknya jika cahaya datang dari medium kurang rapat ke medium lebih rapat maka cahaya akan di biaskan mendekati garis normal. Salah satu akibat dari pembiasan cahaya adalah danau atau kolam yang airnya jernih akan tampak lebih dangkal, peristiwa ini sudah pernah saya bahas sebelumnya disini.
Pada kesempatan kali ini, saya akan membahas tentang pembiasan cahaya pada permukaan lengkung, sedikit berbeda dengan pembiasan cahaya pada lensa tipis yang sering kita jumpai pada soal-soal ulangan harian atau ujian nasional yang tidak memperhitungkan jari-jari kelengkungan bidang, pembiasan cahaya pada permukaan lengkung ini juga memperhatikan jari-jari kelengkungan bidang. Perhatikan gambar diagram pembiasan cahaya pada permukaan lengkung berikut ini.

Persamaan umum

Gambar 2. Diagram pembiasan cahaya pada permukaan lengkung

Sebuah benda berada di titik B diletakkan di depan sebuah lensa cekung. Seberkas sinar datang digambarkan menuju titik P yang kemudian dibiaskan hingga berpotongan dengan sumbu di titik B’ (pada proses ini berlaku hukum snellius tentang pembiasan), sehingga, kita dapat mengetahui
B = benda
B’ = bayangan
S = jarak benda
S’ = jarak bayangan
C = pusat kelengkungan
R = jari-jari
Dengan konsep trigonometri dapat kita tuliskan

Untuk sudut yang kecil (<< 10⁰) (sinar paraksial/sinar yang dekat dengan sumbu utama), berlaku tan α ≈ α, tan β ≈ β, tan γ ≈ γ, dan d =0. Maka dapat ditulis

Hukum Snellius
Berdasarkan hukum Snellius
n₁ sin i = n₂ sin r
untuk sudut yang kecil berlaku sin i ≈ i dan sin r ≈ r, maka hukum snellius dapat ditulis.
n₁ i = n₂ r
menentukan nilai sudut datang (i) dan sudut bias (r)

Perbesaran Bayangan

Untuk menentukan perbesaran bayangan benda pada permukaan lengkung, perhatikan gambar berikut

Gambar 2. Proses pembentukan bayangan pada pembiasan cahaya di permukaan lengkung

Sebuah benda setinggi h diletakkan sejauh s dari sebuah lensa tebal yang memiliki jari-jari R, sehingga terbentuk bayangan benda setinggi h’ dan terletak sejauh s’ seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas. Berdasarkan gambar di atas kita dapat mengetahui bahwa

Untuk sudut yang kecil berlaku tan i ≈ sin i dan tan r ≈ sin r sehingga persamaan di atas dapat ditulis

Maka perbesaran benda dapat ditentukan dengan persamaan

Contoh soal

Contoh soal 1

Seekor ikan terletak di dalam sebuah akuarium berbentuk bola dengan jari-jari 50 cm. (n_air= 4/3) seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini.

Tentukan letak bayangannya jika
a. ikan yang dilihat pengamat P !
b. pengamat yang dilihat ikan !

pembahasan:

a. orang melihat ikan berarti sinar datang dari ikan R = - 50 cm (sinar datang menuju bagian cekung) sehingga
n₁ = n_air = 4/3
n₂ = n_udara = 1
S = + 20 cm
Maka

Jadi bayangan terletak 16,67 cm dari dinding akuarium (tanda negatif berati bayangan yang terbentuk bersifat maya atau di depan dinding bagian cekung atau berada dalam daerah yang sama dengan sinar datang)
b. Ikan melihat pengamat berarti sinar datang dari udara menuju air R = + 50 cm (sinar datang menuju bagian cembung)sehingga
n₁ = n_udara = 1
n₂ = n_air = 4/3
S = + 100 cm
Maka

Jadi bayangan pengamat yang dilihat ikan terletak sejauh 400 cm dari dinding akuarium (tanda negatif berati bayangan yang terbentuk bersifat maya atau di depan dinding bagian cekung atau berada dalam daerah yang sama dengan sinar datang)

Contoh soal 2
Sebuah balok gelas (n = 1,5) salah satu ujungnya cekung dengan jari-jari 18 cm. sebuah benda tegak berada 24 cm dari permukaan lengkungan itu pada sumbu balok seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini.

Tentukan letak balok dan perbesaran bayangannya!

pembahasan:

sinar datang dari kaca ke udara sehingga R = + 18 cm (sinar datang menuju bagian cembung)
n₁ = n_kaca = 1,5
n₂ = n_udara = 1
s = 24 cm
menentukan letak bayangan

menentukan perbesaran benda

jadi bayangan yang terbentuk terletak 11,08 cm dari dinding gelas kaca (tanda negatif berati bayangan yang terbentuk bersifat maya atau di depan dinding bagian cekung atau berada dalam daerah yang sama dengan sinar datang) dan mengalami perbesaran sebesar 0,69 kali

Contoh soal 3
Tentukan jarak fokus suatu permukaan lengkung yang berjari-jari 15 cm (n = 1,5)!

pembahasan:

Soal di atas dapat diilustrasikan sebagai berikut!

sinar-sinar istimewa pada lensa yang salah satunya adalah “sinar yang datang menuju fokus akan dibiaskan sejajar sumbu utama
jika benda diletakkan tepat di titik fokus maka bayangan benda akan berada di jauh tak hingga dengan sinar datang dari udara menuju benda, sehingga dapat diketahui
R = + 15 cm (sinar datang menuju bagian cembung)
n₁ = n_udara = 1
n₂ = n_kaca = 1,5
maka fokus permukaan lengkung tersebut dapat ditentukan dengan persamaan

Jadi fokus permukaan lengkung tersebut adalah 30 cm
Konsep !

Penting !
Ketika mengerjakan soal seperti ini perlu diperhatikan dua hal yakni:
1. arah sinar datang dan sinar bias untuk menentukan n₁ dan n₂
2. letak sinar datang untuk menentukan nilai jari-jari (R) bernilai positif atau negatif

baca juga : 
materi fisika tingkat SMA
latihan soal fisika tingkat SMA
soal UN Fisika SMA tahun 2018 dan pembahasannya
soal UN Fisika SMA tahun 2019 dan pembahasannya