Gaya Sentripetal Mikrajuddin Abdullah Fisika Dasar I 2016
                                                                                Bab 4 Gaya
302
adanya percepatan ke arah pusat a
c
adalah 12a
c
t
2
. Dengan demikian, jarak titik pusat lingkaran ke titik C menjadi R+12a
c
t
2
. Segitiga OAB adalah segitiga siku-siku. Dengan menggunakan teorema Phitagoras kita
dapatkan
A B
C
R R
v t
a
c
O
Gambar 4.39 Menentukan percepatan sentripetal.
 
2 2
2 2
2 1
t v
R t
a R
c
 
 
 
 
atau
2 2
2 4
2 2
2
4 1
t v
R t
a t
Ra R
c c
 
 
 
 atau
Bab 4 Gaya
303
2 2
2
4 1
v t
a Ra
c c
 
 4.84
Kita ambil selang waktu yang mendekati nol sehingga suku kedua di ruas kiri dapat diabikan. Akhirnya kita dapatkan
2
v Ra
c
Ini berarti percepatan ke arah pusat memenuhi
R v
a
c 2
4.85
Gaya yang dialami benda ke arah pusat memenuhi
R v
m F
2
4.86
Gaya  yang  diungkapkan  oleh  persamaan  4.86  disebut  gaya  sentripetal dan percepatan dalam persamaan 4.85 disebut percepatan sentripetal.
Contoh 4.5 cukup sulit dan dapat dilewati
Misalkan  sebuah  benda  yang  meluncur  pada  lintasan  seperempat lingkaran yang memiliki gaya gesekan seperti ditunjukkan dalam Gambar
4.40.  Tentukan  percepatan  benda  sebagai  fungsi  sudut  terhadap  arah vertikal.
Bab 4 Gaya
304
mg mg cos
mg sin
N f
k
R
Gambar 4.40 Benda meluncur pada lintasan seperempat lingkaran yang memiliki gaya gesekan.
Jawab Gaya ke pusat yang bekerja pada benda adalah
 sin
mg N
F
c
 
4.87
Gaya  ke  pusat  merupakan  gaya  sentripetal  seperti  diungkapkan  dalam persamaan 4.86. Jika persamaan 4.86 dan 4.87 digabung maka kita
peroleh persamaan berikut ini
R mv
mg N
sin
2
 
4.88
Bab 4 Gaya
305
Karena  benda  bergerak maka  gaya  gesekan  yang  muncul  adalah gaya gesekan kinetik. Besar gaya gesekan kinetik yang bekerja pada benda
adalah
sin
2
R mv
mg N
f
k k
k
 
 
4.89
Gaya penggerak yang menarik benda sepanjang lintasan lingkaran adalah
k
f mg
F 
 
cos
= sin
cos
2
R mv
mg mg
k
 
 
Dengan menggunakan hukum II Newton kita dapatkan
m F
a 
R v
g g
k k
sin cos
2
 
 
 
 4.91
Kita  memperhatikan  gerakan  arah  tangensial  saja.  Untuk  gerak dalam  arah  tersebut  berlaku
 R
v 
dan
 
R a
 .  Substitusi  ke  dalam
persamaan 4.91 maka diperoleh
R R
g g
R
k k
sin cos
2
 
 
 
 
 
 
atau
 
 
 
sin cos
2
R g
R g
k k
 
 
 
4.92
Bab 4 Gaya
306
Persamaan  4.92  adalah  persamaan  diferensial  non  linier  dan  sulit diselesaikan langsung.
Untuk  menyelesaikan  persamaan  4.92  mari  kita  mulai  dengan menulis sebagai berikut
 
 
 
 
d d
dt d
d d
dt d
 
 
 
 
4.93
Substitusi  persamaan  4.93  ke  dalam  4.93  maka  kita  dapatkan persamaan berikut ini
 
 
 
 
sin cos
2
R g
R g
d d
k k
 
 
 
atau
 
 
 
 sin
cos 2
2 2
R g
R g
d d
k k
 
 
4.94
Selanjutnya mari kita misalkan
2
 
y
4.95 Dengan permisalan ini maka persamaan 4.94 dapat ditulis ulang menjadi
 
 
 
