Kesetimbangan Benda Tegar, Statis, dan Dinamis

    Kesetimbangan secara bahasa berasal dari kata imbang yang berarti setimbang; sebanding; sama (berat, derajat, ukuran, dan sebagainya). Kesetimbangan secara istilah adalah kondisi/keadaan/sifat suatu hal (benda atau fenomena) yang setimbang (tidak berat sebelah) sehingga memiliki kecenderungan untuk berada dalam kemantapan/ketetapan. (Sumber: Ahmad Alfikri, 2020).

    Benda Tegar adalah suatu benda yang tidak berubah bentuknya ketika diberi gaya luar dan torsi. Bentuk (geometri) benda tegar akan selalu tetap sekalipun dikenakan gaya. Jadi sekalipun dia bergerak translasi atau rotasi bentuknya tidak akan berubah, contohnya meja, kursi, bola, dll. 

    Sifat Benda Tegar:

1. Memiliki Pusat Massa, yaitu lokasi rerata dari semua massa yang ada di dalam suatu sistem. Dalam kasus benda tegar, letakpusat massa adalah tetap dalam hubungannya dengan tubuh benda. Istilah pusat massa sering disamakan dengan istilah pusat gravitasi, namun demikian mereka secara fisika merupakan konsep yang berbeda. 

2. Memiliki Titik Berat, yaitu suatu titik kesetimbangan suatu benda ataupun suatu bangun baik itu Panjang, maupun Luas, dan Volume. Tiap benda terdiri atas bagian-bagian kecil yang masing-masing memiliki berat.  Benda luasan apa pun baik yang beraturan maupun tidak beraturan ,memiliki titik berat dan pusat massa.

    Momen gaya (torsi) adalah sebuah besaran yang menyatakan besarnya gaya yang bekerja pada sebuah benda sehingga mengakibatkan benda tersebut berotasi. Besarnya momen gaya (torsi) tergantung pada gaya yang dikeluarkan serta jarak antara sumbu putaran dan letak gaya. Rumus momen gaya adalah:

τ =r F sinθ 

Keterangan:    τ = torsi (Nm)

                        r = jarak radial dari sumbu ke titik tangkap gaya (m)

                        F = gaya yang bekerja pada benda (N)

                        θ = sudut lancip antara garis-garis r dan F

    Kesetimbangan Benda Tegar adalah kondisi dimana momentum benda tegar sama dengan nol. Artinya jika awalnya benda tegar tersebut diam, maka ia akan tetap diam. Namun jika awalnya benda tegar tersebut bergerak dengan kecepatan konstan, maka ia akan tetap bergerak dengan kecepatan konstan. Jika beberapa gaya diberikan pada sebuah benda tegar tetapi gaya-gaya tersebut saling meniadakan satu sama lain sehingga tidak menghasilkan perubahan keadaan gerak pada benda maka benda tersebut berada dalam kesetimbangan. Jadi kesetimbangan benda tegar bisa didefinisikan keadaan dimana benda tegar berada dalam keadaan stabil atau seimbang setelah semua gaya diterapkan padanya.

    Jika ditinjau dari sistem partikel, maka syarat kesetimbangan yang berlaku pada benda hanya syarat keseimbangan translasi. Hal itu berbeda dengan syarat keseimbangan benda tegar. Syarat keseimbangan yang berlaku pada benda tegar adalah syarat keseimbangan translasi dan rotasi. 

    Syarat Kesetimbangan Benda Tegar:

1. Resultan vector dari semua gaya yang bekerja pada benda tegar harus sama dengan nol (ΣF = ΣFx = ΣFy = 0). 

2. Resultan torsi yang bekerja pada benda tegar harus sama dengan nol (Στ = 0).

(Sumber: google.com)    

    Penurunan Syarat Kesetimbangan Benda Tegar:

Perlu diperhatikan bahwa momentum terbagi menjadi dua, yakni momentum linear dan momentum angular. Pertama, kita meninjau momentum linear (p = 0). Momentum linear dan impuls dihubungkan oleh persamaan:    

ΣF . ∆𝑡 = ∆𝑝 atau  ΣF = ∆𝑝/∆𝑡

Karena p konstan maka akibatnya ∆𝑝 = 0, sehingga ΣF = 0.

