SISTEM KESETIMBANGAN GAYA

Rezki Amaliah*), Muh. Aditya Junaid, Nurqamri Putri Basofi, Rachmat Permata,

Qur’aniah Ali.

Fisika Dasar, Geografi 2015

Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam

Abstrak, Telah dilakukan eksperimen yang berjudul sistem kesetimbangan gaya, dengan tujuan untuk menyelidiki kondisi–kondisi kesetimbangan statis pada system tuas dua lengan dan menetukan momen gaya system tuas dua lengan berdasarkan prinsp kesetimbangan. Dalam eksperimen ini pula digunakan berbagai alat dan bahan, yakni salat statif berada dalam 1 spaket, balok pendukung, neraca pegas 1,5 N, beban 50 gram, steker poros, dan tuas. Pada eksperimen ini hanya ada satu kegiatan yakni merangkai alat satif, memasang steker pada balok kemudian memasangkannya pada batang statif, mengatur keseimbangan tuas, kemudian memasang m1, m2, dan neraca pegas pada tuas dengan posisi yang berbeda-beda dan menarik neraca pegas hingga terjadi kesetimbangan. Praktikum ini dilakukan dengan mengamati 5 kondisi yang berbeda dengan massa 50,30 gram dan 100,65 gram. Dari semua data yang diperoleh maka moment gayanya untuk m1 adalah 0,04; dan untuk m2 adalah 0,15 dan untuk gaya pegas F adalah 0,16; data tersebut semuanya hampir nol, dan ketika dibulatkan menjadi satu angka hasilnya nol sehingga sesuai dengan hukum kesetimbangan gaya. Sehingga dapat disimpulkan suatu benda dalam keadaan setimbang jika gaya dan momen gaya totalnya sama dengan nol dimana diperoleh dengan rumus w1(L1)= w2(L2) + wB(L3). Dari keseluruhan praktikum, menunjukkan hasil yang sesuai dengan teori.

Kata Kunci: kesetimbangan gaya, lengan gaya, torka, keseimbangan statis,

momen gaya, prinsip kesetimbangan.

RUMUSAN MASALAH

1. Bagaimanakah kondisi-kondisi kesetimbangan statis pada system tuas dua

lengan ?

2. Bagaimana cara menentukan momen gaya sistem tuas dua lengan

berdasarkan prinsip kesetimbangan ?

TUJUAN

1. Menyelidiki kondisi-kondisi setimbang pada sistem tuas dua lengan

2. Menentukan momen gaya system dua lengan berdasarkan prinsip

kesetimbangan

METODOLOGI EKSPERIMEN

Teori singkat

Ada dua kondisi yang harus dipenuhi oleh sebuah benda untuk dapat

mencapai keadaan setimbang statis. Pertama benda tersebut harus berada dalam

kesetimbangan translasi yang berarti bahwa vector reultan dari semua gaya yang

bekerja pada benda harus sama dengan nol. Kondisi yang lain adalah harus dalam

keadaan kesetimbangan rotasinya. Jarak tegak lurus dari pusat putaran terhadap

garis gaya aksi disebut lengan gaya. Torka τ merupakan besaran vector yang

didefinisikan: τ = R x F

Efek rotasi dari sebuah benda terkadag dikaitkan dengan pusat gravitasi

yang didefinisikan sebagai gaya tunggal ke atas yang dapat menyeimbangkan

atraksi gravitasi ada semua bagian benda untuk berbagai posisi.

C B

L3W2 W1

WB

L2 L1

Gambar 1. Sistem dalam keadaan seimbang

Gambar di atas menunjukkan sebuah batang yang disetim pada titik B dengan w1

dan w2 adalah berat beban gantung. Berat batang wb adalah tarikan gravitasi yang

bekerja pada pusat gravitasi C. kondisi untuk kesetimbanagn rotasi pada system di

atas adalah:

w1 ( L1 )=w2 ( L2 )+wB ( L3 ) [1]

Ada 2 jenis kesetimbangan yaitu, kesetimbangan statis dan kesetimbangan

dinamis. Kesetimbangan statis adalah kesetimbangan ketika benda diam.

Sedangkan kesetimbangan dinamis adalah kesetimbangan ketika benda bergerak

dengan kecepatan tetap. Pada praktikum kali ini, hanya kesetimbangan statis yang

diuji. [2]

Syarat kesetimbangan statis ada dua yaitu:

1. Agar sebuah benda diam, jumlah gaya yang bekerja padanya harus sama

dengan nol

ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣFz = 0

2. Syarat kedua adalah jumlah momen gayanya sama dengan nol

Στ = 0

Suatu benda tegar berada dalam keadaan seimbang jika tepat diletakkan

dititik beratnya. Titik berat adalah titik dimana benda akan berada dalam

keseimbangan rotasi (tidak mengalami rotasi). Gerak rotasi disebabkan oleh

momen gaya. Efek rotasi dari sebuah benda terkadang dikaitkan dengan pusat

gravitasi yang didefiisikan sebagai gaya tunggal ke atas yang dapat

menyeimbangkan atraksi gravitasi pada semua bagian benda untuk berbagai

posisi. [3]

Jadi, kesetimbangan adalah suatu kondisi benda dengan resultan gaya dan

resultan momen gaya sama dengan nol. Benda-benda dalam pengalaman kita

paling tidak memiliki satu gaya yang bekerja pada mereka yaitu gaya gravitasi,

dan jika benda-benda tersebut dalam keadaan diam, maka pasti ada gaya lain yang

juga bekerja sehingga gaya total menjadi nol. Sebuah benda diam di atas meja,

misalnya, mempunyai dua gaya yang bekerja padanya, gaya gravitasi ke bawah

dan gaya normal yang diberikan meja ke atas pada benda tersebut. Karena gaya

total nol, gaya ke atas yang diberikan oleh meja harus sama besarnya dengan gaya

gravitasi yang bekerja ke bawah. Benda seperti itu dikatakan berada dalam

keadaan setimbang (equilibrium: bahasa latin untuk “gaya-gaya yang sama” atau

“kesetimbangan”) di bawah pengaruh kedua gaya ini. [4]

Alat dan bahan:

1. Dasar Statif 1 buah

2. Kaki statif 2 buah

3. Batang statif pendek 1 buah

4. Batang statif panjang 1 buah

5. Balok Pendukung 1 buah

6. Neraca pegas 1,5 N 1 buah

7. Beban 50 gram 3 buah

8. Steker poros 1 buah

9. Tuas 1 buah

Identifikasi VariabelKegiatan 1 :

1. Variabel kontrol : m1 dan m2

2. Variabel manipulasi : Lw 1, Lw 2, Lf

3. Variabel respon : F

Definisi Operasional Variabel

1. Variabel Kontrol

m1, m2 adalah massa beban 1 dan massa beban 2 yang digantungkan pada

lengan gaya di sebelah kanan titik pusat tuas. Lf adalah lengan gaya

tempat neraca pegas digantungkan yakni lengan gaya ke 10 (15 cm dari

titik pusat tuas)

2. Variabel manipulasi

Lm1, Lm2, dan Lf adalah panjang lengan gaya tempat digantungkannya

beban 1 beban 2 dan pegas yang diukur menggunakan mistar, dan terdapat

5 kali perubahan posisi.

3. Variabel Respon

F atau gaya adalah, gaya alami yang dimiliki oleh benda untuk

mempertahankan keadaannya, gaya ini dipengaruhi oleh gravitasi tapi

sifatnya selalu mempertahankan keadaannya dan melawan arah gravitasi,

dalam eksperimen kali ini gaya berat diukur menggunakan neraca pegas 0

– 1,5 N.

Prosedur Kerja

Susunlah/raakitlah alat-alat tersebut diatas seperti pada gambar dibawah ini :

Gambar 2. Peralatan yang telah dirakit

Keterangan:

Susunlah seluruh peralatan dipersiapkan sesuai dengan daftar diatas, rakitlah

seperti gambar, lalu pasang steker poros pada balok pendukung kemudian pasang

balok pendukung pada ujung atas batang statif, setelah itu pasang tuas pada steker

poros dan aturlah keseimbangannya agar anak panah tepat menunjuk vertikal ke

bawah.

Kegiatan Laboratorium

Pasanglah beban m1 pada posisi 4 (6 cm dari pusat tuas) dan beban m2 pada

posisi 10 (15 cm dari pusat tuas) masing-masing disebelah kanan titik pusat tuas ,

catat masing-masing panjang lengan beban sebagai L1 dan L2, lalu pasang neraca

pegas pada posisi 10 (15 cm dari pusat tuas) disebelah kiri titik pusat tuas, catat

sebagai panjang lengan gaya Lf , kemudian Tarik neraca pegas hingga terjadi

kesetimbangan dan bacalah besarnya gaya (F) pada neraca pegas tersebut,

kemudian ulangilah kegiatan 1 sampai 3 dengan posisi neraca pegas yang tetap

dan posisi m1 dan m2 yang berbeda-beda.

HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATA

Hasil Pengamatan

m1 = |50,3 ± 0,05|gr

¿|0,05 ± 0,05|kg

m2 = |100,65 ± 0,05|gr

¿|0,10 ± 0,05|kg

Tabel 1. Hasil Pengamatan

No. urut

kegiatan1 2 3 4 5

Lengan

beban1 (

L1¿, cm

|6,00 ±

0,05| cm

|4,50 ±

0,05| cm

|9,00 ±

0,05| cm

|7,50 ±

0,05| cm

|13,50 ±

0,05| cm

Lengan

beban2 (L2),

cm

|15,00 ±

0,05|cm

|10,50 ±

0,05| cm

|13,50 ±

0,05| cm

|16,50 ±

0,05| cm

|18,00 ±

0,05| cm

Lengan

Gaya (Lf ),

cm

|15,00 ±

0,05|cm

|13,50 ±

0,05| cm

|10,00 ±

0,05| cm

|18,00 ±

0,05| cm

|16,00 ±

0,05| cm

Gaya Pegas

(F), N

|1,00 ±

0,05|N

|0,70 ±

0,05| N

|

1,50±0,0

5| N

|1,00 ±

0,05| N

|1,40 ±

0,05| N

ANALISIS DATA

Data 1

Momen gaya beban 1

W = m × g

F = 0.05 × 10

= 0,5 N

τ=R × F

τ1=L1× w1

τ1=0,06 m× 0,5N

τ1=0,03 N . m

Analisis ketidakpastian

dxdτ1

=| dτ1

d R1|dR1+| d τ1

d w1|d w1

dτ1

τ1=| w1

L1 w1|dR1+| L1

L1 w1|d w1

∆ τ1

τ1=|∆ L1

L1|+|∆ w1

w1|

∆ τ1=|∆ L1

L1+

∆ w1

w1|τ1

∆ τ1=|0,05 ×10−2m0,06 ×10−2m

+ 0,05 N0,5 N |0,03 Nm

∆ τ1=|0,008+0,1|0,02 Nm

∆ τ1=0,003 N .m

KR=∆ τ1

τ1100 %

¿ 0,003 Nm0,03 Nm

100 %

¿10,77 %

DK=100 %−KR

¿100 %−10,77 %

¿89,23 %

τ1=|0 , 0 3 0 ±0,003|Nm

¿|3,0 ± 0,3|10−2 Nm

Momen gaya beban 2

W = m ×g

F = 0,1 × 10

= 1 N

τ 2=L2× w2

τ 2=0,15 m×1 N

¿0,15 Nm

∆ τ2=|∆ L2

L2+

∆ w2

w2|τ2

∆ τ2=|0,05 .10−2 m0,15 .10−2 m

+ 0,05N1 N |0,15 Nm

∆ τ2=|0,003+0,05|0,15 N m

∆ τ2=0,008 Nm

KR=∆ τ1

τ1100 %

¿ 0,0080,15

100 %

¿5,13 % (2AP)

DK=100 %−KR

¿100 %−5,13 %

¿94,70 %

τ 2=|0 , 15 0 ± 0,008|Nm

¿|1,5 ± 0,08|10−1 Nm

Momen gaya dari gaya pegas

τ f=L f ×w f

τ f=0,15 m×1 N

¿0,15 Nm

∆ τ f =|∆ Lf

Lf+

∆ F f

F f|τ f

∆ τ f =|0,050,15

+ 0,051 |0,15 Nm

∆ τ f =|0,003+0,05|0,15 N m

∆ τ f =0,008 Nm

KR=∆ τ f

τ f100 %

¿ 0,0080,15

100 %

¿5,33 % (2AP)

DK=100 %−KR

¿100 %−5,33 %

¿94,67 %

τ f=|0 , 15 0± 0,008|Nm

= |1 , 5 0± 0,08|10−1 Nm

Untuk data 2 – 5 dikerjakan dengan cara yang sama seperti diatas sehingga

diperoleh data :

Tabel 2. Hasil Analisis Data

τ ( Nm ) ∆ τ (Nm ) KR ( % ) DR ( % ) τ (Nm)