 
 
 
sin cos
2 2
R g
R g
y d
dy
k k
4.96
Kemudian  kalikan  dua  ruas  persamaan  4.96  dengan
 
k
e
2
sehingga diperoleh
Bab 4 Gaya
307
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
sin cos
2 2
2 2
R g
R g
e y
d dy
e
k k
k k
4.97
Ruas kiri persamaan 4.97 dapat disederhanakan sebagai berikut
 
 
 
 
 
 
 
 
 
sin cos
2
2 2
R g
R g
e ye
d d
k
k k
Dengan melakukan integral ruas kiri dan kanan maka
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 2
sin cos
2 d
R g
R g
e ye
k
k k
4.98
Pada  saat   =  0,  kecepatan  awal  benda  dianggap  nol  sehingga
kecepatan sudut pun nol yang menyebabkan y0 = 0. Dengan demikian
 
 
 
 
 
 
 
 
2 2
sin cos
2 d
R g
R g
e ye
k
k k
4.99
Untuk  menyelesaikan  integral  pada  persamaan  4.99,  kita gunakan rumus berikut ini
1 4
cos sin
2 sin
2 2
2
 
 
 
 
 
e d
e
4.100a
Bab 4 Gaya
308
1 4
sin cos
2 cos
2 2
2
 
 
 
 
 
e d
e
4.100b
Jika  rumus  integral  di  atas  dimasukkan  dan  memasukkan  batas  dari  0 sampai
 kita peroleh
 
 
 
 
 
k
e R
g y
k k
k k
2 2
2
3 sin
2 1
cos 3
1 4
2
 
 
 
 
 
4.101
Karena
2
 
y
dan
 R
v 
maka
 
 
 
 
 
k
e R
g R
v
k k
k k
2 2
2 2
2
3 sin
2 1
cos 3
1 4
2
 
 
 
 
 
atau
 
2 1
2 2
2 1
2
3 sin
2 1
cos 3
1 4
2
 
 
 
 
k
e gR
v
k k
k k
 
 
 
 
 
 4.102
Laju saat benda meninggalkan lintasan diperoleh ketika  = 2, yaitu
 
2 1
2 2
1 2
3 2
1 1
4 2
 
 
k
e gR
v
k k
k f
 
 
 
 
 
4.103
Percepatan benda arah tangensial setiap saat
 R
a 
Bab 4 Gaya
309
dt d
R 
dt d
d d
R 
 
 
 d
d R
 
 
d d
R
2
2 1
 
 d
dy R
2 1
4.104
Gunakan  persamaan  4.101  ke  dalam  persamaan  4.104  sehingga diperoleh
 
 
 
 
 
k
e g
a
k k
k k
2 2
2 2
6 cos
2 1
sin 3
1 4
 
 
 
4.105
Kasuk khusus, jika tidak ada gesekan antara benda dengan lantai, atau 
k
= 0 sehingga persamaan 4.103 – 4.105 menjadi
 sin
2gR v
Bab 4 Gaya
310
 cos
g a
Pada saat benda meninggalkan lintasa, laju adalah v
f
= 2gR
12
.
Contoh 4.6 cukup sulit dan dapat dilewati
Sebuah  benda  menuruni  lintasan  berupa  permukaan  bola  seperti ditunjukkan  pada  Gambar  4.41.  Pada  sudut  berapa  bola  mulai
meninggalkan lintasan?
N
W f
k
Gambar 4.41 Benda menuruni lintasan berupa permukaan bola
.
Jawab Persamaan  yang  berlaku  untuk  gaya  arah  tegak  lurus  dan
menyinggung permukaan bola adalah
Bab 4 Gaya
311
R mv
N W
2
cos 
 
