Gaya elastis: komponen, rumus dan latihan

Gaya elastis adalah gaya yang diberikan suatu benda untuk menolak perubahan bentuknya. Ini memanifestasikan dirinya dalam sebuah objek yang cenderung mendapatkan kembali bentuknya ketika berada di bawah aksi gaya deformasi.

Gaya elastis juga disebut gaya pulih karena melawan deformasi untuk mengembalikan benda ke posisi setimbangnya. Perpindahan gaya elastik terjadi melalui partikel-partikel penyusun benda.

Gaya elastis pegas

Misalnya, ketika pegas logam ditekan, gaya diberikan yang mendorong partikel pegas, mengurangi pemisahan di antara mereka, pada saat yang sama, partikel menolak didorong dengan mengerahkan gaya yang bertentangan dengan kompresi.

Jika pegas bukannya menekan, melainkan ditarik, diregangkan, partikel-partikel yang menyusunnya semakin terpisah. Demikian juga, partikel menolak dipisahkan dengan mengerahkan kekuatan yang bertentangan dengan peregangan.

Benda yang memiliki sifat untuk kembali ke bentuk semula ketika melawan gaya deformasi disebut benda elastis. Pegas, karet gelang, dan tali bungee adalah contoh benda elastis.

Apa itu gaya elastis?

Gaya elastis ( F k ) adalah gaya yang diberikan oleh suatu benda untuk mendapatkan kembali keadaan keseimbangan alaminya setelah dipengaruhi oleh gaya luar.

Untuk menganalisis gaya elastis, sistem massa pegas yang ideal akan diperhitungkan, yang terdiri dari pegas yang ditempatkan secara horizontal yang dipasang di satu ujung ke dinding dan di ujung lainnya ke balok dengan massa yang dapat diabaikan. Gaya-gaya lain yang bekerja pada sistem, seperti gaya gesekan atau gaya gravitasi, tidak akan diperhitungkan.

Jika gaya horizontal diberikan pada massa, diarahkan ke dinding, itu ditransfer ke pegas, menekannya. Pegas bergerak dari posisi setimbangnya ke posisi baru. Karena benda cenderung tetap dalam kesetimbangan, gaya elastis pada pegas yang melawan gaya yang diberikan akan terwujud.

Perpindahan menunjukkan berapa banyak pegas telah berubah bentuk dan gaya elastis sebanding dengan perpindahan itu. Saat pegas ditekan, variasi posisi meningkat dan akibatnya gaya elastis meningkat.

Semakin banyak pegas ditekan, semakin besar gaya yang berlawanan yang diberikannya sampai mencapai titik di mana gaya yang diterapkan dan gaya elastis seimbang, akibatnya sistem massa pegas berhenti bergerak. Ketika Anda berhenti menerapkan gaya, satu-satunya gaya yang bekerja adalah gaya elastis. Gaya ini mempercepat pegas dalam arah yang berlawanan dengan deformasi sampai kembali ke keadaan setimbang.

Hal yang sama terjadi ketika meregangkan pegas yang menarik massa secara horizontal. Pegas diregangkan dan segera memberikan gaya yang sebanding dengan perpindahan yang melawan regangan.

Rumus

Rumus gaya elastis dinyatakan oleh Hukum Hooke. Hukum ini menyatakan bahwa gaya elastis linier yang diberikan oleh suatu benda sebanding dengan perpindahan.

F k = -k.Δ s

F k = Gaya elastis

k = konstanta proporsionalitas

Δ s = Perpindahan

Ketika objek dipindahkan horizontal, seperti dalam kasus musim semi melekat pada dinding, perpindahan adalah Δ x , dan ekspresi Hukum Hooke ditulis:

F k = -k.Δ x

hukum Hooke. Gaya elastis sebanding dengan peregangan. [Oleh Svjo (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hookes-law-springs.png)]

Tanda negatif pada persamaan menunjukkan bahwa gaya elastis pegas berlawanan arah dengan gaya yang menyebabkan perpindahan. Konstanta proporsionalitas k adalah konstanta yang bergantung pada jenis bahan dari mana pegas dibuat. Satuan konstanta k adalah N / m .

