Rumus gaya gesek statis dan kinetis

Rumus gaya gesek statis dan kinetis

Assalamu'alaikum Wr Wb

Malam ini saya akan posting tentang gaya gesek. Apa itu gaya gesek? tentu semua sudah mengetahuinya. Disini akan dijelaskan mengenai pengertian gaya gesek, asal gaya gesek, sejarah gaya gesek, rumus gaya gesek, manfaat gaya gesek, serta contoh soal tentang gaya gesek.

A. Pengertian gaya gesek

Gaya gesek yaitu gaya yang berarah melawan gerak benda atau arah kecenderungan benda bergerak. Gaya gesek muncul apabila dua buah benda bersentuhan. Benda-benda yang dimaksud di sini tidak harus berbentuk padat, tapi dapat juga berbentuk cair, ataupun gas. Gaya gesek antara dua buah benda padat misalnya adalah gaya gesek statis dan kinetis, sedangkan gaya antara benda padat dan cairan serta gas adalah gaya Stokes.

Gaya gesek merupakan bagian dari gaya sentuh. Gaya gesek adalah gaya yang diakibatkan oleh dua permukaan benda yang bersentuhan. Arah gaya gesek berlawanan dengan arah gerak benda. Misalnya kita mendorong sebuah balok ke kanan, maka gaya gesek balok tersebut berlawanan dengan arah kanan. Jadi gaya gesek balok ke arah kiri.

Gaya gesek dibagi menjadi dua yaitu gaya gesek statis dan gaya gesek dimanis. Berikut penjelasannya.

Gaya gesek statis

Gaya gesek statis adalah gaya gesek yang terjadi pada benda selama benda itu diam. Artinya jika kita mendorong sebuah benda kemudian benda tersebut tidak bergerak sama sekali maka benda tersebut mempunyai gaya gesek yang lebih besar daripada gaya yang kita berikan (gaya kerja).

Gaya gesek statis disimbolkan dengan fs.

Gaya gesek dinamis

gaya gesek dinamis adalah gaya gesek pada waktu benda tersebut bergerak. Gaya gesek dimanis disimbolkan dengan fk.

B. Asal gaya gesek

Gaya gesek merupakan akumulasi interaksi mikro antar kedua permukaan yang saling bersentuhan. Gaya-gaya yang bekerja antara lain adalah gaya elektrostatik pada masing-masing permukaan. Dulu diyakini bahwa permukaan yang halus akan menyebabkan gaya gesek (atau tepatnya koefisien gaya gesek) menjadi lebih kecil nilainya dibandingkan dengan permukaan yang kasar, akan tetapi dewasa ini tidak lagi demikian. Konstruksi mikro (nano tepatnya) pada permukaan benda dapat menyebabkan gesekan menjadi minimum, bahkan cairan tidak lagi dapat membasahinya (efek lotus).

C. Sejarah gaya gesek

Siapapun tahu bila dua benda bersentuhan sambil bergerak akan timbul gesekan. Siapapun juga dengan mudah mengerti bahwa akibat yang ditimbulkan gesekan bisa bermacam-macam misalnya bunyi mencicit, kenaikan temperatur permukaan atau ausnya permukaan. Namun barangkali tidak banyak yang mengetahui bahwa gesekan atau dalam bahasa ilmiahnya friction merupakan salah satu penyebab pemborosan energi yang cukup signifikan.

Alkisah, pada tahun 1966 di negeri pelopor industri modern Inggris, menteri pendidikan waktu itu H.P.Jost memberikan laporan yang mengejutan kepada parlemen tentang besarnya energi yang terbuang karena gesekan. Dalam laporannya yang terkenal dengan nama The Jost Report [1], disebutkan bahwa energi yang hilang di Inggris karena gesekan bila dikonversi setara dengan 1,3NP Inggris waktu itu, atau sekitar 500 juta poundsterling! Dari laporan Host inilah muncul istilah baru untuk ilmu tentang gesekan dan cara menguranginya yaitu, Tribology (berasal dari bahasa Yunani, Tribo).

Negara-negara industri maju terkejut atas laporan Jost dan mulai mengadakan investigasi di negaranya masing-masing. Jepang yang baru saja menjadi negara industri segera mengadakan penelitian besar-besaran untuk mengurangi gesekan. Pada tahun 1971, pemerintah Jepang mengumumkan bahwa besar energi yang telah dihemat berdasarkan hasil penelitian mengenai tribology setara dengan 2.6NP atau sekitar 2 trilyun yen. Meski relatif telat, beberapa tahun kemudian Amerika Serikat mengumumkan bahwa penghematan energi berkat tribology mencapai 0.9NP atau sekitar enam persen dari konsumsi energi AS saat itu.

Definisi dan Akar Tribology

Dari laporan Jost diartikan bahwa Tribology adalah ilmu yang menangani gesekan (friction), pelumasan (lubrication) dan aus (wear). Tribology sendiri berasal dari bahasa Yunani, tribo yang artinya menggesek atau menggores. Dewasa ini secara saintifik dirumuskan bahwa Tribology adalah ilmu tentang interaksi permukaan benda padat yang bergerak dan implikasi yang muncul dari interaksi tersebut [2]. Definisi dan istilah ini tidak terlalu mengikat dan baku, bahkan para ilmuwan Cina lebih sreg memakai istilah Friction Engineering daripada Tribology.

Sesungguhnya akar tribology bermula pada gesekan dari dua permukaan yang bersentuhan. Dari adanya gesekan ini timbullah ide untuk melakukan pelumasan agar suatu benda bergerak lebih mudah. Dalam literatur kuno didapatkan bahwa bangsa-bangsa peradaban tua seperti Mesir dan Assyria sudah memakai prinsip-prinsip tribology dalam kegiatan keseharian mereka ribuan tahun lalu. Diketahui bahwa pada jaman itu, ketika memindahkan barang yang berat mereka menggunakan minyak hewan untuk melicinkan permukaan.

Gesekan dan Misterinya

Karena tribology dan gesekan tidak bisa dipisahkan, penting untuk menelusuri sejarah manusia modern mencoba membedah fenomena gesekan. Adalah si jenius Leonardo Da Vinci (1452-1519) yang mula-mula merumuskan cara mengurangi gesekan dalam bentuk yang riil dan terstruktur. Da Vinci meninggalkan sketsa ball bearing kayu yang sangat mirip dengan ball bearing logam yang dipakai saat ini [3]. Di dunia modern sekarang, hampir semua alat yang bergerak memakai bearing, dalam bahasa Indonesia disebut klaher.

Diilhami oleh Da Vinci, hukum-hukum fisika mengenai gesekan dirumuskan oleh dua ilmuwan secara terpisah yaitu Amontons (1699) dan selanjutnya Coulomb (1751) dan disebut Hukum Gesekan Amontons-Coulomb. Hukum ini sederhana dan berisi empat butir postulat:

1. Gaya gesekan pada permukaan yang bersentuhan berbanding lurus dengan gaya tegak lurus pada permukaan tersebut.

2. Gaya gesekan tidak bergantung pada luas proyeksi permukaan yang bersentuhan

3. Gaya gesekan tidak berhubungan dengan kecepatan sliding permukaan.

4. Gaya gesekan statis lebih besar daripada gaya gesekan dinamis

Postulat 1 dan 2, terbukti melalui penelitian (emprically proved) akurat untuk gesekan benda padat (lihat Figure 1 dan Figure 2). Sementara itu, postulat 3 dan 4 dalam beberapa kasus tidak sesuai dengan hasil percobaan. Selama lebih dari dua ratus tahun hukum gesekan di atas (terutama hukum 1 dan 2) dipakai secara luas dan hampir semua disain alat mekanik modern menerapkan hukum ini.

Yang unik, Hukum Amontons-Coulomb tidak memiliki pembuktian ilmiah yang akurat. Kehebatan hukum ini terletak pada hasilnya yang sesuai dengan eksperimen pada banyak kasus. Seolah-olah dua orang ilmuwan itu berkata, "Kami memang tidak tahu apa yang sebenarnya terjadi. Tapi buktinya hukum ini sesuai dengan percobaan."

Pada kenyataannya, sampai sekarang tak seorangpun yang berhasil menguak misteri yang terjadi di lapisan molekul dua permukaan yang bergesekan. Misalnya pada fenomena anomali kekasaran permukaan (surface roughness) dan gaya gesekan. Secara sederhana kita akan mengambil kesimpulan bahwa semakin kecil kekasaran permukaan (artinya permukaan semakin licin) semakin kecil pula gaya gesekan yang timbul. Namun ternyata, bila kekasaran permukaan dikurangi terus sampai lebih kecil dari nilai kekasaran tertentu (kira-kira 0.5 micron,) gaya gesekan berbalik menjadi lebih besar (lihat Figure 3). Fenomena ini gagal dijelaskan oleh hukum Amontons-Coulomb.

Selain hukum Amontons-Coulomb, teori modern tentang friksi dikembangkan oleh Bowden dan Tabor dengan teorinya yang disebut Adhesive Friction Theory [6]. Teori ini menjelaskan secara ilmiah hukum 1 dan 2 dari teori Amontons-Coulomb dan berhasil menjelaskan fenomena pada Figure 3 di atas, tetapi tetap saja gagal menjelaskan fenomena gesekan secara tuntas. Alhasil, gesekan yang merupakan sistem sangat sederhana (hanya melibatkan dua permukaan) tetap menjadi misteri.

