Gaya Sentuhan

Dua benda atau lebih yang bersentuhan satu dengan yang lain, sesungguhnya saling mengerjakan gaya satu terhadap yang lain. Gaya-gaya ini merupakan perwujudan atau akibat keberadaan gaya-gaya listrik dan magnet yang tergabung sebagai satu ke- satuan gaya, yakni gaya elektromagnetik. Ketika dua buah benda bersentuhan, ter- jadilah interaksi antara molekul-molekul penyusun kedua benda itu yang berada di permukaan masing-masing benda itu. Gaya elektromagnetiklah yang bertanggung- jawab baik atas interaksi antara molekul-molekul di permukaan kedua benda itu ma- upun ikatan-ikatan antar molekul di masing-masing benda yang bersentuhan itu. Empat contoh gaya sentuhan yang hendak dibahas dalam bagian ini adalah gaya normal, gaya gesek, gaya Stokes, dan gaya pengereman oleh zat alir. Sebuah contoh lain bagi gaya sentuh adalah gaya tekan yang dialami oleh permukaan sebuah benda yang berada di dalam uida atau zat alir.

Gaya Normal

Ketika tumpukan buku diletakkan di atas meja kayu, maka ada sentuhan antara per- mukaan meja dengan permukaan sampul buku paling bawah (Gambar 5.9). Buku- buku dan meja kita pandang sebagai sebuah sistem mekanis. Keseluruhan buku itu akan ditarik oleh Bumi dengan gaya berat𝐖 (Gambar 5.9 sebelah kanan). Tarik- an Bumi ini akan diteruskan oleh buku-buku itu sehingga tumpukan buku-buku itu akan menekan permukaan meja dengan gaya𝐖 . Sebagai reaksinya, meja akan me-

Gambar 5.9:Tumpukan buku di atas meja

lakukan gaya𝐍yang besarnya sama dengan yang dialaminya (yakni sama besarnya dengan gaya𝐖 ), tetapi dengan arah berlawanan. Gaya𝐍ini disebutgaya normal. Gaya normal inilah yang menjaga buku tertahan di atas meja. Gaya-gaya tersebut sejatinya memiliki garis kerja yang berimpit, tetapi demi kejelasan, garis kerja gaya- gaya itu dalam Gambar 5.9 sedikit digeser.

Sekarang coba Anda bayangkan jika permukaan meja itu diganti dengan busa yang lunak. Apa yang akan terjadi dengan buku-buku itu? Jelas sekali, permukaan busa itu akan sedikit mencekung turun ke bawah (deformasi), sehingga tumpukan buku akan tertahan di sana. Tetapi permukaan busa itu tetap akan memberi reaksi pada gaya tekan tumpukan buku dengan gaya yang besarnya sama namun arahnya berlawanan. Persoalannya, mengapa deformasi permukaan itu tidak terjadi pada permukaan meja? Untuk menjawabnya, perhatikan permukaan meja sebagai sebuah benda. Ketika tumpukan buku ada di atasnya, permukaan meja itu menderita gaya tekan oleh tumpukan buku itu. Karena permukaan meja tidak mengalami deforma- si, maka tentu saja ada gaya yang bekerja pada permukaan meja yang mengimbangi gaya tekan tumpukan buku itu. Gaya apakah itu? Karena gaya tekan tumpukan bu- ku itu bearah ke bawah, maka gaya yang mengimbanginya harus berarah ke atas. Gaya yang mengimbangi gaya tekan tumpukan buku itu adalah gaya benda tegar yang merupakan perwujudan atau akibat adanya gaya ikat molekuler yang kuat an- tar molekul pada permukaan meja. Pada permukaan busa pun sejatinya terdapat gaya semacam ini, namun gaya-gaya ikat molekuler itu tidak sekuat gaya ikat mo- lekuler pada permukaan meja kayu itu sehingga pada awalnya gaya ikat molekuler busa ini tidak mampu mengimbangi gaya tekan tumpukan buku. Tetapi ketika telah terjadi deformasi secukupnya, gaya yang diakibatkan oleh ikatan molekuler itu telah mampu mengimbangi gaya tekan tumpukan buku, maka buku pun tertahan pada cekungan permukaan busa itu.

