Keseimbangan Benda Tegar - Fisika Kelas 11

Sobat Pijar, pernahkah kalian menyaksikan seorang pemain sirkus yang berdiri di atas tali sambil membawa tongkat panjang? Pastinya, pemain sirkus tersebut selalu memegang tongkatnya dengan sangat persis di tengah-tengahnya. Hal tersebut dilakukan agar dia dapat menjaga keseimbangan dengan baik.

Kegiatan yang dilakukan oleh akrobat tersebut berkaitan erat dengan konsep keseimbangan benda tegar, lho. Jika ingin mendapatkan pemahaman yang lebih mendalam tentang materi keseimbangan benda tegar, yuk kita baca artikel ini sampai selesai!

Baca juga: Dinamika Rotasi: Momen Gaya, Momen Inersia, dan Momentum Sudut

Definisi Keseimbangan Benda Tegar

Benda tegar adalah benda yang mempertahankan bentuknya tanpa mengalami perubahan jika dikenai oleh gaya F tertentu.

Keseimbangan benda tegar merujuk pada situasi di mana benda tersebut tetap berada dalam posisi diam atau bergerak dengan kecepatan konstan, tanpa mengalami perputaran (rotasi) atau pergeseran (translasi). 

Dalam ilmu fisika, istilah "tegar" menggambarkan sifat suatu benda untuk tetap dalam keadaan tertentu ketika terkena gaya.

Syarat Keseimbangan Benda Tegar

Seperti yang telah diungkapkan sebelumnya, terdapat persyaratan yang harus dipenuhi untuk mencapai keseimbangan benda tegar. Persyaratan keseimbangan benda tegar adalah sebagai berikut:

Untuk mencapai keseimbangan benda tegar, semua gaya yang bekerja pada benda harus menghasilkan hasil nol dalam dua arah, yaitu horizontal dan vertikal. Dalam istilah matematis, ini dapat dituliskan sebagai $\sum F_x = 0$ dan $\sum F_y = 0$.

Selain itu, total momen gaya atau torsi yang bekerja pada benda juga harus bersama-sama menghasilkan hasil nol. Ini berarti benda harus tetap dalam rotasi yang seimbang, yang dapat dinyatakan sebagai $\sum \tau = 0$.

Jenis jenis Keseimbangan Benda Tegar

Ada dua jenis keseimbangan benda tegar, yaitu keseimbangan stabil labil dan netral. Untuk lebih jelasnya, perhatikan penjelasan di bawah ini:

Keseimbangan Stabil

Keseimbangan yang stabil dapat diartikan sebagai keadaan di mana suatu benda akan tetap berada di posisinya, bahkan jika benda tersebut terpengaruh oleh gaya eksternal yang kecil. Benda tersebut akan kembali ke posisi semula.

Sebagai contoh keseimbangan stabil, kita dapat mengamati kelereng yang diletakkan di atas permukaan cekung. Kelereng ini akan mengalami gaya eksternal yang kecil, tetapi akhirnya akan kembali ke posisinya yang awal. 

Ini berarti bahwa kelereng tersebut berada dalam keseimbangan stabil. Tanda dari keseimbangan stabil adalah ketika benda tersebut kembali ke titik awalnya setelah terpengaruh oleh gaya atau gangguan kecil.

Keseimbangan Labil

Keseimbangan yang labil merujuk pada kondisi keseimbangan suatu benda di mana benda tersebut tidak akan mampu kembali ke posisi awalnya jika terkena sedikit gaya dari luar.

Sebagai contoh keseimbangan labil, kita dapat mengamati kelereng yang diletakkan di atas permukaan cembung. 

Awalnya, kelereng akan mendapatkan gaya dari luar, tetapi gaya tersebut akan hilang seiring waktu. Namun, akibat dari kondisi ini, kelereng tidak akan mampu kembali ke posisi awalnya. Tanda dari keseimbangan labil adalah penurunan titik berat pada benda yang terjadi ketika benda tersebut dipengaruhi oleh gaya eksternal.

Keseimbangan Netral

Keseimbangan netral, atau dikenal sebagai keseimbangan indeferen, merujuk pada suatu kondisi di mana benda tetap dalam keseimbangan ketika diberikan sedikit gaya dari luar, dan titik berat benda tidak mengalami perubahan.

Keseimbangan netral dan contohnya, jika kita letakkan kelereng di atas permukaan yang datar, titik berat kelereng tidak akan mengalami perubahan meskipun kelereng tersebut dikenai gaya dari luar. Titik beratnya akan tetap berada di pusat kelereng.

Tanda dari keseimbangan netral adalah tidak adanya perubahan yang pasti pada titik berat benda ketika benda tersebut dikenai gaya dari luar.

Titik Berat

Titik berat suatu benda adalah titik di mana gaya berat benda dianggap berkumpul, dan titik ini dipengaruhi oleh medan gravitasi. Penentuan posisi titik berat ini relatif sederhana jika benda tersebut homogen dan memiliki bentuk yang teratur, seperti kubus, bola, atau silinder.

