Konsep Fisika | Gaya tegang tali dan gaya kontak

Salah satu penerapan hukum Newton yang sering di bahas adalah terkait dengan gaya tegang tali dan gaya kontak pada benda. gaya tegang tali merupakan gaya pada tali saat tali tegang karena menarik benda atau di tarik dengan gaya tertentu sedangkan gaya kontak merupakan gaya normal ketika dua benda saling bersentuhan. Untuk menganalisis soal terkait dengan gaya tegang dan gaya kontak kita harus menggambarkan gaya – gaya yang bekerja pada sistem kemudian dapat menerapkan hukum I Newton untuk kondisi benda diam dan hukum II Newton untuk kondisi benda bergerak dengan percepatan tertentu

Benda dihubungkan Tali

Gaya tegang tali adalah gaya tegang yang bekerja pada ujung-ujung tali karena tali tersebut tegang. Gaya ini akan muncul ketika pada ujung-ujung tali tersebut diberikan sebuah gaya (bisa gaya tarik, gaya berat atau yang lainnya). Perhatikan contoh beberapa benda yang dihubungkan dengan tali berikut ini.

Penggambaran gaya tegang tali (T) dengan arah bolak – balik menunjukkan adanya pasangan gaya aksi – reaksi (hukum III Newton) antara tali dengan benda, penggunaannya bergantung pada tinjauan kita.

Analisis gambar 1

Gambar (1) menunjukkan benda D dalam posisi diam yang disebabkan adanya keseimbangan antara gaya tegang tali (berarah ke atas) dengan gaya berat (w_D) yang berarah ke bawah. Besar kedua gaya ini adalah sama tetapi berlawanan arah, sehingga berdasarkan hukum I Newton kita dapat menulis

ΣF = 0

T – w_D = 0

T = w_D

T = m_D . g

Analisis gambar 2

Gambar (2) menunjukkan sebuah sistem dimana tiga buah benda masing – masing benda A, benda B, dan benda C yang dihubungkan dengan tali dan ditarik dengan gaya sebesar F pada lantai licin sehingga sistem bergerak dengan percepatan a searah dengan arah gaya F.

Hal pertama yang perlu dipahami adalah sistem bergerak dengan percepatan a, yang artinya semua benda dalam sistem (A, B, dan C) bergerak dengan percepatan sama. oleh karena itu besar percepatan menjadi faktor yang sangat penting untuk menganalisis soal jenis ini. Untuk menentukan besar percepatan sistem kita dapat menggunakan hukum II Newton yakni

ΣF = m_tot . a

ΣF = (m_A + m_B + m_C) . a

Dengan mengetahui percepatan sistem, kita dapat menentukan besar tegangan tali pada masing – masing tali penghubung antar benda (T₁ dan T₂). Tapi sebelum itu perlu diperhatikan bahwa untuk menentukan besar tegangan tali ini, kita tetap menggunakan prinsip hukum II Newton dengan memperhatikan benda yang ditarik oleh tali yang ingin dicari besarnya. Perhatikan gambar berikut

Perhatikan gambar (1) di atas, gaya tegangan tali T₁ hanya digunakan untuk menarik benda A sehingga dengan hukum II Newton kita dapat menuliskan

ΣF = m_A . a

T₁ = mA . a (substitusikan nilai "a" pada persamaan di atas)

Gambar (2) menunjukkan bahwa tegangan tali T₂ digunakan untuk menarik benda A dan benda B. Maka dengan cara yang sama untuk mencari T₁, kita dapat menentukan nilai T₂ sebagai berikut

ΣF = (m_A + m_B) . a

T₂ = (m_A + m_B). a (substitusikan nilai "a" pada persamaan di atas)

Pengembangan dari soal jenis ini adalah adanya gaya gesek antara benda dengan lantai (pada contoh di atas, dianggap lantai licin sehingga tidak ada gaya gesek). Misalkan untuk sistem sama seperti di atas, akan tetapi terdapat gaya gesek kinetik (koefisien gesek kinetisk = μ) antara benda dengan lantai seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut

Perhatikan pada gambar di atas, arah gaya gesek berlawanan dengan arah gerak benda (benda bergerak ke kanan sedangkan arah gaya gesek ke kiri). Pada dasarnya untuk menganalisis soal tipe ini tidak jauh berbeda dengan yang sebelumnya (tanpa gaya gesek) dimana percepatan sistem menjadi faktor penting yang dapat ditentukan menggunakan hukum II Newton dan perhatikan benda yang ditarik oleh oleh tali untuk menentukan besar gaya tegang tali.

Gaya gesek akan mempengaruhi resultan gaya pada hukum II Newton sehingga mempengaruhi bentuk persamaan matematis yang dihasilkan. Besar gaya gesek sendiri dapat ditentukan dengan persamaan

f = μ N

f = μ mg

dengan mengetahui besar gaya gesek tersebut maka bentuk hukum II Newton untuk menentukan percepatan sistem akan menjadi

ΣF = m_tot . a

F – f_A – f_B - f_C = (m_A + m_B + m_C) . a

F – μ m_A g – μ m_B g - μ m_C g = (m_A + m_B + m_C) . a

F – μ g (m_A + m_B + m_C) = (m_A + m_B + m_C) . a

Untuk menentukan besar gaya tegang tali T₁ maka persamaannya menjadi

ΣF = m_A . a

T₁ – f_A = m_A . a 

T₁ – μ m_A g = m_A . a 

T₁ = m . a + μ m_A g

Sedangkan untuk mencari gaya tegang tali T2 persamaannya menjadi ΣF = (m_A + m_B) . a

