Gaya Gesek Statis & Kinetis: Pengertian, Rumus, Contoh, Perbedaan, Soal Dan Pembahasan Lengkap
Apabila kita mendorong sebuah almari besar dengan gaya yang kecil, maka almari tersebut sanggup dipastikan tidak akan bergerak (bergeser). Lalu kalau kita menggelindingkan sebuah bola di lapangan rumput, maka sehabis menempuh jarak tertentu bola tersebut niscaya berhenti. Mengapa ha-hal tersebut sanggup terjadi? Almari susah digerakkan dengan gaya kecil dan bola yang menggelinding di lapangan rumput sanggup berhenti itu lantaran imbas gaya gesek.
Apa itu gaya gesek?
Gaya gesek yaitu gaya yang terjadi ketika dua permukaan benda saling bersentuhan atau bersinggungan. Gaya gesek disimbolkan dengan abjad f (friction). Jika pada sebuah benda bekerja gaya tertentu sehingga benda bergerak, maka arah gaya gesek selalu berlawanan dengan arah gerak benda. Untuk lebih jelasnya, perhatikan diagram gaya yang bekerja pada benda berikut ini.
Dari gambar di atas, F yaitu gaya yang menarik balok dan mengakibatkan balok bergerak ke kanan, sedangkan f yaitu gaya gesek yang arahnya berlawanan dengan gaya F dan gerak benda. Jadi, keberadaan gaya gesek ini akan menghambat laju benda yang bergerak sehingga menjadi berhenti pada suatu tempat.
Dari klarifikasi tersebut tentunya kalian telah paham bahwa kalau kita mendorong almari yang besar dan almari tersebut tidak bergerak itu lantaran pada penggalan dasar almari dan lantai bekerja gaya gesek yang arahnya berlawanan dengan arah gaya dorong kita.
Sedangkan bola yang mula-mula bergerak di lapangan rumput kemudian berhenti, itu lantaran antara permukaan bola dan rumput timbul gaya gesek yang arahnya berlawanan dengan gerak bola sehingga usang kelamaan mengakibatkan bola menjadi berhenti atau diam.
Besarnya gaya gesek yang bekerja pada suatu benda dipengaruhi oleh dua faktor yaitu sebagai berikut.
■ Tingkat kekasaran permukaan benda yang bersinggungan
Bidang yang agresif mempunyai gaya goresan lebih besar daripada bidang yang licin. Kasar dan licinnya bidang dinyatakan dengan suatu angka yang disebut koefisien gesek (μ). Bidang agresif mempunyai koefisien gesek yang besar, sedangkan bidang yang licin tepat mempunyai koefisien goresan sama dengan nol. Dengan demikian, rentang nilai koefisien gaya gesek yaitu sebagai berikut.
0 ≤ μ ≤ 1 ………. Pers. (1) |
Menurut kalian, besar mana nilai μ antara almari dengan lantai dan bola dengan lapangan rumput?
■ Gaya normal
Gaya goresan berbanding lurus dengan gaya normal (N). Sehingga rumus atau persamaan gaya gesek ditulis sebagai berikut.
f = μN ………. Pers. (2) |
Dengan f dinyatakan dalam Newton. Persamaan (2) di atas menunjukkan bahwa gaya gesek tidak dipengaruhi oleh luas permukaan kedua bidang yang bersinggungan atau bersentuhan.
Gaya gesek statis vs gaya gesek kinetis
Menurut Leonhard Euler, dilihat dari gerakannya, gaya gesek dibagi menjadi dua macam, yaitu gaya gesek statis dan gaya gesek kinetis. Lalu tahukah kalian apa yang dimaksud dengan gaya gesek statik dan kinetik tersebut?
1. Gaya Gesek Statis
Gaya gesek statis yaitu gaya gesek yang bekerja pada benda yang membisu atau hampir bergerak. Jika gaya gesek bekerja pada benda yang membisu maka disebut gaya gesek statis (fs) sedangkan apabila gaya gesek bekerja pada benda yang tepat akan bergerak, maka disebut gaya gesek statis maksimum (fsmaks).
Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, besarnya gaya gesek bergantung pada kekasaran permukaan benda dan bidang yang bersentuhan. Tingkat kekasaran ini dinyatakan dengan koefisien gesekan. Untuk benda diam, koefisien goresan disebut koefisien goresan statis, disimbolkan dengan μs. Selain tingkat kekasaran permukaan benda, besarnya gaya gesek statis juga dipengaruhi oleh besarnya gaya normal (N) yang diberikan bidang pada benda.
Hukum I Newton menyatakan bahwa: “jika resultan gaya yang bekerja pada sebuah benda sama dengan 0 (nol) maka benda yang membisu akan terus membisu dan benda yang bergerak akan cenderung bergerak”. Berdasarkan Hukum Newton tersebut, selama benda masih membisu berarti resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut yaitu nol.
