Matakuliah : D0684 – FISIKA I Tahun : 2008 KESETIMBANGAN STATIK Pertemuan 18 Kesetimbangan statik dimaksudkan kesetimbangan dari suatu benda tegar / benda padat. Benda tegar merupakan benda padat yang tetap tegar / tidak berubah bentuk bila dikenai gaya maupun torsi padanya. 1. Syarat Kesetimbangan Statik Benda tegar berada dalam kesetimbangan statik, bila tidak mempunyai percepatan translasi dan percepatan sudut. Maka kesetimbangan suatu benda tegar harus memenuhi dua macam kesetimbangan, yaitu kesetimbangan gaya, dan kesetimbangan torsi - Kesetimbangan gaya : F = 0 ; FX = 0 ; FY = 0 - Kesetimbangan torsi : τ=0 3 Bina Nusantara 2. Pusat Gravitasi Benda Tegar Bila dua atau lebih gaya sejajar pada sebuah benda tegar, gaya-gaya tersebut dapat diganti dengan sebuah gaya ekivalen. Gaya ekivalen ini sama dengan jumlah gaya-gaya yang bekerja pada benda tersebut, yang bekerja pada sebuah titik, dimana torsi oleh gaya ekivalen sama dengan total torsi oleh gaya semula. Bina Nusantara FR Sumbu F1 X1 F2 XR X2 XR (F1 + F2 ) = F1 X1 + F2 X2 Benda tegar merupakan kumpulan dari partikelpartikel yang membentuknya. Maka gaya gravitasi pada benda tegar dapat diganti oleh gaya tunggal, yaitu berat total (W) dari partikel-partikel, yang bekerja pada titik pusat berat ( PB) benda. 5 Bina Nusantara XPB W = ∑ wi xi wi = berat partikel ke i xi = posisi partikel ke i Pusat Berat : titik dimana berat total sebuah benda bekerja sehingga torsi yang dihasilkannya sama dengan torsi total yang dihasilkan oleh berat masingmasing partikel yang membentuk benda terebut. Bila besar percepatan gravitasi tidak berbeda di seluruh bagian benda, maka : XPB M g = ∑ mi g xi Atau : XPB M = ∑ mi xi Persamaan ini sama dengan persamaan pusat massa. Maka pusat massa dan pusat berat adalah berimpit Bina Nusantara Langkah-langkah Dalam Menyelesaikan Masalah Statik (1) Kenali gaya-gaya ( besar dan arahnya ) yang berkerja pada benda (2) Buat diagram gaya-gaya tersebut pada suatu sistem koordinat. Pilih sistem koordinat yang memudahkan perhitungan . (3) Uraikan gaya-gaya tersebut atas komponenkomponennya. (4) Pilih sebarang sumbu rotasi benda yang tegak lurus bidang X-Y 5. Terapkan hukum kesetimbangan benda tegar, yaitu : FX = 0 ; FY = 0 ; τ = 0 Bina Nusantara 3. Beberapa Contoh Kesetimbangan Statik (1) Sebuah tangga serbasama, panjang 5 m dan massa 10 kg, bersandar pada dinding yang licin. Kaki tangga berada 3 m dari dinding (lihat gambar). Tentukan koefisien gesekan statik antara tangga dan lantai agar tangga tidak tergelincir. F1 F2v F2 mg fs Bina Nusantara 3m Gaya-gaya yang bekerja pada tangga : - Gaya berat W = mg - Gaya oleh dinding F1 - Gaya oleh lantai F2 , dengan komponen vertikal F2V dan komponen horizontal fS . Diagram gaya-gaya tersebut ditunjukan pada gambar. Dari sayarat kesetimbangan : ΣFx = 0 = F1 – fS F1 = fS = μS F2V ΣFY = 0 = F2V – mg = 0 F2V = mg = 10 (10) = 100 N Ambil titik kontak tangga-lantai sebagai sumbu rotasi, hingga : torsi oleh F2V dan fS akan sama dengan nol Maka : Στ = F1 (4 ) – mg (1,5 ) = 0 μS = fS/ F2V = 37,5/100 = 0,375. Bina Nusantara F1 = 37,5 N = fS (2) Sebuah balok homogen, panjang 10 m dan massa 200 kg, disangga oleh tiang pada ujung-ujungnya. Sebuah mesin bermassa 500 kg diletakan di atas balok, dengan pusat massanya berjarak 4 m dari salah satu ujung balok. Tentukan gaya yang dialami masing-masing tiang. F1 m=500 kg F2 Gaya yang bekerja M = 200 kg pada balok: - gaya berat balok Mg Mg - gaya berat beban mg mg - gaya reaksi tiang kiri F1 - gaya reaksi tiang kanan F2 4m arah-arah gaya seperti ditunjukan pada gambar, dan gaya-gaya hanya ada untuk komponen vertikal. Bina Nusantara Syarat Kesetimbangan - ΣFY = 0 = F1+F2 – Mg – mg F1+F2= Mg+mg F1+F2 = 200(10) + 500(10) = 7000 N - Ambil ujung kiri balok sumbu rotasi, Maka : Στ = F1 (0 m )+F2(10) –Mg(5)- mg (6 ) = 0 10 F2 = 200(10)(5)+500(10)(6) = 40000 N.m F2 = 40000/10 = 4000 N F1 = 7000-F2 = 7000-4000= 3000 N Bina Nusantara 4. Elastisitas 4.1. Tegangan ( Stress) Tegangan atau Stress (S) didefinisikan sebagai gaya (F) perluas permukaan ( A ) : S=F/A Satuan : N/m2 , lb/inc2 , Pascal (Pa) Tegangan dapat berupa tegangan tarik atau tegangan tekan, tergantung dari arah gaya yang bekerja. tegangan tarik : F F tegangan tekan : F F 12 Bina Nusantara Untuk gaya, yang tidak tegak lurus permukaan , gaya Diuraikan atas komponen-komponen tegak dan sejajar permukaan, hingga tegangan akan terdiri dari : Tegangan normal : Sn = Fn /A Tegangan Geser (tangensial) : St = Ft/ A Bina Nusantara 4.2. Regangan ( Strain ) Perubahan bentuk (deformasi) relatif benda karena tegangan. Perbandingan antara perubahan dimensi benda dengan dimensi semula benda elastis yang mengalami tegangan . Regangan tarik = ∆L / L0 Regangan Volume = ∆V / V0 Regangan Geser =x/h h Ft x 14 Bina Nusantara 4.3. Elastisitas – Plastisitas Elastisitas : Merupakan sifat zat / benda yang memungkinkan benda kembali pada ukuran semula setelah gaya yang mendeformasinya dihilangkan Batas Elastisitas Nilai tegangan paling kecil yang dapat menimbulkan deformasi permanen dalam benda Deformasi plastis Deformasi yang tidak kembali ke bentuk semula setelah gaya yang mendeformasinya dihilangkan Bina Nusantara Bahan rapuh Bahan yang bila diberi gaya melewati batas elastisitasnya akan menjadi patah / putus . Bahan kenyal Bahan yang memberikan deformasi plastis hingga titik putusnya. Bina Nusantara 4.4. Modulus YOUNG ( Y ) Mengambarkan sifat elastisitas benda dalam arah memanjang F L L A Sebuah batang, panjang L dan luas penampang A, dikenai gaya F , memanjang sebesar L Didefinisikan modulus Young (Y) atau modulus elastisitas (E) dari batang tertsebut : Y = Stress / Strain = ( F / A ) / ( L / L ) Bina Nusantara 4.5. Modulus benda ( Bulk Modulus ) Perbandingan (negatif) perubahan tekanan terhadap regangan volume yang dihasilkan B = - P / ( V / V ) Didefinisikan modulus kompressibilitas : K = 1/B Bina Nusantara 4. 6. Modulus Geser (modulus luncur) Perbandingan tegangan geser dan regangan geser yang dihasilkan . Tegangan geser= gaya tangensial (Ft ) / luas permukaan (A) h Ft X Modulus Geser ( G ) = ( Ft / A ) / ( x / h ) untuk x kecil dapat diambil pendekatan x / h = maka : G = F / ( A ) dalam radian Bina Nusantara