Prinsip kesetimbangan benda tegar adalah prinsip dalam Fisika yang sangat penting untuk dipelajari karena berkaitan erat dengan segala benda di sekitar kita. Dalam bidang ilmu teknik sipil, prinsip keseimbangan benda berperan dalam mendesain bangunan yang kokoh dan kuat menahan beban.
Pengertian Kesetimbangan Benda Tegar
Benda tegar merupakan benda yang memiliki jarak setiap bagiannya bernilai tetap atau benda yang bentuknya tidak berubah. Apabila pada benda tegar mendapat pengaruh gaya atau momen gaya, maka benda tersebut tidak akan mengalami perubahan bentuk.
Namun, prinsip benda tegar sendiri sebenarnya merupakan model fisika idealisasi. Hal ini dikarenakan di dunia nyata, pada dasarnya semua jenis benda tentu akan mengalami perubahan bentuk ketika dikenakan momen gaya atau suatu gaya.
Hanya saja, pengaruh perubahan yang dialami oleh benda tersebut terbilang kecil sehingga pengaruhnya terhadap keseimbangan statis bisa diabaikan. Jika pada partikel hanya mengalami gerak translasi, maka pada benda tegar akan mengalami gerak rotasi dan juga gerak translasi.
Benda tegar disebut mengalami keseimbangan translasi apabila resultan gaya yang bekerja pada benda itu sama dengan nol. Oleh karena itu benda tegar tersebut tidak akan mengalami kecepatan sudut (ω = 0) namun hanya bergerak pada kecepatan tetap saja v.
Benda yang memiliki keseimbangan rotasi maka resultan torsi atau momen gaya sama dengan nol, percepatan sudut sama dengan 0 dan kecepatan sudutnya konstan.
Oleh karena itu, syarat benda tegar dalam kondisi seimbang ada dua syarat yakni resultan gaya serta resultan momen gaya (torsi) terhadap suatu titik sembarang sama dengan nol.
Rumus Kesetimbangan Benda Tegar
Rumus keseimbangan benda tegar harus memenuhi syarat resultan momen gaya sama dengan 0 dengan rumus momen gaya (torsi) seperti di bawah ini:
Keterangan:
Syarat Kesetimbangan Benda Tegar
Benda tegar disebut dalam keadaan setimbang apabila memenuhi syarat kesetimbangan translasi dan kesetimbangan rotasi ketika pada benda tegar tersebut bekerja beberapa gaya. Apabila gaya bekerja pada bidang XY, maka syarat kesetimbangan benda tegar adalah:
Keterangan:
Jenis Jenis Kesetimbangan Benda Tegar
Berdasarkan kedudukan titik berat pada benda, keseimbangan benda saat dalam kondisi diam atau keseimbangan statis dibedakan menjadi tiga kelompok yakni keseimbangan stabil, keseimbangan labil serta keseimbangan indeferen.
- Kesetimbangan Stabil
Keseimbangan stabil merupakan keseimbangan yang dimiliki oleh benda yang meski benda tersebut dipengaruhi oleh sedikit gangguan atau gaya, maka benda tersebut akan segera kembali ke posisi keseimbangan mula-mula.
Contoh keseimbangan stabil adalah pada kelereng yang diletakkan di sebuah bidang cekung. Tatkala kelereng tersebut memperoleh sedikit gaya atau gangguan kecil dari luar dan kemudian gaya tersebut dihilangkan, maka kelereng hanya bergerak sedikit kemudian segera kembali ke posisi mula-mula.
Tanda keseimbangan stabil adalah adanya kenaikan titik benda ketika dipengaruhi oleh suatu gaya atau gangguan kecil.
- Kesetimbangan Labil
Keseimbangan labil merupakan kondisi keseimbangan pada benda yang apabila benda tersebut diberi sedikit gaya atau gangguan, maka benda tersebut tidak dapat kembali ke posisi keseimbangan mula-mulanya.
