Apa itu keseimbangan dinamis? (Dengan contoh)

Keseimbangan dinamis adalah keadaan di mana objek yang bergerak diwakili idealnya sebagai partikel ketika gerakan adalah seragam. Fenomena ini terjadi ketika jumlah gaya eksternal yang bekerja padanya dibatalkan.

Sering diyakini bahwa jika tidak ada gaya neto atau resultan pada suatu benda, maka satu-satunya konsekuensi yang mungkin adalah diam. Atau juga agar suatu benda menjadi seimbang tidak boleh ada gaya yang bekerja.

Gambar 1. Kucing ini bergerak dalam kesetimbangan dinamis jika bergerak dengan kecepatan konstan. Sumber: Pixabay.

Pada kenyataannya, keseimbangan adalah ketiadaan percepatan, dan karena itu kecepatan konstan sangat mungkin terjadi. Kucing pada gambar mungkin bergerak tanpa percepatan.

Sebuah benda dengan gerak melingkar beraturan tidak berada dalam kesetimbangan dinamis. Meskipun kecepatannya konstan, ada percepatan yang diarahkan ke pusat lingkaran yang membuatnya tetap pada jalurnya. Percepatan ini bertanggung jawab untuk mengubah vektor kecepatan dengan tepat.

Kecepatan nol adalah situasi tertentu dari keseimbangan partikel, setara dengan menegaskan bahwa objek diam.

Adapun mempertimbangkan objek sebagai partikel, ini adalah idealisasi yang sangat berguna ketika menggambarkan gerakan global mereka. Pada kenyataannya, benda-benda bergerak yang mengelilingi kita terdiri dari sejumlah besar partikel yang sulit untuk dipelajari satu per satu.

Prinsip superposisi

Prinsip ini memungkinkan penggantian aksi beberapa gaya pada suatu objek dengan gaya yang setara yang disebut gaya resultan FR atau gaya total FN, yang dalam hal ini adalah nol:

F1 + F2 + F3 +…. = FR = 0

Dimana gaya-gaya F1, F2, F3…., Fi adalah gaya-gaya berbeda yang bekerja pada benda. Notasi penjumlahan adalah cara ringkas untuk mengekspresikannya:

Selama gaya yang tidak seimbang tidak mengintervensi, objek dapat terus bergerak tanpa batas dengan kecepatan konstan, karena hanya gaya yang dapat mengubah panorama ini.

Dalam hal komponen gaya yang dihasilkan, kondisi keseimbangan dinamis partikel dinyatakan sebagai berikut: Fx = 0; Fy = 0; Fz = 0.

Rotasi dan kondisi keseimbangan

Untuk model partikel, kondisi FR = 0 cukup menjamin keseimbangan. Namun, jika memperhitungkan dimensi ponsel yang diteliti, ada kemungkinan objek tersebut dapat berputar.

Gerakan rotasi menyiratkan adanya percepatan, oleh karena itu benda yang berputar tidak dalam keseimbangan dinamis. Pemutaran tubuh tidak hanya membutuhkan partisipasi kekuatan, tetapi juga perlu menerapkannya di tempat yang tepat.

Untuk memeriksa ini, batang tipis panjangnya dapat ditempatkan pada permukaan bebas gesekan, seperti permukaan beku atau cermin atau kaca yang sangat halus. Normal menyeimbangkan berat secara vertikal, dan dengan menerapkan dua gaya F1 dan F2 dengan besaran yang sama secara horizontal, menurut diagram pada gambar berikut, apa yang terjadi diverifikasi:

Gambar 2. Sebuah batang pada permukaan bebas gesekan mungkin atau mungkin tidak dalam kesetimbangan, tergantung pada bagaimana gaya 1 dan 2. Sumber: elaborasi sendiri.

Jika F1 dan F2 diterapkan seperti yang ditunjukkan di sebelah kiri, dengan garis aksi yang sama, batang akan tetap diam. Tetapi jika F1 dan F2 diterapkan seperti yang ditunjukkan di sebelah kanan, dengan garis aksi yang berbeda, meskipun paralel, rotasi searah jarum jam terjadi, di sekitar sumbu yang melewati pusat.

Dalam hal ini, F1 dan F2 merupakan pasangan gaya atau sekadar pasangan.

Torsi atau momen suatu gaya

Efek torsi adalah menghasilkan putaran pada benda yang diperpanjang seperti batang pada contoh. Besaran vektor yang bertanggung jawab disebut torsi atau juga momen suatu gaya. Ini dilambangkan sebagai dan dihitung dengan:

τ = rx F

Dalam ekspresi ini F adalah gaya yang diterapkan dan r adalah vektor yang bergerak dari sumbu rotasi ke titik penerapan gaya (lihat gambar 2). Arah selalu tegak lurus terhadap bidang di mana F dan r terletak dan satuannya dalam sistem internasional adalah Nm

Sebagai contoh, arah momen yang dihasilkan oleh F1 dan F2 adalah menuju kertas, sesuai dengan aturan perkalian vektor.