Benda elastis memiliki batas elastisitas yang akan bergantung pada konstanta deformasi. Jika diregangkan melampaui batas elastis, itu akan berubah bentuk secara permanen.

Persamaan [1] dan [2] berlaku untuk perpindahan kecil pegas. Ketika perpindahan yang lebih besar, gaya dari Δ x ditambahkan .

Energi kinetik dan energi potensial disebut gaya elastis

Gaya elastis bekerja pada pegas dengan menggerakkan pegas ke arah posisi setimbangnya. Selama proses ini energi potensial sistem massa pegas meningkat. Energi potensial akibat kerja yang dilakukan oleh gaya elastis dinyatakan dalam persamaan [3].

U = k. x 2 [3]

Energi potensial dinyatakan dalam Joule (J).

Ketika gaya deformasi tidak diterapkan, pegas dipercepat menuju posisi kesetimbangan, mengurangi energi potensial dan meningkatkan energi kinetik.

Energi kinetik sistem pegas-massa ketika mencapai posisi kesetimbangan ditentukan oleh persamaan [4].

E k = mv 2 [4]

m = massa

v = kecepatan pegas

Untuk menyelesaikan sistem pegas-massa, hukum kedua Newton diterapkan dengan mempertimbangkan bahwa gaya elastis adalah gaya variabel.

Contoh latihan praktis

Mendapatkan gaya deformasi

Berapa gaya yang diperlukan pegas agar pegas meregang 5 cm jika konstanta pegas adalah 35N/m?

Gaya elastis pegas yang membentang 5 cm

Karena gaya berlawanan dengan gaya elastis, F k ditentukan dengan asumsi bahwa pegas diregangkan secara horizontal. Hasilnya tidak memerlukan tanda negatif karena hanya gaya kegunaan yang diperlukan.

hukum Hooke

F k = -k.Δx

Konstanta pegas k adalah 35N / m.

x = 5cm = 0,05m

F k = -35N / m. 0,05m

F k = – 1,75N = – F

Dibutuhkan gaya 1,75 N untuk mengubah bentuk pegas sejauh 5 cm .

Mendapatkan konstanta regangan

Berapa konstanta regangan pegas yang ditarik 20 cm oleh gaya 60N ?

Δx = 20cm = 0,2 m

F = 60N

F k = -60N = – F

k = – F k / x

= – (- 60N) / 0,2m

k = 300 N / m

Konstanta pegas adalah 300N / m

Mendapatkan energi potensial

Berapakah energi potensial yang mengacu pada usaha yang dilakukan oleh gaya elastis pegas yang ditekan 10 cm dan konstanta regangannya adalah 20N/m?

Δx = 10 cm = 0,1 m

k = 20 N / m

F k = -20N / m. 0.1m

F k = -200N

Gaya elastis pegas adalah -200N.

Gaya ini bekerja pada pegas untuk memindahkannya ke posisi setimbang. Melakukan pekerjaan ini meningkatkan energi potensial sistem.

Energi potensial dihitung dengan persamaan [3]

U = k. x 2

U = (20N / m). (0,1m) 2

U = 0.1Joule

Referensi

  1. Kittel, C, Knight, WD dan Ruderman, MA Mekanika. AS : Mc Graw Hill, 1973, Vol.I.
  2. Rama Reddy, K, Badami, SB dan Balasubramanian, V. Osilasi dan Gelombang. India : Pers Universitas, 1994.
  3. Murphy, J. Fisika: memahami sifat-sifat materi dan energi. New York : Penerbitan Pendidikan Britannica, 2015.
  4. Giordano, N J. College Fisika: Penalaran dan Hubungan. Kanada : Brooks / Cole, 2009.
  5. Walker, J, Halliday, D dan Resnick, R. Dasar-dasar Fisika. AS : Wiley, 2014.

Fisika modern – apa yang dipelajari juga cabangnya
Tegangan normal: terdiri dari apa, bagaimana cara menghitungnya, contoh
Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan
Kalor sensibel: konsep, rumus, dan latihan yang diselesaikan