4.106
dt dv
m f
W
k
 
sin 4.107
Massa  tetap  menggelinding  di  permukaan  selama  N    0.  Massa  mulai meninggalkan permukaan jika N = 0. Jika sudut pada    kondisi ini adalah
p
maka akan terpenuhi
R mv
mg
p p
2
cos 
atau
gr v
p p
2
cos 
4.108
Selama benda masih menyentuh permukaan lintasan maka gaya gesekan  memenuhi  f
k
= 
k
N.  Kita  tulis  percepatan  tangenisal  benda dinyatakan dalam besaran sudut dengan transformasi sebagai berikut
dt d
d dv
dt dv
 
 
d dv
 d
dv r
v 
Bab 4 Gaya
312
 
 
 
 
d dv
r
2
2 1
1
 d
dv r
2
2 1
4.109
Berdasarkan persamaan 4.106 gaya normal setiap saat adalah
r mv
mg N
2
cos 
 
Dengan demikian gaya gesekan tiap saat yang dialami benda adalah
 
 
 
 
r mv
mg f
k k
2
cos 
4.110
Persamaan 4.107 dapat ditulis menjadi
 
d dv
r m
f mg
k 2
2 sin
 
Substitusi  persamaan  4.110  ke  dalam  persamaan  di  atas  maka  kita dapatkan
 
 
d dv
r m
r mv
mg mg
k 2
2
2 cos
sin 
 
 
 
 
atau
Bab 4 Gaya
313
 
 
 
 cos
sin 2
2
2 2
k k
gr v
d dv
 
4.111
Untuk mudahnya persamaan 4.111 dapat ditulis dalam bentuk berikut ini
2
 
f y
d dy
k
 
4.112 dengan
2
v y
4.113 dan
 
 
 
cos sin
2
k
gr f
 
4.114
Untuk  menyelesaikan  persamaan  diferensial  4.112  mai  kita kalikan dua ruas dengan
 
k
e
2 
seningga menjadi
2
2 2
 
 
 
f e
y d
dy e
k k
k 
 
 
 
Kalian dapat membuktikan dengan mudah bahwa ruas kiri dapat ditulis ulang sehingga diperoleh bentuk berikut ini
 
2 2
 
 
 
f e
ye d
d
k k
 
4.115
Kita integral ruas kiri dan kanan persamaan 4.115 sehingga diperoleh
Bab 4 Gaya
314
C d
f e
ye
k k
 
 
 
 
 
2 2
atau
 
 
 
 
k k
k
Ce d
f e
e y
2 2
2
 
Substitusi kembali y dan f dari persamaan 4.112 dan 4.113 ke dalam persamaan 4.116 sehingga diperoleh
 
 
 
 
 
 
 
k k
k
Ce d
gr e
e v
k 2
2 2
2
cos sin
2 
 
Jika diintegralkan maka kita peroleh hasil berikut ini
 
 
 
 
k
Ce gr
v
k k
k 2
2 2
2
sin 3
cos 1
2 4
1 2
 
 
Benda mulai dilepas pada saat sudut awal 
. Pada sudut ini laju benda v = 0. Dengan demikian
 
2 2
2
sin 3
cos 1
2 4
1 2
 
 
 
k
Ce gr
k k
k
 
 
Dari sini kita dapatkan
 
2 2
2
sin 3
cos 1
2 4
1 2
 
 
 
k
e gr
C
k k
k 
 
 
 4.118
Bab 4 Gaya
315
Benda meninggalkan permukaan ketika v = v
p
dan sudut adalah 
p
. Persamaan yang dipenuhi adalah
 
p k
Ce gr
v
p k
p k
k p
 
 
 
2 2
2 2
sin 3
cos 1
2 4
1 2
 
 
 4.119
Tetapi dengan menggunakan persamaan 4.108 kita dapat menulis
 
p k
Ce gr
rg
p k
p k
k p
 
 
 
 
2 2
2
sin 3
cos 1
2 4
1 2
cos 
 
 
Selanjutnya  dengan  memasukkan  C  pada  persamaan  4.118  kita  dapat menulis
 
p k
p k
k p
gr rg
 
 
 
sin 3
cos 1
2 4
1 2
cos
2 2
 
 
 
2 2
2
sin 3
cos 1
2 4
1 2
 
 
 
 
 
