12 Persamaan & Perbedaan Gaya Gesek Statis Dan Kinetis + Teladan Soal Dan Pembahasan
Suatu benda yang berada di atas bidang tidak jatuh ke bumi disebabkan lantaran adanya gaya normal. Namun, ada gaya lain yang bekerja pada benda yang bergerak dan menimbulkan berhenti. Gaya ini yakni gaya gesek atau gesekan. Bagaimanakah gaya gesek ini bekerja?
Gesekan mungkin bukan istilah gres bagi kalian. Gesekan terjadi kalau ada dua benda yang bersinggungan satu sama lain. Dalam fisika, ukiran disebut juga gaya gesek yaitu gaya yang diakibatkan dua benda bersinggungan. Jika pada sebuah benda bekerja gaya tertentu sehingga benda bergerak, maka arah gaya gesek berlawanan dengan arah gerak benda.
Gaya gesek disimbolkan dengan abjad f (friction). Gaya gesek bekerja pada garis singgung kedua benda. Misalkan, sebuah benda yang terletak pada suatu bidang dikenai gaya sebesar F. Diagram gaya-gaya yang bekerja pada benda tersebut sanggup kalian lihat pada gambar di bawah ini.
Salah satu faktor yang mempengaruhi besar gaya gesek yakni tingkat kekasaran bidang atau permukaan yang saling bersentuhan. Semakin garang bidang yang bersinggungan, semakin besar pula gaya geseknya. Sebaliknya, semakin licin permukaan yang bersinggungan, semakin kecil pula gaya geseknya.
Macam-Macam Gaya Gesekan
Menurut Leonhard Euler, dilihat dari gerakannya, gaya gesek dibagi menjadi dua macam, yaitu gaya gesek statis dan gaya gesek kinetis.
1. Gaya Gesek Statis
Menurut Hukum I Newton, pada benda yang diam, resultan gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol. Berdasarkan aturan ini, ketika kita mendorong meja tetapi meja tersebut masih diam, tentunya ada gaya lain yang melawan gaya dorong yang kalian berikan. Gaya tersebut yakni gaya gesek antara kaki-kaki meja dengan lantai.
Gaya gesek tersebut bekerja pada meja yang diam, sehingga disebut gaya gesek statis (fs). Jadi, gaya gesek statis adalah gaya gesek yang bekerja pada benda yang diam. Kalian telah mengetahui bahwa besarnya gaya gesek tergantung pada kekasaran permukaan benda dan bidang yang bersentuhan.
Tingkat kekasaran ini dinyatakan dengan koefisien gesekan. Untuk benda diam, koefisien ukiran disebut koefisien ukiran statis, disimbolkan μs. Selain tingkat kekasaran permukaan benda, besarnya gaya gesek dipengaruhi oleh besar gaya normal (N) yang diberikan bidang pada benda.
Berdasarkan hasil eksperimen untuk memilih kekerabatan gaya normal dan ukiran statis, ternyata besarnya gaya gesek berbanding lurus dengan gaya normal. Dari hasil ekperimen tersebut, diperoleh grafik fungsi gaya gesek statis maksimum (fs maks) terhadap gaya normal menyerupai yang ditunjukkan pada gambar berikut.
Berdasarkan grafik tersebut, gradien atau kemiringan grafik mengatakan koefisien ukiran statis. Gradien grafik sanggup kita cari dengan persamaan berikut ini.
Gradien = tan α
Gradien garis mengatakan μs, sehingga:
μs = tan α
μs | = | fs maks |
N |
Atau sanggup dituliskan sebagai berikut.
fs maks = μsN
Keterangan:
fs maks = gaya gesek statis maksimum (N)
μs = koefisien ukiran statis
N = gaya normal (N)
Contoh Soal Gaya Gesek Statis
Sebuah buku bermassa 300 g diletakkan di atas meja. Jika buku diberi gaya luar sebesar 0,5 N dan koefisien ukiran statis antara buku dengan permukaan meja 0,2; berapakah gaya gesek statis maksimum yang terjadi antara buku dengan permukaan meja, dan apakah buku sanggup bergerak? (g = 10 m/s2).
Penyelesaian:
Diketahui:
m = 300 g = 0,3 kg
F = 0,5 N
g = 10 m/s2
μs = 0,2
Ditanyakan: fs maks
Jawab:
Untuk mempermudah dalam pengerjaan soal, kita gambarkan objek beserta diagram gayanya menyerupai yang diilustrasikan pada gambar berikut ini.
Berdasarkan Hukum II Newton, maka resultan gaya yang bekerja pada sumbu-Y yakni sebagai berikut.
ΣFY = ma
Karena buku tidak bergerak dalam arah vertikal maka a = 0 sehingga:
ΣFY = 0
N – w = 0
N = w
N = mg ……………...… Pers. (a)
Untuk mencari gaya gesek statis, kita sanggup memakai persamaan:
fs maks = μsN ………… Pers. (b)
masukkan nilai N pada persamaan (a) ke persamaan (b) sehingga diperoleh:
fs maks = μsmg
fs maks = 0,2 × 0,3 × 10
fs maks = 0,6 N
Jadi, besarnya fs maks yakni 0,6 N. Karena fs maks > F, maka buku tidak bergerak alias diam.
2. Gaya Gesek Kinetis
Ketika kalian menendang bola di atas tanah, bola akan menggelinding dengan kecepatan tertentu. Tetapi, semakin usang kecepatan bola akan semakin berkurang dan alhasil berhenti. Bola sanggup bergerak diakibatkan gaya dari tendangan.
Namun, ketika sedang bergerak, ada gaya yang menghambat gerak bola dan mengurangi kecepatannya. Gaya yang menimbulkan kecepatan bola semakin berkurang disebut gaya gesek kinetis. Jadi, gaya gesek kinetis adalah gaya gesek yang bekerja pada benda yang bergerak.
