Materi Dinamika Rotasi dan Kesetimbangan Benda Tegar | Fisika Kelas 11 SMA

Dinamika rotasi dan keseimbangan benda tegar menjadi salah satu materi yang akan kamu pelajari dalam mata pelajaran Fisika kelas 11 Kurikulum Merdeka.

Materi dinamika rotasi dan kesetimbangan benda tegar ini berkaitan erat dengan Hukum II Newton. Jadi, untuk mempelajari materi ini ada baiknya kamu memahami terlebih dahulu tentang dinamika partikel, ya.

Nah, dalam artikel berikut sudah dirangkumkan secara singkat materi dinamika rotasi dan kesetimbangan benda tegar yang bisa jadi bahan bacaan kamu di rumah.

Berikut Materi Dinamika Rotasi dan Kesetimbangan Benda Tegar

Materi Fisika kelas 11 umumnya adalah mata pelajaran yang mempelajari berbagai fenomena alam melalui pendekatan ilmiah dan matematis. 

Materi yang diajarkan mencakup konsep-konsep penting seperti gerak gaya, gelombang, vektor, dan lain sebagainya. Pembelajaran ini bertujuan agar siswa memahami hukum-hukum fisika yang berlaku dalam kehidupan sehari-hari.

Dalam pembelajaran Fisika kelas 11, siswa juga akan mempelajari materi dinamika rotasi dan kesetimbangan benda tegar yang dirancang untuk membangun pemahaman siswa secara bertahap.

Materi ini memadukan pemahaman konsep gaya, hukum Newton, dan perhitungan vektor dalam situasi dunia nyata.

Apa itu Dinamika Rotasi?

Dalam buku Fisika Dinamika Rotasi dan Kesetimbangan Benda Tegar yang disusun oleh Herry Setyawan (2020), dinamika rotasi adalah suatu ilmu yang mempelajari tentang pergerakan benda yang berputar dengan memperhatikan aspek penyebabnya.

Sederhananya, suatu benda disebut berotasi ketika semua bagian benda tersebut bergerak mengelilingi poros atau sumbu putar. Suatu benda berputar atau berotasi dikarenakan terdapat momen gaya atau torsi.

Selain momen gaya, dalam dinamika rotasi dikenal juga momen inersia. Berikut penjelasan momen gaya dan momen inersia beserta rumusnya.

1. Momen Gaya atau Torsi

Penerapan torsi atau momen gaya di kehidupan sehari-hari contohnya ada pada kunci dan baut. Dalam hal ini, baut berfungsi sebagai sumbu rotasi lalu ada yang disebut garis kerja gaya yaitu perpanjangan garis gaya.

Apabila gaya (F) diberikan tangan (garis kerja gaya) tegak lurus terhadap lengan kunci, maka lengan kunci berfungsi sebagai lengan gaya. 

Tetapi, jika gaya yang diberikan tidak tegak lurus lengan kunci, maka lengan gaya merupakan jarak yang tegak lurus dari sumbu rotasi dengan garis kerja gaya (r).

2. Momen Inersia (I)

Selain momen gaya, dalam dinamika rotasi dikenal juga momen inersia (I) adalah hasil kali antara massa partikel dan kuadrat jarak partikel dari sumbu rotasi.

Apa itu Kesetimbangan Benda Tegar?

 Kesetimbangan benda tegar adalah kondisi di mana sebuah benda tetap dalam posisi diam atau bergerak dengan kecepatan konstan tanpa mengalami rotasi atau translasi. 

Dalam fisika, “tegar” mengacu pada sifat suatu benda untuk tetap dalam keadaan tertentu ketika dikenai gaya. Kesetimbangan benda tegar berhubungan dengan hukum Newton dan momen inersia.

Umumnya terdapat dua jenis kesetimbangan benda tegar, antara lain:

1. Kesetimbangan Statis

Kesetimbangan statis terjadi ketika benda berada dalam keadaan diam dan tidak bergerak. Ini berarti bahwa jumlah gaya pada benda dalam arah horizontal dan vertikal adalah nol. 

Artinya, hasil dari gaya-gaya yang bekerja pada benda adalah nol, sehingga benda tetap dalam posisi diam tanpa bergerak.

2. Kesetimbangan Dinamis

Kesetimbangan dinamis terjadi ketika benda bergerak dengan kecepatan konstan tanpa mengalami percepatan. 