T₂ – f_A – f_B = (m_A + m_B) . a 

T₂ – μ m_A g - μ m_B g = (m_A + m_B). a

T₂ - μg (m_A + m_B) = (m_A + m_B). A

T₂ = (m_A + m_B). a + μg (m_A + m_B)

Gaya kontak antar benda

Gaya kontak antar benda yang dimaksudkan disini adalah gaya normal dari satu benda ke benda lainnya pada permukaan yang saling bersentuhan. Perhatikan gambar berikut

Perhatikan gambar (1) di atas, gaya Normal akan muncul pada bagian antara benda A dan benda B yang saling bersentuhan. Gaya inilah yang kemudian disebut dengan gaya kontak benda A dan benda B. secara keseluruhan gaya – gaya yang bekerja pada sistem tersebut dapat digambarkan sebagai berikut

Berdasarkan gambar di atas terlihat pada benda B terdapat dua buah gaya vertikal yakni gaya berat dari benda B (w_B) yang berarah ke bawah dan gaya normal pada benda B karena benda A (N_BA) yang berarah ke atas sedangkan pada benda A terdapat tiga buah gaya vertikal yakni gaya berat benda A (w_A) yang berarah ke bawah, gaya normal benda A karena benda B (N_AB) yang berarah ke bawah dan gaya normal benda A karena lantai (N_Al) yang berarah ke atas. perlu dipahami disini bahwa gaya kontak pada sistem ada dua yakni gaya kontak antara benda A dan benda B yang merupakan gaya normal antara benda A dan benda B (N_AB dan N_BA) kedua gaya ini merupakan pasangan gaya aksi – reaksi sesuai dengan hukum III Newton dan gaya kontak antara benda A dengan lantai yang merupakan gaya normal pada benda A karena lantai (N_Al)). 

Penjelasan di atas menunjukkan bahwa gaya kontak merupakan gaya normal itu sendiri, sehingga untuk menentukan besar gaya kontak pada dasarnya sama dengan ketika menentukan besar gaya normal. Besar gaya normal ini bergantung pada posisi benda dan gaya – gaya pada benda tersebut, misalkan kita akan menentukan besar gaya kontak antara benda A dan benda B maka kita harus mencari besar gaya normal pada kedua benda tersebut. karena gaya normal ini bekerja pada dua benda maka kita dapat memilih salah satu benda saja untuk ditinjau yang sekiranya paling mudah. Berdasarkan hal tersebut untuk menentukan gaya kontak antara benda A dan benda B kita akan meninjau benda B, karena benda B dalam posisi diam maka berlaku hukum I Newton yakni

ΣF = 0

N_BA – w_B = 0

N_BA = w_B

Karena kedua gaya normal pada benda A dan benda B merupakan pasangan gaya aksi – reaksi maka besar kedua gaya normal ini sama (N_BA = N_AB). Sedangkan untuk menentukan gaya kontak antara benda A dengan lantai, kita dapat meninjau benda A dimana ada tiga gaya vertikal yang bekerja padanya dan benda A dalam posisi diam, sehingga berlaku hukum I Newton sebagai berikut

ΣF = 0

N_Al – w_A – N_AB = 0

N_Al = w_A + N_AB

N_Al = w_A + N_BA

N_Al = m_Ag + m_Bg

Jika kita perhatikan lebih jauh ternyata untuk benda bertumpuk seperti itu besar gaya kontak (gaya normal) sama dengan total gaya berat benda di atasnya.

Perhatikan kembali gambar (2) di atas, posisi benda berbeda dengan sebelumnya (horizontal) benda C dan benda D yang menempel pada posisi mendatar dan di dorong dengan gaya F mendatar ke arah kanan sehingga sistem bergerak ke kanan dengan percepatan sebesar a. gaya – gaya yang bekerja pada sistem dapat dilihati pada gambar berikut

Gaya kontak yang terjadi pada kedua benda merupakan gaya Normal pada bagian yang menempel seperti pada gambar di atas. Gaya normal pada benda C karena benda D (N_CD) berarah ke kiri 

sedangkan gaya normal pada benda D karena benda C (N_DC) berarah ke kanan hal ini sesuai dengan konsep bahwa gaya Normal merupakan gaya yang tegak lurus bidang. Menganalisis sistem ini sama halnya pada sistem sebelumnya (benda dihubungkan tali) yakni percepatan menjadi faktor yang penting sehingga kita harus menentukan terlebih dahulu besar percepatan sistem dengan menggunakan hukum II Newton sebagai berikut.

ΣF = m_tot . a

F = (m_C + m_D). a

Besar percepatan ini sama untuk semua benda dalam sistem (benda C dan benda D), sedangkan besar gaya kontak kedua benda dapat ditentukan dengan meninjau benda D, dimana pada benda D hanya berlaku satu gaya yakni gaya Normal benda D karena benda C (N_DC) dengan menggunakan hukum II Newton pada benda D maka kita dapat menuliskan persamaan sebagai berikut

ΣF = m_D . a

N_DC = m_D . a (substitusikan nilai percepatan dari persamaan di atas)

Jika pada sistem terdapat gaya gesek antara benda dengan lantai maka untuk menganalisisnya dapat dilakukan dengan cara yang sama seperti pada benda yang dihubungkan tali.

demikian pembahasan ringkas terkait dengan gaya tegang tali dan gaya kontak pada benda, semoga bisa memberikan pengetahuan baru bagi para pembaca dan jika ada pertanyaan, saran, atau kiritk bisa dituliskan di kolom komentar.

Konsep Fisika tentang Penerapan Hukum Newton :

Benda di dalam lift | Bidang Miring | Benda Terhubung Katrol