Penulis : Jehnsen Hirena Kane FMIPA UI Jurusan Fisika
Pengertian Gerak Melingkar Beraturan ( GMB )
Gerak melingkar beraturan secara sederhana didefisinikan sebagai gerak suatu benda yang membentuk lintasan berupa lingkaran mengelilingi suatu titik tetap.
Apakah kamu pernah menonton alap Mobil di TV? Apakah kamu memperhatikan bentuk lintasan balap ketika lintasannya belok?
Kalau kamu seakan melihat lintasan tersebut tidak rata atau pada bagian luarnya lebih tinggi daripada bagian dalamnya, kamu tidak salah. Lintasan balap mobil yang tidak rata ketinggiannya tersebut bukanlah terjadi karena kesalahan pembangunan, tapi memang disengaja untuk mengurangi risiko kecelakaan.
Nah untuk memahami alasan dibalik lintasan balap yang tidak rata ketinggiannya tersebut kamu harus mengerti dulu konsep gerak melingkar. Gerak melingkar dibagi menjadi dua, yaitu
- Gerak melingkar beraturan : Kondisi dimana benda bergerak dengan kecepatan konstan pada lintasan melingkar yang memiliki radius
- Gerak melingkar tidak beraturan : Kondisi dimana benda bergerak dengan kecepatan tidak konstan pada lintasan melingkar yang memiliki radius.
Pada pembahasan kali ini kita hanya akan fokus membahas gerak melingkar beraturan karena jauh lebih sederhana daripada gerak melingkar tidak beraturan.
Gerak melingkar beraturan menghasilkan dua gaya yang sangat penting yaitu gaya sentrifugal dan gaya sentripetal, keduanya berfungsi untuk nilai r yang stabil, hal ini karena pada gerak melingkar beraturan, keduanya memiliki besar yang sama dan hanya berbeda arah sehingga memenuhi Hukum Kedua Newton. Lalu apa yang terjadi apabila gaya sentrifugal dan gaya sentripetal hilang begitu saja?
Ketika gaya sentrifugal dan sentripetal menghilang, maka tak ada lagi gaya yang menahan objek untuk tetap bergerak melingkar dengan radius r. Selain itu objek pun akan “terlempar” ke arah yang tangensial dengan lintasan lingkaran seperti pada gambar di atas.
Baca juga tulisan lain dari bacaboy:
Rumus
Gaya sentrifugal dan sentripetal memiliki rumus yang sama (ingat yang berbeda hanya arah gayanya saja), dan dapat dirumuskan sebagai berikut:
Dengan:
Sering kali objek yang melakukan gerak melingkar beraturan, terus – menerus melakukan gerakan yang sama dalam interval waktu tertentu. Oleh karenanya dikenal konsep periode dan frekuensi, dimana periode adalah waktu yang dibutuhkan objek untuk melakukan satu kali putaran, sedangkan frekuensi adalah banyaknya putaran yang dapat dilakukan oleh objek dalam satu detik, dirumuskan sebagai berikut:
Dengan:
Kembali ke pembahasan di awal, tidak ratanya lintasan balap mobil saat akan membelok adalah rekayasa yang di maksudkan untuk melawan gaya sentrifugal mobil agar mobil tidak terbalik ketika sedang berbelok dengan kecepatan tinggi. Untuk lebih memahami konsep gerak melingkar beraturan, perhatikan contoh soal berikut.
Contoh Soal Latihan
- Sebuah bola bergerak melingkar beraturan karena tali sepanjang 2 m seperti pada gambar ilustrasi gerak melingkar beraturan di atas. Apabila diketahui massa bola adalah 10 kg, dan kecepatan linear atau tangensial bola adalah 8 m/s, berapakah gaya sentripetal, periode serta frekuensi dari bola tersebut?
Diketahui
Ditanya
- Berapa besar gaya sentripetal yang dihasilkan bola tersebut?
- Berapa besar periode dan frekuensi gerak melingkar beraturan bola tersebut?
Jawab
Pada kasus sederhana seperti ini, kita hanya perlu mengaplikasikan langsung persamaan gerak melingkar beraturan. Gaya sentripetal dirumuskan sebagai berikut:
Untuk mengetahui periode dan frekuensi gerak melingkar beraturan kamu harus terlebih dahulu mengetahui nilai kecepatan sudutnya. Karena kecepatan tangensial telah diketahui kita dapat menggunakan persamaan berikut:
Substitusikan nilai ke persamaan periode dan frekuensi maka akan diperoleh:
2. Sebuah tali dengan panjang 3 m yang ujungnya diikatkan pada suatu bola bermasa 1,5 kg di gerakkan oleh Andi sehingga bola tersebut mengalami gerak melingkar beraturan. Apabila tali yang dimiliki Andi memiliki tegangan maksimum sebesar 60 N, berapakah kecepatan tangensial maksimum objek tersebut sesaat sebelum tali tersebut putus? Hitung juga energi kinetik!
Diketahui
Ditanya
- Berapa kecepatan tangensial maksimum bola tersebut sesaat sebelum tali putus?
- Berapa energi kinetik bola tersebut sesaat sebelum tali putus?
Jawab
Pada kasus ini kita akan menguji kekuatan tali yang dimiliki Andi dengan memaksimalkan kecepatan bola. Tegangan maksimum sebelum tali putus adalah gaya sentrifugal maksimum yang dapat ditahan tali, atau dengan kata lain:
Energi kinetik dirumuskan:
3. Sebuah mobil balap dengan massa 1600 kg bergerak pada lintasan balap datar yang melengkung. Apabila radius lengkungan lintasan tersebut adalah 33 m dan koefisien gaya gesek statis antara ban dan lintasan adalah 0.5, tentukan kecepatan maksimum mobil agar dapat melewati lintasan itu tanpa terbalik!
Diketahui
Ditanya
- Berapa kecepatan maksimum mobil agar dapat melewati lintasan tanpa terbalik?
Jawab
Kamu perlu membayangkan bahwa lintasan melengkung tersebut merupakan bagian dari lintasan gerak melingkar beraturan, dan mobil bertindak sebagai objek yang memutari lintasan. Gaya sentripetal yang kali ini menahan mobil agar tetap pada jalurnya adalah gaya gesek statis antara mobil dan lintasan, seperti halnya tegangan bola pada soal nomor 2, dengan kata lain:
Dengan n adalah gaya normal antara mobil – lintasan, dan besarnya sama dengan gaya berat mobil. Ambil asumsi gravitasi pada lintasan sebesar 10 m/s2
Daftar Pustaka
[1] Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2016). Principles of Physics Extended, International Student Version. India: Wiley India Pvt. Ltd
[2] Serway, R. A., & Jewett, J. W. (1996). Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics 9th. International Edition (Brooks/Cole Publishing Co., Pacific Grove, CA, USA, 2011)
Baca juga: