laporan fisika dasar (sistem kesetimbangan gaya)
TRANSCRIPT
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.