Kemudian dengan cara yang sama kita meninjau momentum angular L. Momentum angular dan impuls angular dihubungkan oleh persamaan:

Στ . ∆𝑡= ∆𝑳 atau Σ𝜏=∆𝐿/∆𝑡

Karena L konstan maka akibatnya ∆𝑳 = 0, sehingga Στ = 0                  

         

Alternatif lainnya dalam memahami momentum angular ini, ambillah sumbu tegak lurus terhadap bidang dari gaya-gaya sebidang. Lalu ambillah suatu acuan dimana jika torsi yang menyebabkan putaran searah bernilai positif dan torsi yang menyebabkan putaran berlawanan arah jarum jam adalah negative. Kedua torsi yang saling berlawanan arah ini menyebabkan kondisi Στ = 0.

    Jenis-jenis Kesetimbangan Benda Tegar:

Sesuai dengan hukum Newton, partikel setimbang (ΣF = 0) tidak mengharuskan benda dalam keadaan diam, tetapi percepatan partikel haruslah sama dengan nol. Ketika sebuah partikel dalam keadaan seimbang, partikel tersebut berada dalam keadaan diam atau sedang bergerak dengan kecepatan konstan. Partikel yang dalam keadaan diam disebut setimbang statis, sedangkan partikel yang dalam keadaan bergerak lurus beraturan ( kecepatan konstan) disebut setimbang dinamis (mekanis). (Sumber: Bob Foster, 2015).

Disebut mekanis karena penyebab/faktor partikel tersebut bergerak (gaya atapun kecenderungan lain yang memaksa partikel bergerak) sengaja dibentuk/ diadakan/ditetapkan.

Secara umum kesetimbangan benda tegar dapat dikelompokkan menjadi dua, yakni kesetimbangan dinamis (benda yang bergerak baik secara translasi/linear ataupun secara angular) dan kesetimbangan statis (benda yang betul-betul diam).

1. Kesetimbangan Dinamis

Kesetimbangan Dinamis terjadi apabila benda atau partikel tetap dalam keadaan bergerak dengan kecepatan konstan (dinamis), posisinya berbubah terhadap waktu, baik secara tranlasi ataupun rotasi di bawah pengaruh beberapa gaya. Dimanapun letak koordinat titik beratnya, benda/partikel/fenomena tersebut selalu dalam keadaan setimbang.

Contoh: Fenomena Jungkat-jungkit

(Sumber: google.com)

2. Kesetimbangan Statis

Benda dikatakan berada dalam kesetimbangan statis ketika jumlah total dari semua gaya yang bekerja pada benda saat diam adalah nol, sehingga benda tetap dalam keadaan diam. Kesetimbangan Statis dikelompokkan menjadi 3, yaitu:

a. Kesetimbangan stabil, terjadi apabila suatu benda diberikan gaya maka posisinya akan berubah. Namun bila gaya tersebut dihilangkan maka posisinya akan kembali ke titik semula.

Contoh kesetimbangan stabil: kelereng di dasar mangkok ½ lingkaran. Ketika kelerang diberi gangguan (gaya) sehingga posisinya menjadi naik, namun ketika gaya tersebut dihilangkan maka posisi kelereng akan kembali ke dasar mangkok.

(Sumber: Dwi. S. Palupi, dkk., 2009)

b. Kesetimbangan labil (tidak stabil), terjadi apabila suatu benda diberikan gaya maka posisinya akan berubah. Namun bila gaya tersebut dihilangkan maka posisinya tidak akan kembali ke titik semula.

Contoh kesetimbangan labil: kelereng yang diam di puncak mangkok ½ lingkaran yang terbalik. Ketika kelereng diberi gangguan sedikit, maka ia akan jatuh ke bawah, dan tidak akan kembali ke posisi semula.

(Sumber: Dwi. S. Palupi, dkk., 2009)

c. Kesetimbangan indeferen atau netral adalah kesetimbangan yang mana jika suatu benda diberikan gangguan maka titik berat benda tidak mengalami perubahan.

Contoh kesetimbangan netral: kelereng yang ada di atas lantai. Ketika kelereng diberi gangguan, maka posisinya akan bergeser. Namun titik beratnya tidak akan berpindah secara vertikal.

(Sumber: Bambang Haryadi, 2009)