Dalam kondisi ini, gaya-gaya pada benda mungkin tidak nol, tetapi jumlah dari gaya-gaya tersebut menyebabkan benda bergerak dengan kecepatan konstan dalam garis lurus, atau dalam gerakan melingkar konstan tanpa mengalami rotasi tambahan.

Contoh Soal Dinamika Rotasi Fisika Kelas 11

Berikut adalah beberapa contoh soal fisika kelas 11 materi dinamika rotasi yang dilansir dari kumparan.com:

Soal 1

1. Bangun persegi ABCD dengan sisi-sisi 20 √2 cm, bekerja gaya F = 10 N. Besarnya torsi F dengan poros di titik A adalah…

a. 2 Nm

b. 2 √2 Nm

c. 4 Nm

d. 20 √2 Nm

e. 200 Nm

Pembahasan:

Sudut bujur sangkar  ∅ = 45°

τ = F.R.sin ∅ = 10.20√2.1/2√2 = 200 Nm (E).

Soal 2

2. Apabila dimensi massa, panjang, dan waktu berturut- turut adalah M, L, dan T, maka dimensi dari momen gaya adalah….

a. ML pangkat -2 T pangkat -2

b. ML pangkat -1 T pangkat -2

c. MLT pangkat -2

d. MT² T pangkat -2

e. ML² T²

Pembahasan:

τ = F.R = MLT pangkat -2 L = ML²T pangkat -2 (D).

Soal 3

Sistem benda tegar dirangkai dalam neraca dengan titik kiri berjarak 4 m dan F = 200 N, dan titik kanan berjarak 8 m. Agar sembang, maka besarnya F di titik kanan adalah…

a. 50 N

b. 80 N

c. 100 N

d. 120 N

e. 180 N

Pembahasan:

F1.R1 = F2.R2

= 200.4 = F.8

F = 100 N (C).

4. Batang panjang homogen dengan massa 1300 gr dan panjang 13 m disandarkan pada tembok licin setinggi 5 meter dari lantai yang kasar. Agar batang homogen tidak tergelincir, maka koefisien gesekan antara lantai dan batang harus bernilai…

a. 1,45

b. 1,2

c. 0,9

d. 0,75

e. 0,4

Pembahasan:

uk = 1/ 2 tan ∅ = 1 : 2.5/12 = 1,2 (B).

Contoh Soal Kesetimbangan Benda Tegar Fisika Kelas 11

Berikut adalah beberapa contoh soal materi kesetimbangan benda tegar yang bisa jadi bahan belajar di rumah:

Soal 1

Sebuah papan sepanjang 2 meter diletakkan di atas dua penyangga di kedua ujungnya. Penyangga kiri berada pada jarak 0,5 meter dari ujung kiri papan, sedangkan penyangga kanan berada pada jarak 0,8 meter dari ujung kanan papan. 

Sebuah balok dengan massa 5 kg diletakkan pada papan pada jarak 1,2 meter dari ujung kiri papan. Tentukan berapa besar massa dari balok kedua agar papan tetap dalam kesetimbangan.

Pembahasan:

1) Identifikasi gaya-gaya yang bekerja pada papan dan balok:

• Gaya berat balok mengarah ke bawah dengan besar m * g, di mana m adalah massa balok (yang akan kita cari) dan g adalah percepatan gravitasi.
• Gaya berat papan mengarah ke bawah dengan besar m_papan * g, di mana m_papan adalah massa papan. Untuk kesederhanaan, asumsikan massa papan sangat besar sehingga perhatikan bahwa gaya berat papan akan memiliki momen nol terhadap titik-titik penyangga.
• Gaya penyangga di A (F_A) dan B (F_B) mengarah ke atas untuk menyeimbangkan gaya berat balok dan papan.

2) Tentukan momen gaya yang bekerja pada papan terhadap titik penyangga:

• Momen gaya di A: F_A * 0,5 m (karena jarak dari penyangga A ke ujung kiri papan adalah 0,5 m).
• Momen gaya di B: F_B * 0,8 m (karena jarak dari penyangga B ke ujung kanan papan adalah 0,8 m).

3) Terapkan persamaan kesetimbangan untuk momen gaya:

Dalam keadaan kesetimbangan, total momen gaya harus nol, sehingga:

Στ = 0

F_A * 0,5 m – F_B * 0,8 m = 0

4) Tentukan besar gaya di A dan B:

Karena papan tetap dalam kesetimbangan, maka F_A = F_B.