Kembali ke tupukan buku yang berada di atas meja. Untuk mengetahui besarnya gaya normal, cukuplah bagi kita untuk hanya menganalisa gaya-gaya yang bekerja pada buku saja. Ada dua gaya yang bekerja pada buku, yaitu gaya berat𝐖dan gaya normal𝐍. Oleh karena itu, resultan gaya yang bekerja pada buku itu adalah𝐖+𝐍. Tetapi, buku dalam keadaan setimbang atau buku tidak memiliki percepatan apapun. Oleh karena itu, dari hukum kedua Newton didapatkanlah persamaan,

𝐅 = 𝐖 + 𝐍 = 𝟎, (5.17) yang setara dengan pernyataan𝐍 = –𝐖. Hal ini menunjukkan besarnya gaya nor- mal sama dengan besarnya gaya gravitasi, yakni berat tumpukan buku itu.

Jika meja tempat buku tersebut di gerakkan ke atas dengan kecepatan tetap (ke- cepatan tetap berarti tidak ada percepatan atau percepatannya nol), maka buku pun dalam keadaan setimbang. Maka persamaan (5.17) tetap berlaku dan karenanya ber- laku pulalah𝐍 = –𝐖.

Contoh 5.5

Ketika Besarnya Gaya Normal Berbeda dari Besarnya Gaya Berat

Seorang astronaut Indonesia berdiri tegak pada lantai sebuah pesawat yang bergerak vertikal di atas permukaan Bumi. Pesawat itu dipercepat ke atas dengan percepatan𝑎. Jika massa astronaut itu𝑚 dan percepatan gravitasi setempat𝑔, tentukan gaya normal yang dilakukan oleh lantai pesawat itu pada astronaut.

Gaya-gaya yang bekerja pada astronaut itu adalah gaya beratnya 𝑚𝐠 dan gaya normal𝐍. Karena pesawat itu bergerak vertikal dengan percepatan𝑎ke atas, maka berlaku persamaan

𝑚𝐠 + 𝐍 = 𝑚𝐚 atau

5.5

Macam-macam Gaya

141

Jika arah vertikal dipilih sebagai sumbu-𝑧dan vektor satuannya ̂𝐤ke atas, maka𝐠 = −𝑔 ̂𝐤dan𝐚 =

𝑎 ̂𝐤. Oleh karena itu,

𝐍 = 𝑚(𝑎 ̂𝐤 − (−𝑔 ̂𝐤)) = 𝑚(𝑎 + 𝑔) ̂𝐤.

Karena dipercepat ke atas,𝑎 > 0, maka𝑁 = 𝑚(𝑎 + 𝑔) > 𝑚𝑔 = 𝑊, yakni besar gaya normal lebih besar daripada gaya berat.

Jika−2𝑔 < 𝑎 < 0,𝑁 = 𝑚(𝑎 + 𝑔) < 𝑚𝑔 = 𝑊 yakni pesawat dipercepat ke bawah dengan besar percepatannya kurang dari 2g, maka besarnya gaya normal kurang dari besarnya gaya berat.

Jika𝑎 = −𝑔, maka𝑁 = 𝑚(−𝑔 + 𝑔) = 0. Astronout itu tidak merasakan gaya normal apapun. Jika kita berdiri di atas sebuah timbangan pegas, gaya berat yang dilakukan oleh

Bumi pada diri kita akan kita teruskan sehingga badan kita melalui kaki kita mene-

kan timbangan. Gaya tekan badan kita itulah yang terbaca pada timbangan. Yang terbaca pada timbangan sebagai bobot badan kita adalah besar gaya normal yang dilakukan oleh permukaan timbangan itu pada badan kita.

