Definisi Dan Rumus Gaya Sentripetal, Pola Soal Dan Pembahasan
Tentunya kalian telah tahu bahwa dalam setiap gerak melingkar, baik gerak melingkar beraturan (GMB) maupun gerak melingkar berubah beraturan (GMBB) selalu ada yang namanya percepatan sentripetal. Percepatan sentripetal ini merupakan percepatan yang arahnya selalu menuju sentra bundar dan tidak mengakibatkan perubahan kecepatan linear pada gerak melingkar.
Menurut Hukum II Newton, sebuah benda yang mengalami percepatan harus mempunyai resultan gaya yang bekerja padanya. Dengan kata lain, yang mengakibatkan adanya sebuah percepatan pada gerak suatu benda yaitu gaya. Lalu yang menjadi pertanyaannya kini adalah, gaya apakah yang mengakibatkan adanya percepatan sentripetal pada benda yang bergerak melingkar?
Gaya yang mengakibatkan adanya percepatan sentripetal pada benda yang bergerak melingkar disebut dengan gaya sentripetal. Untuk sanggup memahami definisi, arah (gambar vektor), rumus gaya sentripetal serta pola soal dan pembahasannya, silahkan kalian simak secara seksama klarifikasi berikut ini.
Pengertian Gaya Sentripetal
Untuk sanggup memahami konsep ihwal gaya sentripetal, coba kalian amati gambar berikut ini.
Sebuah bandul bermassa m diikat dengan seutas tali kemudian diputar secara horizontal menyerupai yang diperlihatkan pada gambar di atas. Gaya-gaya yang bekerja pada bandul yaitu gaya berat w yang arahnya ke bawah dan juga gaya tegangan tali T yang arahnya menuju sentra bundar (tangan). Dari gambar diagram tersebut, sanggup saja bandul bergerak ke bawah alasannya yaitu imbas gaya berat w, akan tetapi kenapa bandul masih sanggup bergerak melingkar?
Selain gaya berat, pada bandul juga bekerja gaya tegangan tali yang bekerja dalam arah radial dan tegak lurus vektor kecepatan linear v. Gaya tegangan tali T inilah ternyata yang mengakibatkan bandul sanggup bergerak melingkar. Dengan kata lain, gaya tegangan tali berperan sebagai gaya sentripetal yang mengakibatkan timbulnya percepatan sentripetal.
Meskipun percepatan sentripetal tidak mengakibatkan perubahan besar kecepatan linier tetapi, percepatan ini mengakibatkan perubahan arah kecepatan linear di setiap titik lintasan lingkar. Karena arah kecepatan linear selalu berubah setiap saat, maka terjadilah gerak melingkar. Dengan demikian, sanggup disimpulkan definisi dari gaya sentripetal sebagai berikut.
Meskipun percepatan sentripetal tidak mengakibatkan perubahan besar kecepatan linier tetapi, percepatan ini mengakibatkan perubahan arah kecepatan linear di setiap titik lintasan lingkar. Karena arah kecepatan linear selalu berubah setiap saat, maka terjadilah gerak melingkar. Dengan demikian, sanggup disimpulkan definisi dari gaya sentripetal sebagai berikut.
Gaya sentripetal adalah gaya yang bekerja pada benda yang bergerak melingkar dengan arah selalu menuju sentra lingkaran. Gaya sentripetal berfungsi untuk mengubah arah gerak benda tanpa mengubah besar kecepatan linearnya. Tanpa adanya gaya sentripetal, maka suatu benda tidak akan sanggup bergerak melingkar. |
Dari definisi tersebut, sanggup kita ketahui bahwa suatu benda sanggup bergerak melingkar, alasannya yaitu pada benda bekerja gaya sentripetal menyerupai bandul yang diikat tali kemudian diputar. Ketika bandul berputar atau bergerak melingkar, tali dalam keadaan tegang sehingga timbullah gaya tegangan tali. Gaya tegangan tali inilah yang kemudian berperan sebagai gaya sentripetal.
Lalu bagaimana dengan gerak-gerak benda langit dalam sistem tata surya, menyerupai gerak Bulan mengitari Bumi? Gaya sentripetal apa yang mengakibatkan Bulan sanggup bergerak melingkar? Untuk menjawab pertanyaan ini, perhatikan gambar di bawah ini.
Berdasarkan Hukum Newton ihwal Gravitasi Universal, dikatakan bahwa dua benda yang mempunyai massa dan dipisahkan oleh jarak tertentu bekerja sebuah gaya tarik-menarik yang besarnya sebanding dengan massa benda-benda tersebut dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak pisah antara benda-benda tersebut. gaya ini disebut sebagai gaya gravitasi.
Gaya gravitasi inilah yang mengakibatkan Bulan sanggup bergerak melingkar mengelilingi Bumi. Dengan demikian, yang berperan sebagai gaya sentripetal pada gerak Bulan mengelilingi Bumi yaitu gaya gravitasi antara Bulan dan Bumi.
Catatan Penting:Istilah sentipetal berasal dari kata baha Latinm yaitu ”centrum” yang artinya sentra dan kata ”petere” yang artinya menuju arah. Kaprikornus sentripetal artinya menuju arah sentra lingkaran.