5) Tentukan besar gaya penyangga F_A:

F_A = (m * g) + (m_papan * g)

F_A = (m * g) + (m_papan * g)

6) Tentukan momen gaya berat balok terhadap titik penyangga:

Momen gaya berat balok di C: (m * g) * 1,2 m

7) Terapkan persamaan kesetimbangan untuk momen gaya:

Dalam keadaan kesetimbangan, total momen gaya harus nol, sehingga:

F_A * 0,5 m – F_B * 0,8 m – (m * g) * 1,2 m = 0

8) Tentukan besar gaya di A dan B:

F_A = (m * g) + (m_papan * g)

9) Tentukan momen gaya berat balok terhadap titik penyangga:

Momen gaya berat balok di C: (m * g) * 1,2 m

10) Terapkan persamaan kesetimbangan untuk momen gaya:

Dalam keadaan kesetimbangan, total momen gaya harus nol, sehingga:

F_A * 0,5 m – F_B * 0,8 m – (m * g) * 1,2 m = 0

11) Tentukan besar gaya penyangga F_A:

F_A = (m * g) + (m_papan * g)

12) Tentukan momen gaya berat balok terhadap titik penyangga:

Momen gaya berat balok di C: (m * g) * 1,2 m

13) Terapkan persamaan kesetimbangan untuk momen gaya:

Dalam keadaan kesetimbangan, total momen gaya harus nol, sehingga:

F_A * 0,5 m – F_B * 0,8 m – (m * g) * 1,2 m = 0

14) Gantikan F_A dengan (m * g) + (m_papan * g) dalam persamaan di atas:

((m * g) + (m_papan * g)) * 0,5 m – F_B * 0,8 m – (m * g) * 1,2 m = 0

15) Atur ulang persamaan di atas untuk mencari F_B:

F_B * 0,8 m = ((m * g) + (m_papan * g)) * 0,5 m – (m * g) * 1,2 m

F_B = (((m * g) + (m_papan * g)) * 0,5 m – (m * g) * 1,2 m) / 0,8 m

16) Tentukan nilai F_B dalam persamaan di atas untuk memperoleh nilai massa balok (m):

m * g = (((m * g) + (m_papan * g)) * 0,5 m – (m * g) * 1,2 m) / 0,8 m

Cari nilai m:

m = (((m * g) + (m_papan * g)) * 0,5 m – (m * g) * 1,2 m) / (0,8 m * g)

17) Sederhanakan persamaan di atas untuk mencari nilai m:

m = (0,5 – 1,2) / 0,8

m = -0,7 / 0,8

m = -0,875 kg

Soal 2

Batang homogen dengan berat 100 N digunakan sebagai tuas. Agar beban 500 N pada ujung yang satu dapat diimbangi dengan beban 200 N pada ujung yang lain, tentukan besaran beban yang tepat untuk menjadi penyangganya.

Pembahasan:

∑τ = 0

x 200 sin (90°) + (x-L/2) 100 sin (90°) – (L-x) 500 sin (90°) = 0

200x + 100x – 50L – 500L + 500x = 0

x = 0.69L pada bagian ujung kiri

Beban S yang menekan pada penyangga dihitung dengan persamaan:

∑Fy = 0

S – 200 N – 100 N – 500 N = 0

S = 800 N

Jadi, beban penyangga yang dapat digunakan adalah sebesar 800 N.

Nah, di atas tadi merupakan informasi tentang info materi dinamika rotasi dan kesetimbangan benda tegar Fisika kelas 11 yang bisa Mamikos bagikan kepada kamu.

Buat kamu yang ingin mengulik lebih banyak seputar informasi materi Fisika lainnya, kamu bisa kunjungi situs blog Mamikos dan temukan informasinya di sana.

---

Klik dan dapatkan info kost di dekat kampus idamanmu:

Kost Dekat UGM Jogja

Kost Dekat UNPAD Jatinangor

Kost Dekat UNDIP Semarang

Kost Dekat UI Depok

Kost Dekat UB Malang

Kost Dekat Unnes Semarang

Kost Dekat UMY Jogja

Kost Dekat UNY Jogja

Kost Dekat UNS Solo

Kost Dekat ITB Bandung

Kost Dekat UMS Solo

Kost Dekat ITS Surabaya

Kost Dekat Unesa Surabaya

Kost Dekat UNAIR Surabaya

Kost Dekat UIN Jakarta