Data

1

τ1 0,03 0,003 10,77 % 89,23 % τ1=|0 , 03 0±0,003|

τ 2

τ f

0,15

0,15

0,008

0,008

5,30 % (2AP)

5,33 % (2AP)

94,70 %

94,67 %

τ 2=|0 , 15 0 ± 0,008|

τ3=|0 , 150± 0,008|

Data

2

τ1

τ 2

τ f

0,02

0,11

0,09

0,003

0,006

0,007

11,05 %

5,44 % (2AP)

7,51 % (2AP)

89,95 %

94,56 %

94,49 %

τ1=|0 , 020 ±0,003|

τ 2=|0 ,150 ± 0,006|

τ f=|0 , 0 9 0 ±0,007|

Data

3

τ1

τ 2

τ f

0,05

0,14

0,15

0,005

0,007

0,006

10,50 %

5,34 % (2AP)

3,83 % (2AP)

89,50 %

94,66 %

96,17 %

τ1=|0 ,0 50±0,005|

τ 2=|0 , 14 0± 0,007|

τ f=|0 ,170 ± 0,006|

Data

4

τ1

τ 2

τ f

0,04

0,17

0,18

0,004

0,009

0,01

10,61 %

5,27 % (2AP)

5,28 % (2AP)

89,39 %

94,73 %

94,72 %

τ1=|0 , 04 0± 0,004|

τ 2=|0 ,170 ± 0,009|

τ f=|0 , 18 ± 0,01|

Data

5

τ1

τ 2

τ f

0,07

0,18

0,22

0,007

0,01

0,009

10,31 %

5,25 % (2AP)

3,88 % (2AP)

89,69 %

94,75 %

96,12 %

τ1=|0 ,07 0±0,007|

τ 2=|0 , 13 ± 0,01|

τ f=|0 ,220 ± 0,009|

Secara teori

Data 1

τ tot=0

τ tot=¿ (τ 1+τ2 )−τ f ¿

τ tot=¿ (0,03+0,15)−0,15¿

τ tot=¿ 0,03 Nm¿

∆ τ t 0 t=|∆ τ1

τ1+

∆ τ2

τ2+

∆ τ f

τ f|τ tot

∆ τ t 0 t=|0,050,03

+ 0,050,15

+ 0,050,15|0,03 Nm

∆ τ t 0 t=|0,21|0,03 Nm

∆ τ t 0 t=¿ 0,007 Nm

KR=∆ τ t 0 t

τ tot100%

¿ 0,0070 ,03

100 %

¿23,33 %

DK=100 %−KR

¿100%−23 , 33 %

¿76 ,67 %

τ tot=¿ |0,030 ± 0,007|N m

= |3,0 ± 0,7|10−2 Nm

Untuk data 2 – 5 dikerjakan dengan cara yang sama seperti diatas sehingga

diperoleh data :

Tabel 3. Hasil Analisis Data

τ ( Nm) ∆ τ (Nm ) KR ( % ) DR ( % ) τ (Nm)

Data 1 0,03 0,007 21,41 % 78,59 % |0 ,030 ± 0,007|

Data 2 0,03 0,008 24,01 % 75,99 % |0 ,030 ± 0,008|

Data 3 0,03 0,006 19,67 % 80,33 % |0 ,030 ± 0,006|

Data 4 0,02 0,005 21,16 % 78,84 % |0 ,020 ± 0,005|

Data 5 0,03 0,005 19,44 % 80,56 % |0 ,030 ± 0,005|

PEMBAHASAN

Pada kegiatan ini mula – mula beban dengan berat 0,50 Newton pertama

digantungkan pada lengan gaya ke empat atau 6cm dari pusat tuas dan beban

kedua dengan berat 1,00 Newton digantungkan pada lengan gaya kesepuluh atau

15 cm dari pusat tuas, masing – masing benda tersebut digantungkan pada bagian

tuas sebelah kanan dan neraca pegas digantungkan disisi kiri tuas pada kengan ke

sepuluh atau 15 cm dari tuas sehingga gaya yang diperlukan agar terjadi

kesetimbangan yakni 1,0 Newton.

Kegiatan ini dilakukan sebanyak lima kali dimana beban pertama dan

beban kedua ditempatkan pada lengan gaya yang berbeda – beda begitupun

dengan posisi neraca pegasnya. Pada kegiatan kedua beban pertama diletakkan

pada posisi 4,5 cm dari pusat tuas dan beban kedua pada lengan gaya 10,5 cm dari

pusat tuas sedangkan posisi neraca pegasya yakni 13,5 cm sehingga gaya yang

diperlukan agar terjadi kesetimbangan statis yakni 0,7 Newton.