Padahal besar gaya tekan yang kita lakukan pada timbangan karena gaya berat kita itu sama dengan besar gaya normal yang dilakukan oleh permukaan timbangan pada badan kita. Jadi, yang terbaca pada timbangan sebagai bobot badan kita adalah besar gaya normal yang dilakukan oleh permukaan timbangan itu pada badan kita. Jika astro- naut pada contoh di atas berdiri di atas timbangan, maka bobot astronaut itu ber- tambah pada saat 𝑎 > 0, yakni ketika pesawat dipercepat ke atas. Astronout itu berkurang bobotnya saat𝑎 < 0. Astronout itu tanpa bobot ketika𝑎 = −𝑔.

Gaya Gesek Kering

Gambar 5.10: Gaya gesek yang diala- mi benda berlawanan dengan arah ke- cepatan

Sentuhan permukaan dua buah benda dan gerak relatif antara kedua- nya menghasilkan gejala-gejala yang menarik untuk dikaji. Cabang sains yang mempelajarinya disebuttribologi. Ketika dua benda bersentuhan sehingga terdapat gaya sentuhan normal dan terdapat perbedaan keada- an gerak antara keduanya, yakni ada gerak relatif antara kedua benda itu, maka akan muncul gaya gesek yang dikerjakan oleh satu benda terhadap yang lain (Gambar 5.10). Arah gaya gesek ini sejajar dengan permukaan yang bersinggungan. Arah gaya gesek selalu berlawanan dengan arah ke- cepatan ataupun kecenderungan gerak benda. Benda yang berwarna biru pada Gambar 5.10 bergerak ke kiri dengan kecepatan𝐯relatif terhadap benda yang berwarna merah. Sentuhan antara keduanya dapat mengaki- batkan gaya gesek𝐟 yang dilakukan oleh benda merah pada benda biru. Besarnya gaya gesek yang diderita oleh benda merah bergantung pada

gaya normal yang dilakukan oleh benda yang merah pada benda biru dan sifat-sifat permukaan yang saling bersentuhan.

Dalam kehidupan sehari-hari manfaat gaya gesek ini terlihat dari ban sepeda atau mobil yang tidak selip di permukaan aspal, atau tidak selipnya sepatu atau san- dal pada lantai, paku yang tidak mudah lepas yang tertanam dalam sepotong kayu, dan lain sebagainya. Anda dapat membayangkan jika gaya gesek ini tidak ada, tentu sepeda dan mobil Anda tidak dapat berjalan karena roda-rodanya selalu selip. Ma- nusia tidak bisa berjalan karena terjadi selip antara sepatu dan lantai. Selain itu, kita tidak akan menjumpai kursi, meja, lemari, atau rumah dari kayu karena paku yang ditanamkan ke dalam kayu akan mudah lepas. Begitulah pentingnya keberadaan gaya gesek dalam kehidupan sehari-hari.

Apa penyebab munculnya gaya gesek? Secara mikroskopis gaya gesek ini dise- babkan oleh interaksi melalui terbangunnya gaya ikat antara molekul-molekul yang

berada di permukaan satu benda dengan molekul-molekul pada permukaan ben- da yang lain ketika keduanya saling bersentuhan. Berbagai

Secara mikroskopis gaya gesek ini disebabkan oleh interaksi melalui terbangunnya gaya ikat antara molekul-molekul yang berada di permukaan satu benda dengan molekul-molekul pada permukaan benda yang lain ketika keduanya saling bersentuhan.

macam gaya (ikat) an- tar molekul akan terbangun dengan sendirinya selama permukaan kedua benda itu bersentuhan. Jika kedua permukaan itu berada dalam keadaan-keadaan yang me- mungkinkan terbangunnya ikatan-ikatan itu dengan baik, maka gaya gesek itu akan semakin kuat. Keadaan-keadaan permukaan yang dimaksud semisal keadaan diam, kedua permukaan saling menekan, serta keadaan-keadaan yang terkait dengan geo- metri dan sifat-sifat sis permukaan-permukaan itu. Keadaan-keadaan terakhir ini tercermin pada parameter yang disebutkoe sien gesekdan diberi lambang𝜇. Se- bagai contoh, permukaan sol sepatu yang terbuat dari karet dan permukaan jalan beraspal memiliki koe sien gesekan cukup besar.

