Salah satu karakterisrik dari gerak benda melingkar adalah memiliki rumus gaya sentripetal. Gaya sentripetal merupakan sebutan untuk gaya yang selalu menuju pusat lingkaran dan tegak lurus dengan vektor kecepatan tangensial. Kebalikan dari gaya sentripetal adalah gaya sentrifugal, yaitu gaya yang selalu menjauhi pusat lingkaran. Satuan gaya sentripetal dinyatakan seperti satuan gaya lain pada umumnya yaitu Newton (N).
Besar gaya yang menuju pusat lingkaran pada benda yang bergerak melingkar dihitung melalui rumus gaya sentripetal dengan persamaan Fs = m × as. Di mana Fs merupakan besar gaya sentripetal, m adalah massa benda, dan as adalah percepatan sentripetal.
Gaya sentripetal terdapat pada setiap gerak melingkar, baik gerak melingkar vertikal atau gerak melingkar harisontal. Gerak melingkar vertikal adalah gerak melingkar dengan lintasan vertikal terhadap pusat bumi.
Contoh gerak melingkar vertikal terdapat pada gerak benda diputar vertikal, roler coaster, dan jembatan melengkung. Gerak melingkar horisontal adalah gerak melingkar yang lintasannya pada bidang horisontal. Contoh gerak melingkar horisontal terdapat pada belokan jalan, ayunan konis, pesawat yang membelok atau memutar, dan gerak bulan mengelilingi bumi.
Baca Juga: Perbedaan Kelajuan dan Kecepatan Rata-Rata dalam Bahasan Fisika
Apa itu percepatan sentripetal? Bagaimana bentuk rumus gaya sentripetal yang dapat digunakan untuk menentukan besar gaya sentripetal? Sobat idschool dapat mencari tahu lebih banyak tentang gaya sentripetal melalui ulasan di bawah.
Table of Contents
- Rumus Gaya Sentripetal (Fs)
- Percepatan Sentripetal pada Gerak Melingkar Beraturan (GMB)
- Contoh Soal dan Pembahasan
Rumus Gaya Sentripetal (Fs)
Adanya gaya sentripetal (Fs) dapat ditunjukkan melalui sebuah percobaan sederhana. Percobaan tersebut dapat dilakukan menggunakan sebuah benda yang dikat tali kemudian diputar membentuk gerak melingkar.
Pada saat tali diputar, terdapat gaya tegangan tali yang dapat dilihat dari kondisi tali yang tegang sehingga beban dapat berputar. Tegangan tali (T) yang timbul saat diputar melingkat merupakan gaya sentripetal (Fs). Di mana besar tegangan tali dan gaya sentripetal pada gerak melingkar adalah sama (T = Fs).
Besar gaya sentripetal dipengaruhi oleh massa, kecepatan, dan jari-jari lintasan. Besar gaya sentripetal (Fs) memiliki hubungan sebanding dengan massa benda (m), kuadrat kecepatan sudutnya (ω^2), dan jari-jari lintasan (R). Rumus gaya sentripetal berikut dapat digunakan untuk menghitung besar gaya sentripetal pada benda dengan gerak melingkar.
Baca Juga: Gerak Benda Jatuh Bebas dan Vertikal ke Atas
Percepatan Sentripetal pada Gerak Melingkar Beraturan (GMB)
Hukum II Newton menyatakan bahwa gaya yang bekerja pada benda yang bergerak sebanding dengan percepatannya. Hubungan yang dinyatakan dalam Hukum II Newton tersebut juga berlaku pada gerak melingkar. Gaya sentripetal (Fs) yang bekerja pada gerak benda yang melingkar akan menimbulkan percepatan yang diberi nama percepatan sentripetal.
Percepatan rata-rata adalah rasio perubahan kecepatan terhadap selang waktu ∆t. Benda yang melakukan gerak melingkar beraturan memiliki percepatan yang disebut dengan percepatan sentripetal. Arah percepatan sentripetal selalu menuju ke arah pusat lingkaran dan tegak lurus dengan arah kecepatan tangensial (v).
Percepatan sentripetal tidak berfungsi untuk mengubah kecepatan linear. Namun, peran dari percepatan sentripetal adalah untuk mengubah arah kecepatan benda sehingga lintasan yang dilalui berbentuk lingkaran. Besar percepatan sentripetal dinyatakan melalui persamaan di bawah.