Meskipun gaya saling meniadakan, torsi mereka tidak. Dan hasilnya adalah rotasi yang ditampilkan.

Kondisi keseimbangan untuk objek yang begerak

Ada dua syarat yang harus dipenuhi untuk menjamin keseimbangan objek yang bergerak:

Ada sebuah kotak atau batang yang beratnya 16 kg-f, yang meluncur menuruni bidang miring dengan kecepatan konstan. Sudut kemiringan baji adalah = 36º. Membalas:

a) Berapakah besar gaya gesek dinamis yang diperlukan agar bagasi dapat meluncur dengan kecepatan konstan?

b) Berapakah koefisien gesekan kinetisnya?

c) Jika ketinggian h dari bidang miring adalah 3 meter, tentukan kecepatan turun dari batang tersebut dengan mengetahui bahwa dibutuhkan 4 detik untuk mencapai tanah.

Penyelesaian

Batangnya dapat diperlakukan seolah-olah itu adalah partikel. Untuk alasan ini, gaya akan diterapkan pada titik yang terletak kira-kira di pusatnya, di mana semua massanya dapat diasumsikan terkonsentrasi. Pada titik inilah Anda akan dilacak.

Gambar 3. Diagram benda bebas untuk bagasi yang meluncur menuruni bukit dan perincian berat (kanan). Sumber: buatan sendiri.

Berat W adalah satu-satunya gaya yang tidak jatuh pada salah satu sumbu koordinat dan harus diuraikan menjadi dua komponen: Wx dan Wy. Dekomposisi ini ditunjukkan dalam diagram (gambar 3).

Juga nyaman untuk mentransfer bobot ke unit sistem internasional, yang cukup untuk dikalikan dengan 9,8:

Wy = W. cosθ = 16 x 9,8 x cos 36º N = 126,9 N

Wx = W. sinθ = 16 x 9,8 x sin 36º = 92,2 N

Bagian a

Sepanjang sumbu horizontal adalah komponen horizontal dari berat Wx dan gaya gesekan dinamis atau kinetik fk, yang melawan gerakan.

Dengan memilih arah positif dalam arah gerakan, mudah untuk melihat bahwa Wx bertanggung jawab atas blok yang menurun. Dan karena gesekannya dilawan, alih-alih meluncur dengan cepat, balok memiliki kemungkinan meluncur dengan kecepatan konstan menuruni bukit.

Kondisi kesetimbangan pertama sudah cukup, karena kita memperlakukan batang sebagai partikel, yang kita yakini dalam pernyataan bahwa batang berada dalam kesetimbangan dinamis:

Wx – fk = 0 (tidak ada percepatan dalam arah horizontal)

fk = 92,2 N

Bagian b

Besarnya gaya gesekan dinamis adalah konstan dan diberikan oleh fk = k N. Ini berarti bahwa gaya gesekan dinamis sebanding dengan normal dan besarnya ini diperlukan untuk mengetahui koefisien gesekan.

Mengamati diagram benda bebas dapat dilihat bahwa pada sumbu vertikal kita memiliki gaya normal N, yang diberikan baji pada batang dan diarahkan ke atas. Dia seimbang dengan komponen vertikal berat Wy. Memilih sebagai pengertian positif dan memanfaatkan hukum kedua Newton dan hasil kondisi keseimbangan:

N – Wy = 0 (tidak ada gerakan sepanjang sumbu vertikal)

Karena itu:

N = Wy = 126,9 N

fk = k N

k = fk / N = 92,2/126,9= 0,73

Bagian c

Jarak total yang ditempuh oleh batang dari bagian atas baji ke tanah ditemukan dengan trigonometri:

d = h / sin 36º = 3 / sin 36º m = 5,1 m.

Untuk menghitung kecepatan, definisi untuk gerak lurus beraturan digunakan:

v = d / t = 5,1 m / 4 s = 1,3 m / s

Referensi

  1. Rex, A. 2011. Dasar-dasar Fisika. Pearson. 76 – 90.
  2. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fisika untuk Sains dan Teknik. Jilid 1. 7. Ed.Cengage Belajar. 120-124.
  3. Serway, R., Vulle, C. 2011. Dasar-dasar Fisika. Edisi 9. Cengage Learning. 99-112.
  4. Tippens, P. 2011. Fisika: Konsep dan Kegunaan. Edisi ke-7. Bukit MacGraw. 71 – 87.
  5. Walker, J. 2010. Fisika. Addison Wesley. 148-164.

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