Dalam kaitan ini, dua hukum tentang gaya gesek layak untuk dikemukakan. Ke- dua hukum itu dikenal sebagaiHukum Amontonsdan telah ditemukan oleh orang sekitar tahun 1699.

Hukum Pertama Amontons: Hukum Pertama

Amontons:

Gaya gesek sebanding dengan gaya sentuhan normal. Koe sien gesekan tidak bergantung pada luas permukaan yang bersentuhan dan ga- ya normal. Koe sien gesekan mendekati tetapan yang bernilai selalu kurang dari satu.

Hukum Kedua Amontons:

Hukum Kedua Amontons: Koe sien gesekan tidak bergantung pada kecepatan re-

latif benda-benda yang bersentuhan.

Hukum kedua Amontons juga disebuthukum Coulomb tentang gesekan.

Jika Anda ingin memindahkan lemari buku yang sarat dengan buku-buku dari satu tempat ke tempat lain, maka Anda dapat melakukannya dengan mendorongnya. Tetapi sering terjadi, ketika Anda mencoba mendorongnya dengan dororngan ter- tentu ternyata lemari buku itu belum bergeser sedikit pun. Anda berpikir mungkin gaya dorong yang Anda berikan terlalu lemah. Jika kemudian Anda memperbesar sedikit dorongan Anda, ternyata lemari buku itu pun belum juga bergeser. Anda ti- dak menyerah, dan terus-menerus memperbesar gaya dorong, maka pada suatu saat ketika besarnya dorongan Anda mencapai nilai tertentu, ternyata lemari buku mulai bergeser. Tepat ketika Anda mulai mendorong lemari buku, muncul gaya gesek se- bagai penyeimbang yang bekerja pada permukaan lemari buku bagian bawah. Gaya ini disebutgaya gesek statisdan diberi lambang𝐟 . Gaya𝐟 selalu mengimbangi gaya dorong Anda, sehingga lemari buku belum bergeser. Ketika Anda memperbesar do- rongan, maka gaya𝐟 itupun ikut membesar menyesuaikan besarnya dorongan yang Anda lakukan (lihat gra k pada Gambar 5.11). Sampai pada suatu saat, besarnya gaya dorong yang Anda berikan mencapai suatu nilai tertentu, besarnya gaya pe- ngimbang𝐟 itu pun mencapai nilai yang sama dengan besarnya gaya dorong Anda. Sebut nilai ini𝑓 . Hanya saja, kemudian gaya pengimbang itu besarnya berku- rang secara drastis (mendadak) dan berubah di sekitar nilai tertentu dan selanjutnya boleh dikatakan tetap pada nilai itu. Tepat ketika besar gaya penyeimbang itu jatuh, lemari buku mulai bergerak. Selain itu, tepat setelah gaya penyeimbang itu menca- pai nilai tetapnya, lemari terasa mudah digeser. Pada saat itu, gaya gesek itu disebut gaya gesek kinetisdan diberi lambang𝐟 .

Besarnya gaya gesek statis𝐟 ketika mencapai nilai maksimum menurut hukum Amontons adalah

5.5

Macam-macam Gaya

143

Gambar 5.11:Tepat ketika Anda mendorong lemari buku, maka muncul gaya gesek statis𝑓 yang bekerja pada permukaan lemari buku bagian bawah. Besarnya gaya ini menyesuaikan besarnya gaya dorong yang Anda lakukan. Pada saat tertentu besarnya gaya gesek mencapai maksimum (𝑓 ) dan setelahnya besar gaya gesek berubah di sekitar nilai tertentu (𝑓 ) yang kurang dari gaya gesek statis maksimum.

dengan𝑁 adalah besarnya gaya normal dan𝜇 suatu tetapan yang disebutkoe sien gesekan statis. Sementara, pada saat lemari sudah bergerak, gaya gesek yang bekerja pada balok adalah gaya gesek kinetis. Besarnya gaya gesek ini adalah

𝑓 = 𝜇 𝑁, (5.19) dengan𝜇 suatu tetapan yang disebutkoe sien gesekan kinetis.