P k
e gr
k k
k
 
2 2
2
cos cos
1 2
4 1
2 cos
 
 
 
 
 
 
P k
e gr
rg
p k
k p
 
2
sin sin
3 
 
 
 
 
P k
e
p k
Bab 4 Gaya
316
atau
 
2 2
2
cos cos
1 2
4 1
2 cos
 
 
 
 
 
 
P k
e
p k
k p
 
2
sin sin
3 
 
 
 
 
P k
e
p k
4.120
Sudut 
adalah sudut ketika benda mulai meluncur. Sudut ini ditentukan oleh koefisien gesekan statis dan memenuhi persamaan
s
= tan sudut kemiringan bidang
Ketika sudut jari-jari yang dibentuk benda adalah  maka sudut
kemiringan bidang adalah 90
o
- . Dengan demikian
cot 90
tan
 
 
o s
Dengan hubungan ini maka
2
1 1
cos
s
 
 
2
1 sin
s s
 
 
Persamaan 4.120 dapat diselesaikan secara numerik untuk mencarai 
P
jika diberikan informasi koefisien gaya gesekan kinetik dan stattik. Contoh  carilah
 dan
P
jika  koefisien  gaya  gesekan  statis  dan kinetik masing-masing 0,5 dan 0,3. Dengan nilai ini maka cos
 = 0,8944,
Bab 4 Gaya
317
sin 
= 0,4472. 
= 0,4636 rad = 26,6
o
. Persaman yang akan diselesaikan menjadi
 
4636 ,
6 ,
8944 ,
cos 82
, 471
, 1
cos
 
P
e
p p
 
 
4636 ,
6 ,
4472 ,
sin 9
,
 
P
e
p
p p
p
P
e
 
sin 3239
, 1
2652 ,
1 cos
206 ,
1 cos
6 ,
 
 
2652 ,
1 sin
3239 ,
1 cos
206 ,
2
6 ,
 
P
e
p p
 
Solusi  persamaan  di  atas  harus  diselesaikan  secara  numerik.  Dengan menggunakan  Excel  kita  dapatkan  solusinya  adalah
P
=  0,9963  rad  = 57,1
o
Jalan Raya
Ketika  kendaraan  melewati  jalan  yang  menikung  Gambar  4.42, pengendara  harus  hati-hati  dan  harus  mengurangi  kecepatan.  Kenapa?
Jika kecepatan terlalu tinggi maka kendaraan dapat terlempar keluar dari jalan.  Selama  melewati  lintasan  jalan  menikung  berbentuk  lingkaran
kendaraan  memiliki  percepatan  sentripetal  akibat  gesekan  antara  roda kendaraan  dan  jalan  raya.  Jika  f
s
adalah  gaya  gesekan,  maka  selama berada pada lintasan laju mobil harus memenuhi
m R
f v
s
4.121
dengan  R  adalah  jari-jari  kelengkungan  jalan  raya  dan  m  adalah  massa kendaraan.  Gaya  gesekan  memilii  nilai  maksimum.  Nilai  tersebut  kita
sebut gaya gesekan maksimum yang disimbolkan dengan f
s,maks
. Nilai gaya gesekan  yang  dialami  kendaraan  memenui  f
s
≤  f
s,maks
.  Masukkan ketidaksamaan ini ke dalam persamaan 4.121 maka kita peroleh bahwa
laju  kendaraan  agar  tetap  berada  pada  lintasan  lingkaran  harus memenuhi
Bab 4 Gaya
318
m R
f v
maks s,
4.122
Dengan  demikian,  ada  laju  maksimum  yang  diijinkan  agar  kendaraan tetap berada pada lintasan. Laku maksimum tersebut adalah
m R
f v
maks s
maks ,
4.123
Selama  melewati  lintasan  lingkaran,  laju  kendaraan  tidak  boleh  terlalu besar. Kendaraan yang rodanya mulai mulus harus lebih berhati-hati lagi
karena gaya gesekan antara roda dan jalan raya lebih kecil.
Gambar 4.42 Ketika melewati lintasan melengkung, kendaraan harus berhati-hati dan mengurangi kecepatan.
                