D. Rumus gaya gesek

Ada dua jenis gaya gesekan yang bekerja pada benda, yaitu:

a. Gaya Gesekan Statis ( fs )

Gaya gesekan statis bekerja saat benda dalam keadaan diam dan nilainya mulai dari nol sampai suatu harga maksimum. Jika gaya tarik/dorong yang bekerja pada suatu benda lebih kecil dari gaya gesekan statis maksimum, maka benda masih dalam keadaan diam dan gaya gesekan yang bekerja pada benda mempunyai besar yang sama dengan nilai gaya tarik/dorong pada benda tersebut. Besarnya gaya gesekan statis maksimum adalah :

dimana µs adalah koefisien gesekan statis dan N adalah gaya Normal.

Besarnya gaya normal ( N ) tergantung besarnya gaya tekan benda terhadap bidang secara tegak lurus.

b. Gaya gesekan kinetis ( fk )

Gaya gesekan kinetis yaitu gaya gesekan yang bekerja pada benda ketika benda sudah bergerak. Nilai gaya gesekan kinetis selalu tetap, dan dirumuskan dengan :

dimana µk adalah koefisien gesekan kinetis benda

Antara koefisien gesekan statis dan kinetis mempunyai nilai yang berbeda, nilai koefisien gesekan statis selalu lebih besar daripada nilai koefisien gesekan kinetis benda.

Untuk sebuah benda diam yang terletak diatas sebuah bidang datar kasar dan diberi gaya F, maka :

E. Manfaat gaya gesek

Manfaat gaya gesek dalam kehidupan sehari-hari adalah:

1. Kita dapat berjalan dengan mudah menggunakan sepatu karet di lantai yang agak licin.

2. Ban sepeda motor atau mobil terdapat gerigi-gerigi yang bertujuan memperbesar gaya gesek jika berjalan di atas tanah.

3. Rem cakram atau tromol dengan menggunakan kampas sehingga kita dengan mudah dan aman pada waktu mengerem. Jika tidak ada gaya gesek maka motor akan melaju terus.

F. Contoh soal tentang gaya gesek

Contoh soal gaya gesek

Sebuah balok kayu mempunyai massa 20 kg didorong ke arah kanan. Koefisien gaya gesek kinetis sebesar 0,2. Berapakah gaya gesek kinetis balok dan kemanakah arah arah gaya geseknya?

Jawab:

m = 20 kg

µk = 20

N = W; maka W = mg

W = 20 kg 10 m/s2

W = 200 N

Persamaan gaya gesek:

f = µk N

f = 0,2 . 200

f = 40 N

jadi besar gaya gesek pada balok kayu dengan lantai adalah 40 N dan arah gaya geseknya ke arah kiri (berlawanan dengan arah gerak benda).

Contoh :

Sebuah balok bermassa 4 kg terletak diam pada bidang datar. Hitunglah:
Gaya gesekan benda dan percepatan benda jika lantai kasar dengan µs = 0,4 dan µk = 0, 2 dan :

a. ditarik dengan gaya F = 10 N

b. ditarik dengan gaya F = 16 N

c. ditarik dengan gaya F = 20 N

Jawaban :

Kita gambarkan seperti berikut :

Untuk kasus ini ( benda diam ), maka kita harus menguji besarnya gaya gesekan statis (fs) dan gaya gesekan kinetis (fk).

Dari hukum Newton II yaitu ΣF = Σma

Kearah vertikal (sumbu y), benda diam (a = 0)

ΣF = 0

N – w = 0 sehingga N = w

N = m g

N = 4 . 10 = 40 N

• Besarnya gaya gesekan statis fs adalah

fs = µs.N = 0,4.40 = 16 N

• Besarnya gaya gesekan kinetis fk adalah

fk = µk.N = 0,2.40 = 8 N

a. untuk F = 10 N

Karena gaya F < fS maka balok masih dalam keadaan diam, sehingga gaya gesekan yang bekerja pada benda adalah fg = F = 10 N

b. untuk F = 16 N

Karena F = fs, maka balok masih juga dalam keadaan diam (keadaan ini sering disebut dengan benda tepat saat akan bergerak), maka besarnya gaya gesekan adalah fg = F = fs = 16 N

c. untuk F = 20 N

Karena F > fs maka balok dapat bergerak, sehingga gaya gesekan yang digunakan adalah gaya gesekan kinetis, yaitu sebesar 8 N. Percepatan untuk benda yang bergerak ini dapat dihitung dengan menggunakan Hukum Newton II, Karena benda bergerak pada arah sumbu x, maka :

ΣFx = m.a

F – fk = m.a

20 – 8 = 4a

a = 3 m/s²

Dari sini dapat kita lihat, bahwa pada benda bekerja gaya gesekan statis atau kinetis, tergantung pada seberapa besar gaya yang bekerja pada benda. Khusus untuk gaya gesekan statis sebenarnya memiliki nilai dari minimum hingga nilai maksimalnya yaitu fs (ketika benda tepat akan bergerak), sedangkan gaya gesekan kinetis hanya memiliki satu nilai saja. Sehingga grafik hubungan antara gaya luar dan gaya gesekan yang mempengaruhi benda yang dalam keadaan diam, dapat digambarkan sebagai berikut :