Baca Juga: Persamaan pada Benda dengan Gerak Parabola
Contoh Soal dan Pembahasan
Sobat idschool dapat menambah pemahaman terkait bahasan di atas melalui beberapa contoh soal di bawah. Setiap soal dilengkapi dengan pembahasan yang dapat digunakan sebagai tolak ukur keberhasilan mengerjakan soal. Selamat Berlatih!
Contoh 1 – Soal Penggunaan Rumus Gaya Sentripetal
Seorang Hercules memutar benda bermassa 4 kg yang diikatkan pada tali yang panjangnya 6 m dengan kelajuan konstan 12 m/s, maka besar gaya sentripetal benda tersebut adalah ….
A. 96 N
B. 86 N
C. 16 N
D. 12 N
E. 8 N
Pembahasan:
Berdasarkan keterangan yang diberikan pada gambar dapat diperoleh informasi-informasi seperti berikut.
- Massa benda: m = 4 kg
- Panjang tali: r = 6 m
- Kelajuan gerak benda: v = 12 m/s
Menghitung Fs dengan rumus gaya sentripetal:
Jadi, besar gaya sentripetal benda tersebut adalah 96 N.
Jawaban: A
Contoh 2 – Soal Penggunan Rumus Gaya Sentripetal
Sebuah benda yang massanya 5 kg bergerak secara beraturan dalam lintasan yang melingkar dengan kecepatan 2 m/s. Bila jari-jari lingkaran itu 0,5 m maka:
(1) waktu putarnya adalah 0,5π s
(2) besar percepatan sentripetalnya adalah 8 m/s2
(3) gaya sentripetalnya adalah 40 N
(4) vektor kecepatanya tidak tetap
Pernyataan yang benar dinyatakan oleh nomor ….
A. (1), (2), (3), dan (4)
B. (1), (2), dan (3)
C. (1) dan (3)
D. (2) dan (4)
E. (4) saja
Pembahasan:
Berdasarkan keterangan yang diberikan pada soal dapat diperoleh informasi-informasi seperti berikut.
- Massa benda: m = 5 kg
- Kecepatan: v = 2 m/s
- Jari-jari lingkaran: R = 0,5 m
Menghitung waktu yang dibutuhkan untuk berputar satu putaran:
Menghitung percepatan sentripetal (as):
Rumus gaya sentripetal: Fs = m × as
Menghitung gaya sentripetal:
Fs = 5 × 8
Fs = 40 N
Arah vektor kecepatan pada gerak melingkar berubah-ubah atau tidak tetap. Di mana, arah vektor kecepatan akan sesuai dengan arah garis singgung dari titik benda berada.
Jadi, pernyataan yang benar dinyatakan oleh nomor (1), (2), (3), dan (4).
Jawaban: A
Contoh 3 – Soal Penggunaan Rumus Gaya Sentripetal
Sebuah benda bermassa m diikatkan di ujung seutas tali, lalu diayunkan pada bidang vertikal dengan g = percepatan gravitasi. Agar benda dapat melakukan gerak melingkar penuh maka di titik terendah gaya sentripetal minimumnya haruslah ….
A. 5⋅mg
B. 4⋅mg
C. 3⋅mg
D. 2⋅mg
E. mg
Pembahasan:
Persamaan yang berlaku saat benda berada di titik puncak: Fs = w
Pada saat benda berada di bawah memenuhi hukum kekekalan energi, sehingga dapat diperoleh persamaan berikut.
Dari persamaan di atas diperoleh kecepatan gerak benda pada titik B yang dapat digunakan untuk menentukan gaya sentripetal pada titik B (titik terendah).
Menghitung gaya sentripetal minimum di titik terendah agar benda dapat melakukan gerak melingkar penuh:
Jadi, agar benda dapat melakukan gerak melingkar penuh maka di titik terendah gaya sentripetal minimumnya haruslah 5 mg.
Jawaban: A
Demikianlah tadi ulasan materi rumus pecepatan dan rumus gaya sentripetal pada gerak benda melingkar. Terima kasih sudah mengunjungi idschool(dot)net, semoga bermanfaat.
Baca Juga: Cara Mencari Titik Berat Benda 2 Dimensi