Sumber: Repositori Kemdikbud

Koordinat titik berat {$x_0$,$y_0$} sehingga dapat ditentukan dengan rumus titik berat: 

$x_0 = \frac{x_1.w_1+x_2.w_2+..}{w_1+w_2}$

$y_0 = \frac{y_1.w_1+y_2.w_2+..}{w_1+w_2}$

Titik Berat Benda Berdimensi Satu

$x_0 = \frac{x_1.L_1+x_2.L_2+..}{L_1+L_2}$

$y_0 = \frac{y_1.L_1+y_2.L_2+..}{L_1+L_2}$

Keterangan: 

$x_1$ = Absis 1 garis pertama

$L_1$ = Panjang garis pertama ($m$)

$x_2$ = Absis 2 garis kedua

$L_2$ = Panjang garis kedua ($m$)

$y_1$ = Ordinat 1 garis pertama

$y_2$ = Ordinat 2 garis kedua

Titik berat benda yang homogen dan berbentuk garis bisa dilihat dalam tabel berikut:

Sumber: Repositori Kemdikbud

Titik Berat Benda Berdimensi Dua

$x_0 = \frac{x_1.A_1+x_2.A_2+..}{A_1+A_2}$

$y_0 = \frac{y_1.A_1+y_2.A_2+..}{A_1+A_2}$

Keterangan: 

$x_1$ = Absis 1 luas benda pertama

$A_1$ = Luas bidang pertama ($m$)

$x_2$ = Absis 2 luas benda kedua

$A_2$ = Luas bidang kedua ($m$)

$y_1$= Ordinat 1 luas benda pertama

$y_2$ = Ordinat 2 luas benda kedua

Posisi titik berat benda yang merata dan berbentuk bidang datar dapat ditemukan dalam tabel berikut:

Sumber: Repositori Kemdikbud

Titik Berat Benda Berdimensi Tiga

$x_0 = \frac{x_1.V_1+x_2.V_2+..}{V_1+V_2}$

$y_0 = \frac{y_1.V_1+y_2.V_2+..}{V_1+V_2}$

Keterangan: 

$x_1$ = Absis 1 volume benda pertama

$V_1$ = Volume bangun ruang pertama ($m$)

$x_2$ = Absis 2 volume benda kedua

$V_2$ = Volume bangun ruang kedua ($m$)

$y_1$= Ordinat 1 volume benda pertama

$y_2$= Ordinat 2 volume benda kedua

Posisi titik berat benda yang homogen dan berbentuk volume bisa ditemukan dalam tabel berikut:

Sumber: Repositori Kemdikbud

Sumber: Repositori Kemdikbud

Contoh Soal Keseimbangan Benda Tegar

Aku dan temanku, Beni, sedang bermain papan jungkitan yang panjangnya 4 meter dan massanya 8 kg. Aku memiliki massa 60 kg sementara Beni memiliki massa 45 kg. Agar sistem papan jungkitan tetap dalam keadaan seimbang ($g = 10 m/s²$), berapa jarak dari pusat rotasi (segi tengah papan) dimana aku harus duduk?

Diketahui : 

Berat Aku $W_A=m_A . g=60 . 10=600 newton$

Berat Beni $W_B=m_B . g=45 . 10=450 newton$

Berat Papan $W_P=m_P . g=8 . 10=80 newton$

Panjang papan $L = 4 meter$

Supaya jungkitan dalam keadaan seimbang maka berlaku : 

$\sum \tau _0 = 0$

$\tau _{0A} + \tau _{0B} = 0$

$(R_{0A}.w_A) + (-R_{0B}.w_B) = 0$

$(R_{0A}.w_A) = (R_{0B}.w_B)$

$(2.600) = (x.450)$

$x = \frac{1200}{450} = 2,67 meter$

Jadi, supaya sistem jungkitan dalam keadaan seimbang, maka Beni harus berada pada posisi $2,67 meter$ dari pusat rotasi.

_____________________________________________

Baca juga: Gerak Melingkar Beraturan (GMB): Pengertian, Besaran, Rumus, dan Contoh Soalnya

Sobat Pijar, dengan pengetahuan ini kamu sekarang memiliki pemahaman yang lebih baik tentang konsep keseimbangan benda tegar. Semoga informasi ini bermanfaat dalam pembelajaran kamu dan memberikan landasan yang kuat untuk memahami fisika lebih lanjut. Selamat belajar, Sobat Pijar!

Eits, ingin belajar dari mana aja tapi tetap asik? Pakai aplikasi Pijar Belajar, dong! Selain ada materi video, kamu juga bisa mengakses rangkuman, mini quiz, hingga latihan soal yang dilengkapi dengan pembahasannya, nih! Keren banget, ‘kan? 

Yuk, unduh Pijar Belajar dan rasakan belajar yang nyaman sekarang juga!