Rumus Gaya Sentripetal
Dari penjelasan-penjelasan mengenai pengertian gaya sentripetal di atas, ternyata gaya tegangan tali dan gaya gravitasi sanggup berfungsi sebagai gaya sentripetal. Dengan kata lain, istilah “gaya sentripetal” ini gotong royong bukan merupakan gaya fisis atau gaya dalam arti yang sebenarnya, melainkan hanya suatu penamaan atau penggolongan jenis-jenis gaya yang berfungsi menciptakan benda bergerak melingkar.
Gaya sentripetal bukanlah gaya yang bangun sendiri. Gaya ini intinya merupakan resultan gaya yang bekerja pada benda dengan arah radial. Berdasarkan Hukum II Newton, secara matematis rumus gaya sentripetal yaitu sebagai berikut.
ΣFs | = | mas | ………. Pers. (1) |
Karena as = v2/R = ω2R, maka persamaan (1) sanggup kita tulis sebagai berikut.
ΣFs | = | m | v2 | ………. Pers. (2) |
R |
Atau sanggup juga sanggup kita tulis sebagai berikut.
ΣFs | = | mω2R | ………. Pers. (3) |
Keterangan: | ||
Fs | = | Gaya sentripetal atau komponen gaya dalam arah radial (N) |
m | = | Massa benda (kg) |
as | = | Percepatan sentripetal (m/s2) |
v | = | Kecepatan linear (m/s) |
ω | = | Kecepatan sudut (rad/s) |
R | = | Jari-jari lintasan (m) |
Catatan Penting:Untuk memahami kenapa as = v2/R = ω2R, silahkan kalian pelajari artikel ihwal Rumus Hubungan Besaran Sudut dan Linear Gerak Melingkar Beserta Contoh Soal dan Pembahasan.
Contoh Soal Gaya Sentripetal dan Pembahasan
Agar kalian lebih paham mengenai konsep gaya sentripetal serta menerapkan rumusnya untuk menuntaskan duduk kasus fisika, simak beberapa pola soal ihwal gaya sentripetal beserta pembahasannya berikut ini.
Contoh Soal #1
Sebuah bola bermassa 2 kg diikatkan di ujung seutas tali dan kemudian diputar dalam bidang horizontal dengan kelajuan tetap 5 m/s menyerupai yang tampak pada gambar di bawah ini. Apabila jari-jari bundar 1 m, tentukan besar gaya tegangan talinya.
Jawab:
Diketahui: m = 2 kg, v = 5 m/s dan R = 1 m. Dengan persamaan (2) maka kita peroleh hasil sebagai berikut.
ΣFs = mv2/R
Gaya-gaya yang bekerja dalam arah radial hanya gaya tegangan tali T saja sehingga
T = mv2/R
T = (2 kg)(5 m/s)2/(1 m)
T = 50 N
Dengan demikian, besar gaya tegangan talinya yaitu 50 N.
Contoh Soal #1
Sebuah kendaraan beroda empat bermassa 1.000 kg melintasi suatu jembatan yang melengkung. Jari-jari kelengkungan jembatan 20 m dengan sentra berada di bawah jembatan. Tentukan besar gaya yang diberikan kendaraan beroda empat pada jembatan ketika kendaraan beroda empat berada di puncak jembatan kalau kelajuannya 36 km/jam.
Jawab:
Diketahui: m = 1000 kg, R = 20 m dan v = 36 km/jam = 10 m/s (gunakan metode konversi satuan). Gaya yang diberikan kendaraan beroda empat pada jembatan sama dengan gaya yang diberikan jembatan pada mobil, yakni gaya normal menyerupai yang diperlihatkan pada gambar di atas.
Selain gaya normal, pada kendaraan beroda empat bekerja gaya berat. Kedua gaya ini merupakan gaya sentripetal alasannya yaitu bekerja dalam arah radial (berhimpit dengan diameter lingkaran) dengan arah yang saling berlawanan. Dengan memakai persamaan (2), kita peroleh:
ΣFs = mv2/R
w – N = mv2/R
mg – N = mv2/R
N = mg – (mv2/R)
N = (1000 kg)(10 m/s2) – {(1000 kg)(10 m/s)2/(20 m)}
N = 10.000 N – 5.000 N
N = 5.000 N
Dengan demikian, besar gaya yang diberikan kendaraan beroda empat pada jembatan pada ketika kendaraan beroda empat berada di puncak jembatan yaitu 5.000 N.
Catatan Penting:Penentuan resultan gaya radial mengikuti perjanjian sebagai berikut. Gaya yang berarah ke sentra bundar diberi tanda positif dan gaya yang berarah ke luar bundar diberi tanda negatif. Pada pola di atas, w berarah ke sentra lingkaran, sedangkan N berarah keluar bundar sehingga w berharga positif dan N berharga negatif.
Demikianlah artikel ihwal pengertian dan rumus gaya sentripetal beserta pola soal dan pembahasannya lengkap dengan gambar ilustrasi. Semoga sanggup bermanfaat untuk Anda. Apabila terdapat kesalahan tanda, simbol, abjad maupun angka dalam perhitungan mohon dimaklumi. Terimakasih atas kunjungannya dan hingga jumpa di artikel berikutnya.