Mungkin pada awalnya Anda menduga bahwa koe sien gesek statis dan kinetis ini sebanding dengan luas bidang sentuh antara kedua permukaan benda. Ternyata tidak. Koe sien gesekan statis dan kinetis tidak bergantung pada luas bidang sentuh kedua benda yang bersentuhan.

Contoh 5.6

Menentukan Koe sien Gesekan Statis dan Kinetis

Telah disebutkan sebelumnya tentang𝜇 dan𝜇 yang tidak bergantung pada luas bidang sentuh an- tara kedua permukaan benda. Lalu bagaimana cara menetukan koe sien𝜇 dan𝜇 tersebut? Andaikan kita hendak menentukan koe sien gesekan statis antara sebuah balok dan permukaan me- ja. Yang perlu dilakukan adalah dengan mengangkat salah satu sisi meja sehingga memiliki kemi- ringan tertentu , katakanlah𝜃, yang menyebabkan benda itu mulai bergerak meluncur. Tepat ketika permukaan meja memiliki kemiringan sebeser itu, terdapat kesetimbangan gaya

𝐹 = 𝑁 − 𝑚𝑔 cos 𝜃 (5.20) dan

𝐹 = 𝑚𝑔 sin 𝜃 − 𝑓 , (5.21) dengan sumbu-𝑥 sejajar dengan permukaan meja searah dengan arah meluncurnya balok, sedang

sumbu-𝑦tegak lurus pada permukaan meja. Persamaan (5.20) dapat dituliskan menjadi

𝑚𝑔 = _{cos 𝜃}𝑁 (5.22) yang dapat disubstitusikan ke dalam persamaan (5.21) dan diperoleh

𝑓 = 𝑚𝑔 sin 𝜃 = _{cos 𝜃}𝑁 sin 𝜃 = 𝑁 tan 𝜃. (5.23) Oleh karena itu, dapat disimpulkan

𝜇 = tan 𝜃 , (5.24) yang menunjukkan bahwa koe sien gesek statis sama dengan tangen sudut kemiringan saat balok tepat mulai meluncur.

Jika sudut kemiringan melebihi𝜃, maka balok meluncur dengan besarnya percepatan𝑎 . Oleh karena itu, komponen gaya pada sumbu-𝑥adalah

𝑚𝑔 sin 𝜃 − 𝜇 𝑁 = 𝑚𝑎 . (5.25) Besarnya gaya normal dalam kasus ini adalah𝑚𝑔 cos 𝜃, dan disubstitusikan ke persamaan (5.25) di- peroleh

𝑎 = 𝑔(sin 𝜃 − 𝜇 cos 𝜃). (5.26) Persamaan (5.26) menunjukkan bahwa dengan mengukur besarnya percepatan 𝑎 , maka koe sien gesek kinetik𝜇 dapat ditentukan.

Contoh 5.7

Meniadakan Gaya Gesek

Gambar 5.12: Kereta api cepatTransrapiddi Jerm- an menggunakan maglev untuk meniadakan gesek- an (www.techmate.com)

Dalam beberapa hal, orang justru menginginkan ber- kurangnya atau tiadanya gaya gesek. Oleh karena itu, orang berupaya menguranginya atau meniadakannya sa- ma sekali. Sebagai contoh, dalam permainan karambol, keping-keping karambol diharapkan dapat bergerak pa- da meja tanpa gesekan sedikitpun. Atau dalam sistem kereta api Transrapid yang ada di Jerman, orang beru- paya meniadakan gesekan antara kereta dengan relnya (Gambar 5.12). Karena gaya gesek disebabkan oleh ada- nya pertumbuhan gaya ikat antara molekul-molekul di sebuah permukaan dengan molekul-molekul di permu- kaan yang lain, maka upaya meniadakan gaya gesek ber- arti upaya menutup kemungkinan adanya pertumbuhan gaya ikat antar molekul tersebut. Salah satu caranya ada- lah dengan meletakkan lapisan dari bahan tertentu di an-

tara kedua permukaan itu. Dalam permainan karambol, orang menebarkan tepung pada papan ka- rambol. Butir-butir tepung ini mencegah sentuhan antara keping-keping karambol dan papan ka-

