Dinamika Partikel ( Gaya Gesekan dan Hukum Newton )

Secara mudah, Kita dapat mengartikan gaya sebagai tarikan atau dorongan yang menyebabkan perubahan keadaan benda. Umumnya benda-benda yang memperoleh gaya akan mengalami perubahan-perubahan, antara lain dari benda diam menjadi bergerak atau sebaliknya benda bergerak menjadi diam, selain itu juga dapat mempercepat atau memperlambat gerak benda, bisa juga merubah arah gerak benda ataupun merubah bentuk/ukuran benda. Namun dalam beberapa hal ada juga benda yang mengalami gaya tetapi tidak mengalami perubahan gerakan ataupun bentuk. Misalnya ketika kita sedang duduk belajar, gaya gravitasi bekerja pada kita, namun kita tetap diam. Dalam keadaan tertentu gaya dapat menyebabkan benda bergerak, namun adakalanya dalam keadaan yang lain benda tersebut tetap diam. Hal ini terjadi karena gaya total atau resultan dari gaya yang bekerja pada benda tersebut sama dengan nol. Misalnya saat kita mendorong meja ke depan ternyata gaya yang kita kenakan dilawan dengan gaya gesekan meja dengan lantai yang besarnya sama naumn arahnya berlawanan dengan gaya dorong yang kita kerjakan. Keadaan ini disebut dengan keadaan kesetimbangan (equilibrium).


1. GAYA GESEKAN

Yaitu gaya sentuh yang muncul jika permukaan dua zat padat bersentuhan secara fisik, dimana arah gaya gesekan sejajar dengan permukaan bidang dan selalu berlawanan dengan arah gerak relatif antara ke dua benda tersebut. 

Ada dua jenis gaya gesekan yang bekerja pada benda, yaitu: 

a. Gaya Gesekan Statis ( fs )

Gaya gesekan statis bekerja saat benda dalam keadaan diam dan nilainya mulai dari nol sampai suatu harga maksimum. Jika gaya tarik/dorong yang bekerja pada suatu benda lebih kecil dari gaya gesekan statis maksimum, maka benda masih dalam keadaan diam dan gaya gesekan yang bekerja pada benda mempunyai besar yang sama dengan nilai gaya tarik/dorong pada benda tersebut. Besarnya gaya gesekan statis maksimum adalah :

dimana µs adalah koefisien gesekan statis dan N adalah gaya Normal.

Besarnya gaya normal ( N ) tergantung besarnya gaya tekan benda terhadap bidang secara tegak lurus. Keterangan lebih lanjut tentang gaya Normal silahkan baca lebih detail dalam artikel saya yang lain dengan mengklik link di bawah ini :

• Dinamika Gerak Lurus I
• Dinamika Gerak Lurus II

dalam 2 artikel di atas sebenarnya rumus-rumus yang berkaitan dengan gaya gesekan telah dibahas. Sehingga pembahasan saya kali ini lebih menekankan pada aspek teoritis dan contoh soal untuk menambah kepahaman.

b. Gaya gesekan kinetis ( fk )
Gaya gesekan kinetis yaitu gaya gesekan yang bekerja pada benda ketika benda sudah bergerak. Nilai gaya gesekan kinetis selalu tetap, dan dirumuskan dengan :

dimana µk adalah koefisien gesekan kinetis benda

Antara koefisien gesekan statis dan kinetis mempunyai nilai yang berbeda, nilai koefisien gesekan statis selalu lebih besar daripada nilai koefisien gesekan kinetis benda.

Untuk sebuah benda diam yang terletak diatas sebuah bidang datar kasar dan diberi gaya F, maka :

2. GAYA GESEKAN DAN HUKUM NEWTON 

Hukum Newton I : Benda yang diam akan tetap diam selama jumlah gaya yang bekerja padanya sama dengan nol atau benda yang bergerak dengan kecepatan tetap akan tetap bergerak dengan kecepatan tetap selama resultan gaya yang bekerja padanya sama dengan nol.

Hukum Newton II : Percepatan yang ditimbulkan oleh gaya total pada sebuah benda berbanding lurus dengan gaya total tersebut pada arah yang sama dan berbanding terbalik dengan massa dari benda.

Hukum Newton III : Jika sebuah benda memberikan gaya pada benda lain, maka benda itu akan mendapat gaya dari benda lain itu dengan besar gaya yang sama dan arah yang berlawanan dari gaya pertama.

Contoh :

Sebuah balok bermassa 4 kg terletak diam pada  bidang datar. Hitunglah:
Gaya gesekan benda dan percepatan benda jika lantai kasar dengan µs = 0,4 dan µk = 0, 2 dan :
a.   ditarik dengan gaya F = 10 N
b.   ditarik dengan gaya F = 16 N
c.   ditarik dengan gaya F = 20 N

Jawaban :

Diagram gaya untuk kasus ini adalah sebagai berikut :

Untuk kasus ini ( benda diam ), maka kita harus menguji besarnya gaya gesekan statis (fs) dan gaya gesekan kinetis (fk).







Dari hukum Newton II yaitu ΣF = Σma
Kearah vertikal (sumbu y), benda diam (a = 0)
ΣF = 0
N – w = 0 sehingga N = w
N = m g
N = 4 . 10 = 40 N

• Besarnya gaya gesekan statis fs adalah

fs = µs.N = 0,4.40 = 16 N

• Besarnya gaya gesekan kinetis fk adalah

fk = µk.N = 0,2.40 = 8 N

a. untuk F = 10 N
Karena gaya F < fS maka balok masih dalam keadaan diam, sehingga gaya gesekan yang bekerja pada benda adalah fg = F = 10 N

b. untuk F = 16 N
Karena F = fs, maka balok masih juga dalam keadaan diam (keadaan ini sering disebut dengan benda tepat saat akan bergerak), maka besarnya gaya gesekan adalah fg = F = fs = 16 N

c. untuk F = 20 N
Karena F > fs maka balok dapat bergerak, sehingga gaya gesekan yang digunakan adalah gaya gesekan kinetis, yaitu sebesar 8 N. Percepatan untuk benda yang bergerak ini dapat dihitung dengan menggunakan Hukum Newton II, Karena benda bergerak pada arah sumbu x, maka :

ΣFx    = m.a
F – fk  = m.a
20 – 8 = 4a
a         = 3 m/s²

Dari sini dapat kita lihat, bahwa pada benda bekerja gaya gesekan statis atau kinetis, tergantung pada seberapa besar gaya yang bekerja pada benda. Khusus untuk gaya gesekan statis sebenarnya memiliki nilai dari minimum hingga nilai maksimalnya yaitu fs (ketika benda tepat akan bergerak), sedangkan gaya gesekan kinetis hanya memiliki satu nilai saja. Sehingga grafik hubungan antara gaya luar dan gaya gesekan yang mempengaruhi benda yang dalam keadaan diam, dapat digambarkan sebagai berikut :

| LG |