Dunia yang mengelilingi kita terus bergerak. Namun demikian, ada sistem yang dapat berada dalam keadaan relatif diam dan seimbang. Salah satunya adalah tuas. Pada artikel ini, kita akan mempertimbangkan apa itu dari sudut pandang fisika, dan juga memecahkan beberapa masalah pada kondisi keseimbangan tuas.
Apa itu tuas?
Dalam fisika, tuas adalah mekanisme sederhana yang terdiri dari balok (papan) tanpa bobot dan satu penyangga. Letak tumpuan tidak tetap, sehingga dapat ditempatkan lebih dekat ke salah satu ujung balok.
Menjadi mekanisme yang sederhana, tuas berfungsi untuk mengubah gaya menjadi jalur, dan sebaliknya. Terlepas dari kenyataan bahwa gaya dan jalan adalah kuantitas fisik yang sama sekali berbeda, mereka terkait satu sama lain dengan rumus kerja. Untuk mengangkat beban apa pun, Anda perlu melakukan beberapa pekerjaan. Ini dapat dilakukan dengan dua cara berbeda: menerapkan gaya besar dan memindahkan beban dalam jarak pendek, atau bertindak dengan gaya kecil, tetapi pada saat yang sama meningkatkan jarak gerakan. Sebenarnya, untuk inilah leverage itu. Singkatnya, mekanisme ini memungkinkan Anda untuk menang di jalan dan kalah dalam kekuatan, atau, sebaliknya, menang dalam kekuatan, tetapi kalah di jalan.
Gaya yang bekerja pada tuas
Artikel ini dikhususkan untuk kondisi keseimbangan tuas. Setiap keseimbangan dalam statika (cabang fisika yang mempelajari benda diam) mengandaikan ada atau tidak adanya gaya. Jika kita menganggap tuas dalam bentuk bebas (balok dan penyangga tanpa bobot), maka tidak ada gaya yang bekerja padanya, dan itu akan seimbang.
Ketika pekerjaan dilakukan dengan tuas jenis apa pun, selalu ada tiga gaya yang bekerja padanya. Mari kita daftar mereka:
- Berat kargo. Karena mekanisme tersebut digunakan untuk mengangkat beban, jelas bahwa beratnya harus diatasi.
- Gaya reaksi eksternal. Ini adalah gaya yang diberikan oleh seseorang atau mesin lain untuk melawan berat beban pada balok lengan.
- Reaksi dukungan. Arah gaya ini selalu tegak lurus terhadap bidang balok tuas. Gaya reaksi penyangga diarahkan ke atas.
Kondisi keseimbangan tuas melibatkan pertimbangan tidak begitu banyak gaya kerja yang ditandai sebagai momen gaya yang diciptakan oleh mereka.
Apa itu momen gaya
Dalam fisika, momen gaya, atau torsi, disebut nilai yang sama dengan hasil kali gaya eksternal oleh bahu. Bahu gaya adalah jarak dari titik penerapan gaya ke sumbu rotasi. Kehadiran yang terakhir ini penting dalam menghitung momen gaya. Tanpa kehadiran sumbu rotasi, tidak ada gunanya membicarakan momen gaya. Mengingat definisi di atas, kita dapat menulis ekspresi berikut untuk torsi M:
M=Fd
Sejujurnya, kami mencatat bahwa momen gaya sebenarnya adalah besaran vektor, namun, untuk memahami topik artikel ini, cukup mengetahui bagaimana modulus momen gaya dihitung.
Selain rumus di atas, perlu diingat bahwa jika gaya F cenderung memutar sistem sehingga mulai bergerak berlawanan arah jarum jam, maka momen yang tercipta dianggap positif. Sebaliknya, kecenderungan untuk memutar sistem searah jarum jam menunjukkan torsi negatif.
Rumus kondisi kesetimbangan tuas
Gambar di bawah menunjukkan tuas tipikal, dan nilai bahu kanan dan kirinya juga ditandai. Gaya luar diberi label F dan beban yang diangkat diberi label R.
Dalam statika, agar sistem beristirahat, dua kondisi harus dipenuhi:
- Jumlah gaya luar yang mempengaruhi sistem harus sama dengan nol.
- Jumlah semua momen gaya-gaya yang disebutkan terhadap sumbu mana pun harus nol.
Yang pertama dari kondisi ini berarti tidak adanya gerakan translasi dari sistem. Jelas bagi tuas, karena penopangnya kuat di lantai atau tanah. Oleh karena itu, memeriksa kondisi keseimbangan tuas hanya melibatkan pemeriksaan validitas ekspresi berikut:
∑i=1Mi=0
Karena dalam kasus kamihanya tiga gaya yang bekerja, tulis ulang rumus ini sebagai berikut:
RdR- FdF+ N0=0
Gaya reaksi dukungan momen tidak tercipta. Mari kita tulis ulang ekspresi terakhir sebagai berikut:
RdR=FdF
Ini adalah kondisi keseimbangan tuas (dipelajari di kelas 7 sekolah menengah dalam pelajaran fisika). Rumus menunjukkan: jika nilai gaya F lebih besar dari berat beban R, maka bahu dFharus lebih kecil dari bahu dR. Yang terakhir berarti bahwa dengan menerapkan gaya besar pada jarak pendek, kita dapat memindahkan beban jarak jauh. Situasi sebaliknya juga benar, ketika F<R dan, karenanya, dF>dR. Dalam hal ini, gain diamati berlaku.
Masalah Gajah dan Semut
Banyak orang tahu pepatah terkenal Archimedes tentang kemungkinan menggunakan tuas untuk menggerakkan seluruh bola dunia. Pernyataan yang berani ini masuk akal secara fisik, mengingat rumus keseimbangan tuas yang ditulis di atas. Mari kita tinggalkan Archimedes dan Earth sendirian dan selesaikan masalah yang sedikit berbeda, yang tidak kalah menarik.
Gajah dan semut ditempatkan pada lengan tuas yang berbeda. Misalkan pusat massa gajah adalah satu meter dari tumpuan. Berapa jarak yang harus ditempuh semut untuk menyeimbangkan gajah?
Untuk menjawab pertanyaan masalah, mari kita beralih ke data tabular pada massa hewan yang dipertimbangkan. Misalkan massa semut 5 mg (510-6kg), massa gajah akan dianggap sama dengan 5000 kg. Menggunakan rumus keseimbangan tuas, kita mendapatkan:
50001=510-6x=>
x=5000/(510-6)=109m.
Semut memang dapat menyeimbangkan gajah, tetapi untuk melakukannya, ia harus berada pada jarak 1 juta kilometer dari penyangga tuas, yang setara dengan 1/150 jarak dari Bumi ke Matahari!
Masalah dengan penyangga di ujung balok
Seperti disebutkan di atas, pada tuas, penyangga di bawah balok dapat ditempatkan di mana saja. Asumsikan bahwa itu terletak di dekat salah satu ujung balok. Tuas tersebut memiliki satu lengan, ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Asumsikan bahwa beban (panah merah) memiliki massa 50 kg dan terletak tepat di tengah lengan tuas. Berapa banyak gaya luar F (panah biru) yang harus diterapkan pada ujung lengan untuk menyeimbangkan berat ini?
Mari kita tentukan panjang lengan tuas sebagai d. Kemudian kita dapat menulis kondisi kesetimbangan dalam bentuk berikut:
Fd=Rd/2=>
F=mg/2=509, 81/2=245, 25 N
Jadi, besarnya gaya yang diberikan harus setengah dari berat beban.
Tipe tuas ini digunakan dalam penemuan seperti gerobak dorong tangan atau pemecah kacang.