Dengan demikian, selama benda masih diam, gaya gesek statis selalu sama dengan gaya yang bekerja pada benda tersebut. Secara matematis, rumus gaya gesek statis dinyatakan sebagai berikut.
fs = μsN ………. Pers. (3) |
Keterangan:
fs = gaya gesek statis (N)
μs = koefisien gesek statis
2. Gaya Gesek Kinetis
Ketika kalian menendang bola di atas tanah, bola akan menggelinding dengan kecepatan tertentu. Tetapi, semakin usang kecepatan bola semakin berkurang dan kesudahannya berhenti. Bola sanggup bergerak diakibatkan gaya dari tendangan (gaya dorong). Namun, ketika sedang bergerak, ada gaya yang menghambat gerak bola dan mengurangi kecepatannya. Gaya yang mengakibatkan kecepatan bola semakin berkurang disebut gaya gesek kinetis.
Jadi, gaya gesek kinetis yaitu gaya gesek yang bekerja pada benda yang bergerak. Gaya gesek kinetis dilambangkan dengan fk. Gaya ini termasuk gaya dissipatif, yaitu gaya dengan perjuangan yang dilakukan akan bermetamorfosis kalor (panas). Hubungan antara gaya gesek, koefisien gesek kinetis (μk), dan gaya normal diberikan dalam persamaan berikut ini.
fk = μkN ………. Pers. (4) |
Keterangan:
fk = gaya gesek kinetik (N)
μk = koefisien gesek kinetik
Berdasarkan hasil eksperimen, koefisien gesek statis lebih besar dari koefisien goresan kinetis. Tabel berikut menunjukkan pola nilai koefisien goresan statis dan koefisien goresan 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 | ||
Perbedaan Gaya Gesek Statis dan Kinetis
Dari penjelasan-penjelasan di atas, maka sanggup kita identifikasi beberapa perbedaan karakteristik atau ciri antara gaya gesek statis dan kinetis, yaitu sebagai berikut.
Gaya Gesek Statis | Gaya Gesek Kinetis |
Bekerja pada benda yang membisu atau tepat akan bergerak (hampir bergerak) | Bekerja pada benda yang bergerak |
Rumus: fs = μsN | Rumus: fk = μkN |
Nilai koefisien goresan lebih besar | Nilai koefisien goresan 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 tepat akan bergerak | Tidak ada nilai maksimum |
Dari tabel perbedaan antara gaya gesek statis dan gaya gesek kinetis di atas, kita ketahui bahwa bahwa koefisien goresan kinetik selalu lebih kecil daripada koefisien goresan statis ( μk > μs). Itulah sebabnya mengapa kita perlu mengerahkan gaya yang lebih besar ketika mendorong benda dari keadaan membisu dibandingkan dengan ketika benda sudah bergerak.
Selain itu, besarnya gaya yang harus kita kerahkan bergantung pada keadaan dua permukaan bidang yang bergesekan. Hal ini disebabkan besarnya koefisien goresan bergantung pada sifat alamiah kedua benda yang bergesekan, di antaranya kering atau basahnya dan agresif atau halusnya permukaan benda yang bergesekan.
Sebagai contoh, ketika kita mendorong sepeda motor atau kendaraan beroda empat yang diam, mula-mula terasa sangat berat. Namun ketika sepeda motor atau kendaraan beroda empat mulai bergerak, maka kita mencicipi sepeda motor atau kendaraan beroda empat tersebut tidak seberat ketika sedang diam. Fenomen inilah yang menunjukkan mengapa gaya gesek statis selalu lebih besar dari gaya gesek kinetisnya.
Hubungan gaya gesek statis, kinetis dan gerak benda
Jika gaya F bekerja pada suatu benda maka ada empat kemungkinan, yaitu benda diam, benda tepat akan bergerak, dan benda bergerak dengan kecepatan tetap/konstan, dan benda bergerak dengan percepatan konstan. Hubungan antara gaya luar F, gaya gesek f dan gerak benda disajikan dalam tabel berikut ini.
Gaya Luar vs Gaya Gesek | Keadaan Benda | |
Jika F < fs maka f = F | Benda membisu (berlaku Hukum I Newton) | |
Jika F = fs maka f = fs maks | Benda tepat akan bergerak (berlaku Hukum I Newton) | |
Jika F > fs maka f = fk | Benda bergerak | |
● | Jika F = fk maka benda mengalami GLB dan berlaku Hukum I Newton (ΣF = 0) | |
● | Jika F > fk maka benda mengalami GLBB dan berlaku Hukum II Newton (F – fk = ma) | |
Contoh soal gaya gesek statis dan kinetis
1. Sebuah buku bermassa 300 g diletakkan di atas meja. Jika buku diberi gaya luar sebesar 0,5 N dan koefisien goresan 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 yaitu 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 yaitu 0,6 N. Karena fs maks > F, maka buku tidak bergerak alias diam.
2. Seorang siswa mendorong balok kayu yang beratnya 40 N di atas lantai. Koefisien goresan statik antara balok dengan lantai (μs) yaitu 0,5 dan koefisien gesek kinetik (μk) 0,3. Tentukan:
■ Besar gaya yang diberikan siswa tersebut biar balok tepat 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 biar benda tepat 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 tepat akan bergerak maka:
F = fs maks
F = μsN
F = (0,5)(40)
F = 20 N
Jadi, gaya yang harus diberikan biar balok tepat akan bergerak yaitu 20 Newton.
■ Pada ketika balok diam, gaya gesek yang bekerja yaitu gaya gesek statis, yaitu sebesar 20 N.
■ Pada ketika bergerak, gaya gesek yang bekerja yaitu 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 yaitu 22 Newton.