5.5

Macam-macam Gaya

145

rambol. Dalam hal Transrapid, orang menggunakan maglev (singkatan dari magnetic levitation),

yakni upaya pengangkatan benda-bena dengan pemasangan magnet sedemikian rupa sehingga dua permukaan bersifat sebagai kutub magnet yang senama untuk mencegah agar permukaan bawah ke- reta tidak bersentuhan dengan rel.

Gaya Stokes dan Gaya Pengereman oleh Zat Alir

Jika sebuah benda bergerak di dalam suatu zat alir atau uida, maka benda itu akan mengalami gaya hambat yang dilakukan oleh zat alir itu. Terdapat dua kemungkinan jenis gaya hambat oleh zat alir: (a) gaya gesekan karena zat alir yang kental (viscous) dengan permukaan benda, dan (b) gaya pengereman (drag force) oleh zat alir.

Gaya hambat jenis yang pertama biasa disebut gaya Stokes, yakni berdasarkan nama seorang sikawan yang pertama pertama kali merumuskannya, yakni Geor- ge Gabriel Stokes pada tahun 1851. Gaya ini diakibatkan oleh gesekan antara uida dan permukaan benda. Oleh karena itu, untuk uida dengan bilangan Reynold yang kecil gaya ini sangat terasakan. Semakin kental (viscous) suatu uida semakin ke- cil bilangan Reynold-nya. Perumusan gaya Stokes yang bekerja pada sebuah benda yang bergerak di dalam zat alir berdasarkan anggapan sebagai berikut: (a) aliran zat alir bersifat tunak atau laminer (lihat bab tentang zat alir), (b) benda yang ditinjau berbentuk bola, (c) benda yang ditinjau bersifat seragam (homogen), (d) permukaan benda bersifat halus. Dengan anggapan semacam itu besarnya gaya Stokes diberikan oleh

𝐹 = 6𝜋𝜂𝑅𝑣, (5.27) dengan𝜂kekentalan (viskositas) dinamis zat alir,𝑅jari-jari benda yang berupa bo- la itu, dan𝑣adalah kecepatan relatif benda terhadap zat alir. Arah gaya ini selalu berlawanan dengan arah kecepatan benda.

Gaya hambat zat alir jenis kedua, yakni gaya pengereman oleh zat alir berlaku untuk semua jenis zat alir, termasuk yang ideal, yakni dengan kekentalan rendah (lihat bab yang membicarakan zat alir). Gaya hambat ini tidak disebabkan oleh ge- sekan antara zat alir dengan permukaan benda yang bergerak di dalam zat alir itu, melainkan disebabkan semata-mata oleh watak aliran zat alir itu dan bentuk geo- metri benda yang bergerak di dalam zat alir. Besar gaya pengereman ini diberikan oleh

𝐹 = 1₂𝐶 𝜌𝑣 𝐴, (5.28) dengan𝜌kerapatan zat alir,𝑣kecepatan benda relatif terhadap zat alir,𝐴luas efektif benda, yakni luas penampang benda tegak lurus terhadap kecepatan, dan𝐶 adalah tetapan atau koe sien pengereman yang ditentukan oleh sifat-sifat aliran zat alir dan bentuk geometris benda yang bergerak di dalam zat alir. Arah gaya pengereman ini selalu berlawanan dengan arah kecepatan benda itu. Gaya hambat jenis kedua ini sangat penting dalam perancangan kendaraan dan pesawat terbang. Besar gaya pengereman udara yang dialami oleh mobil sedan yang sedang bergerak tentu ku- rang dari besar gaya pengereman udara yang dialami oleh truk tronton yang sedang melaju di jalan.