Pada kegiatan ketiga beban pertama diletakkan pada lengan gaya 9 cm dari

pusat tuas dan beban kedua pada lengan gaya 13,5 cm dari pusat tuas sedangkan

posisi neraca pegasya yakni 10 cm sehingga gaya yang diperlukan agar terjadi

kesetimbangan statis yakni 1,5 Newton.

Pada kegiatan ke empat beban pertama diletakkan pada lengan gaya 7,5

cm dari pusat tuas dan beban kedua pada lengan gaya 16,5 cm dari pusat tuas

sedangkan posisi neraca pegasya yakni 18 cm sehingga gaya yang diperlukan agar

terjadi kesetimbangan statis yakni 1,0 Newton.

Pada kegiatan ke lima beban pertama diletakkan pada lengan gaya kelima

atau 13,5 cm dari pusat tuas dan beban kedua pada lengan gaya kesebelas atau

18,0 cm dari pusat tuas sedangkan posisi neraca pegasya yakni 16,0 cm sehingga

gaya yang diperlukan agar terjadi kesetimbangan statis yakni 1,4 Newton.

Pengamatan di atas adalah hasil analisis data. yang mana kondisi yang pertama

dicari setiap torsi beban dan gaya bersama dengan ketidakpastian, kesalahan

relatifnya. Dan untuk melihat apakah memenuhi keseimbangan kemudian

mengukur keseimbangan dengan menggunakan rumus τ tot=¿ (τ 1+τ2 )−τ f ¿ perhitungan

yang harus Στ = 0 dan setelah semua data sudah ada maka kita dapat menentukan

tingkat keseimbangan objek. Perhitungan yang digunakan dalam kondisi pertama

sama dengan perhitungan yang dilakukan untuk kondisi kedua, ketiga, keempat

dan kelima.

Dari semua data yang diperoleh, semuanya mendekati nol (ketika

dibulatkan menjadi satu angka sama dengan nol), sehingga sesuai dengan hukum

kesetimbangan gaya. Dapat disimpulkan bahwa pengamatan dan perhitungan yang

dilakukan di laboratorium ini, sistem kesetimbangan gaya sesuai dengan prinsip-

prinsip Hukum kesetimbangan gaya berarti sesuai dengan teori yang ada.

KESIMPULAN

Berdasarkan rumusan masalah yang diajukan pada praktikum yang telah

dilakukan adalah, kesetimbangan statis adalah suatu keadaan dimana resultan atau

jumlah gaya maupun torsi yang diberikan pada suatu benda sama dengan nol

sehingga benda dalam keadaan diam (tidak bergerak/statis), kondisi-kondisi pada

kesetimbangan statis adalah ketika benda dalam keadaan diam dengan tercapainya

syarat kesetimbangan yaitu kondisi kesetimbangan transalsi dan kesetimbangan

rotasi, prinsip kesetimbangan adalah ketika suatu benda diberikan gaya maupun

torsi maka benda tersebut memiliki nilai resultan gaya sama dengan nol ∑F = 0

dan resultan momen gaya sama dengan nol atau ∑τ = 0.

Dari hasil analisis data di atas dapat diketahui bahwa beban yang

digantungkan pada lengan gaya yang berbeda diperlukan gaya yang berbeda pula

agar terjadi kesetimbangan. Dari kegiatan tersebut dapat diketahui bahwa semakin

panjang tuas yang digunakan untuk menyeimbangkan gaya di perlukan juga gaya

yang besar dengan kata lain moment gaya berbanding lurus dengan panjang

lengan gaya dan gaya yang bekerja pada tuas dua lengan.

DAFTAR RUJUKAN

[1] Herman, dkk. 2014. Penuntun Praktikum Fisika Dasar 1 Unit Laboratorium

Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA UNM.

[2] Puwanto Budi. 2009. Theory and Application of Physics. Jakarta: Tiga

Serangkai.

[3] Tim Guru Indonesia. 2010. Buku Pintar Pelajaran Six in One. Jakarta: Wahyu

Media.

[4] Tim Koordinator Tentor RPC. 2014. Hand Book untuk Program IPA.

Makassar: Litbang.