Sama menyerupai gaya gesek statis, besar gaya gesek kinetis juga bergantung pada gaya normal dan tingkat kekasaran permukaan benda dan bidang yang bersinggungan (koefisien gesekan). Koefisien ukiran pada benda yang bergerak disebut koefisien ukiran kinetis yang disimbolkan dengan μk.
Hubungan antara gaya gesek, koefisien ukiran kinetis, dan gaya normal diberikan dalam persamaan berikut ini.
fk = μkN
Keterangan:
fk = gaya gesek kinetik (N)
μk = koefisien ukiran kinetik
N = gaya normal (N)
Berdasarkan hasil eksperimen, koefisien gesek statis lebih besar dari koefisien ukiran kinetis. Tabel berikut menunjukkan pola nilai koefisien ukiran statis dan koefisien ukiran kinetis dari pelbagai bidang yang bersentuhan.
Tabel Koefisien Gesekan Permukaan Beberapa Benda
Permukaan | μs | μk |
Persendian lengan manusia | 0,01 | 0,01 |
Es pada es | 0,10 | 0,03 |
Logam pada logam yang sudah dilumasi | 0,15 | 0,07 |
Kayu pada kayu | 0,40 | 0,20 |
Seng pada besi tuang | 0,85 | 0,21 |
Baja pada baja | 0,74 | 0,57 |
Karet pada beton kering | 1,00 | 0,80 |
Sumber: Sears & Zemansky, hal. 37 | ||
Jika gaya F bekerja pada suatu benda maka ada tiga kemungkinan, yaitu benda diam, benda sempurna akan bergerak, dan benda bergerak dengan percepatan konstan.
□ Benda membisu kalau F < fs maks.
□ Benda sempurna akan bergerak kalau F = fs maks = μsN.
□ Benda bergerak dengan percepatan konstan, kalau F – fk = ma.
Contoh Soal Gaya Gesek Kinetis
Seorang siswa mendorong balok kayu yang beratnya 40 N di atas lantai. Koefisien ukiran statik antara balok dengan lantai (μs) yakni 0,5 dan koefisien gesek kinetik (μk) 0,3. Tentukan:
■ Besar gaya yang diberikan siswa tersebut semoga balok sempurna akan bergerak.
■ Gaya gesek balok dengan lantai pada ketika balok diam.
■ Gaya yang diberikan siswa, kalau balok bergerak dengan percepatan 2,5 m/s2 dan percepatan gravitasi 10 m/s2
Penyelesaian:
Diketahui:
w = 40 N
μs = 0,5
μk = 0,3
Ditanyakan:
a) F semoga benda sempurna akan bergerak
b) fs dan fk
c) F kalau a = 0,5 m/s2
Jawab:
Gaya-gaya yang bekerja pada balok tersebut sanggup digambarkan sebagai berikut.
Dari gambar diagram gaya yang bekerja pada balok di atas, maka kita ketahui bahwa gaya normal sama dengan gaya berat balok.
N = w = 40 N
■ Agar balok sempurna akan bergerak maka:
F = fs maks
F = μsN
F = (0,5)(40)
F = 20 N
Jadi, gaya yang harus diberikan semoga balok sempurna akan bergerak yakni 20 Newton.
■ Pada ketika balok diam, gaya gesek yang bekerja yakni gaya gesek statis, yaitu sebesar 20 N.
■ Pada ketika bergerak, gaya gesek yang bekerja yakni gaya gesek kinetis.
fk = μkN
fk = (0,3)(40)
fk = 12 N
Dengan demikian, gaya total yang bekerja pada balok ditentukan dengan memakai persamaan Hukum II Newton, yaitu sebagai berikut.
ΣFx = ma
F – fk = ma
F = ma + fk
F = (w/g)a + fk
F = (40/10)(2,5) + 12
F = (4)(2,5) + 12
F = 10 + 12
F = 22 N
Jadi, gaya yang diberikan siswa pada balok yakni 22 Newton.
Persamaan dan Perbedaan Gaya Gesek Statis dan Kinetis
Dari penjelasan-penjelasan di atas, maka sanggup kita identifikasi beberapa persamaan dan perbedaan karakteristik atau ciri antara gaya gesek statis dan kinetis, menyerupai yang dicantumkan dalam tabel berikut ini.
Tabel Persamaan Gaya Gesek Statis dan Kinetis
Persamaan | Gaya Gesek Statis | Gaya Gesek Kinetis |
Menghambat gerak benda | √ | √ |
Berlawanan arah dengan gerak benda | √ | √ |
Bergantung pada tingkat kekasaran permukaan | √ | √ |
Berbanding lurus dengan gaya normal | √ | √ |
Dipengaruhi berat benda | √ | √ |
Tidak dipengaruhi luas permukaan benda | √ | √ |
Tabel Perbedaan Gaya Gesek Statis dan Kinetis
Gaya Gesek Statis | Gaya Gesek Kinetis |
Bekerja pada benda yang membisu atau sempurna akan bergerak (hampir bergerak) | Bekerja pada benda yang bergerak |
Rumus: fs = μsN | Rumus: fk = μkN |
Berbanding lurus dengan koefisien gesek statis (μs) | Berbanding lurus dengan koefisien gesek kinetis (μk) |
Nilai koefisien ukiran lebih besar | Nilai koefisien ukiran lebih kecil |
Nilainya selalu berubah bergantung pada gaya F yang bekerja pada suatu benda | Nilainya selalu tetap tidak bergantung pada kecepatan dan percepatan benda (baik GLB maupun GLBB) |
Nilai maksimum dicapai ketika benda sempurna akan bergerak | Tidak ada nilai maksimum |