Sebagai contoh keseimbangan labil adalah pada kelereng yang diletakkan di atas suatu bidang cembung. Saat kelereng tersebut mendapat gangguan kecil dan kemudian gangguan tersebut menghilang, maka kelereng tidak akan pernah dapat kembali ke posisi mula-mulanya.
Tanda keseimbangan labil adalah terjadi penurunan titik berat benda ketika dipengaruhi oleh suatu gaya.
- Kesetimbangan Indeferen
Keseimbangan indeferen atau disebut juga keseimbangan netral merupakan kondisi keseimbangan yang dimiliki oleh benda yang ketika benda tersebut diberi sedikit gangguan atau gaya maka benda tersebut tidak akan mengalami perubahan pada titik berat benda.
Pada Gambar 3 di atas tampak suatu kelereng diletakkan di sebuah bidang datar. Maka apabila pada kelereng tersebut diberi gangguan kecil atau sedikit gaya kemudian gaya tersebut dihilangkan, maka kelereng akan kembali diam pada kedudukan yang berbeda.
Tanda keseimbangan indeferen atau keseimbangan netral adalah tidak adanya perubahan pasti titik berat apabila dipengaruhi oleh suatu gaya.
Kesetimbangan Benda Tegar dalam Kehidupan Sehari-Hari
Prinsip Fisika kesetimbangan benda tegar banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Contoh penerapan prinsip keseimbangan benda tegar adalah pada pembuatan jembatan dan juga bangunan konstruksi rumah.
Agar jembatan tidak mudah roboh meski dilewati oleh kendaraan berbobot berat, maka pada jembatan tersebut harus memenuhi keseimbangan statis (yakni keseimbangan benda ketika dalam kondisi diam).
Begitu pula pada bangunan konstruksi rumah atau gedung pencakar langit juga harus memenuhi prinsip keseimbangan.
Prinsip keseimbangan benda tegar lainnya adalah pada pembuatan mainan anak “Boneka Tinju”. Boneka Tinju merupakan jenis boneka yang biasa dipakai oleh anak-anak untuk bermain tinju. Keunikan boneka ini adalah tidak bisa jatuh meski sudah dipukul sekeras mungkin.
Ketika Boneka Tinju dipukul, maka boneka ini akan segera bangkit berdiri lagi. Prinsip yang dipakai pada Boneka Tinju adalah keseimbangan benda tegar, keseimbangan stabil yakni ketika benda diberi sedikit gangguan atau gaya, maka benda tersebut akan segera kembali ke posisi keseimbangan mula-mula.
Contoh Soal Kesetimbangan Benda Tegar
Lihat gambar skema tuas di bawah ini. Pada ujung sisi kanan, akan diberikan beban sebesar 1000 N. Sementara pada ujung lainnya akan diberikan beban sebesar 400 N. Tentukan dimanakah posisi penyangga harus diletakkan agar beban 1000 N dapat diimbangi oleh beban 400 N di ujung lainnya?
Diketahui bobot batang homogen adalah 200 N.
Diketahui:
F1 = 1000 N
F2 = 400 N
W = 200 N
Jawab:
Agar batang homogen dapat seimbang, maka harus memenuhi syarat momen gaya (torsi) sama dengan 0.
ƩF . r sin θ = 0 (θ = 90⁰ sehingga sin θ = 1)
F2 . (x) + W . (x – L/2) – F1 . (L – x) = 0
400x + 200 (x – L/2) – 1000 (L – x) = 0
400x + 200x – 100L – 1000L + 1000x = 0
1600x – 1100L = 0
x = 11/16 Ldari ujung kiri
Maka penyangga harus dipasang pada jarak 0,6875 L dari ujung kiri.
Prinsip kesetimbangan benda tegar mendasari berbagai bidang ilmu dalam kehidupan terutama bidang perencanaan bangunan seperti teknik sipil dan arsitektur. Untuk merancang jembatan agar tidak roboh serta bangunan tinggi yang berdiri kokoh, maka prinsip keseimbangan memainkan peranan penting.