Hai guys, bertemu lagi dengan rumushitung.com. Pada kesempatan kali ini, rumushitung akan mengajak kalian untuk membahas materi fisika tentang Rumus Gaya Normal. Materi ini sudah pernah dipelajari di SMA kelas 10 dan 11. Langsung saja, kita bahas bersama-sama materinya.
Apa Itu Gaya Normal?
Gaya normal adalah jenis gaya khusus yang hanya ada untuk benda di permukaan tertentu yang “menetralkan” gaya gravitasi dan gaya terkait (meskipun seringkali hanya gaya gravitasi). Jadi, jika sebuah benda tergantung di udara, tidak ada gaya normal. Gaya normal sangat penting di dunia fisik, seperti yang ditunjukkan contoh pertama:
Sebuah balok berada di atas meja. Jika tidak ada gaya normal, satu-satunya gaya yang bekerja pada balok adalah gravitasi, yang berarti ia akan merobek meja dan semua yang ada di bawahnya hingga mencapai pusat bumi.
Jika itu belum cukup menakutkan, ingatlah bahwa blokir ini bisa dengan mudah menjadi seseorang! Namun, sekarang kita menyadari mengapa gaya normal itu penting, pertanyaannya tetap: bagaimana kita menghitung gaya normal?
Pelajari Juga: Rumus Gaya Grafitasi
Besar Gaya Normal
Besarnya gaya normal bergantung pada gaya lain yang bekerja pada benda. Perhitungan gaya normal bergantung pada gaya-gaya lain ini. Gravitasi akan selalu menjadi salah satu gaya ini. Sebagai pengingat, untuk benda apa pun di Bumi dengan massa m,
w = m . g
Keterangan :
– w = gaya berat (N)
– F = gaya (N)
– m = massa (kg)
– g = percepatan gravitasi (m/s2)
Asumsikan semua contoh dalam artikel ini terjadi di bumi. Jadi, g = 9,8 m\s2 (biasanya yang sering digunakan adalah 10 m/s2)
Dalam situasi di mana suatu benda berada di atas permukaan dan tidak meninggalkan permukaan, gaya normalnya didefinisikan sebagai berikut :
Gaya normal adalah gaya yang terjadi pada suatu benda dengan besaran sedemikian rupa sehingga gaya total pada benda searah tegak lurus dengan permukaan adalah nol.
Sebagai akibatnya, sumbu umumnya didefinisikan sehingga sumbu x sejajar dengan permukaan, dan sumbu y tegak lurus dengan permukaan. Dalam beberapa kasus, gaya mungkin perlu dipecah menjadi beberapa komponen untuk mengetahui besarnya gaya tertentu. Hal ini sering terjadi jika pada benda miring.
Mengapa Terdapat Kekuatan Normal ?
Gaya normal pasti ada karena konsep yang dikenal sebagai Hukum Ketiga Newton. Ini menyatakan bahwa benda apa pun yang memiliki gaya yang dikenakan padanya akan melepaskan gaya sendiri dengan besaran yang sama tetapi arah yang berlawanan (fakta bahwa gaya adalah besaran vektor sangat penting untuk menganalisis keberadaan gaya normal). Oleh karena itu, jika gaya total diterapkan pada suatu benda terhadap permukaan tempatnya berada, ia akan “mengembalikan” gaya sendiri dengan besaran yang sama, memberikan benda tersebut gaya total 0 pada sumbu tersebut (biasanya sumbu y).
Sekarang sudah jelas mengapa gaya normal ada, mari kita beralih ke beberapa contoh kuantitatif untuk belajar rumus gaya normal.
Pelajari Juga : Apa itu gaya berat?
Objek di Tingkat Permukaan
Masalah gaya normal dibagi menjadi dua kategori: situasi di mana benda berada pada permukaan yang rata, dan situasi di mana benda berada pada kemiringan. Mereka didekati secara terpisah karena teknik pemecahan masalah yang diperlukan untuk kedua jenis masalah agak berbeda.
Contoh 1 : Sebuah balok yang diletakkan di atas meja datar memiliki massa 6 kilogram. Sebuah gaya ke bawah 12 N diterapkan ke balok. Berapakah gaya normal yang diterapkan pada balok?
Pembahasan : Baik gaya yang diterapkan maupun gaya gravitasi adalah gaya ke bawah, menuju pusat bumi. Oleh karena itu gaya normal harus mengarah ke atas. Sebagai permulaan, mari kita cari gaya gravitasi pada balok:
w = m . g = 6 (9,8) = 58,8 N
Gaya yang diketahui adalah 12 N gaya ke arah yang sama. Oleh karena itu, besarnya total kedua gaya ke bawah adalah 58,8 + 12 = 70,8 N. Gaya total pada benda adalah nol Newton, jadi gaya normal memiliki besaran yang sama dengan gaya gabungan, tetapi arahnya berlawanan. Oleh karena itu gaya normalnya mengarah ke atas dan memiliki magnitudo 70,8 N.
Contoh 2 : Sebuah balok bermassa 8 kilogram berada pada permukaan datar, datar, tanpa gesekan, dan sedang didorong secara horizontal dengan gaya 12 Newton. Berapakah gaya normal pada balok?
Pembahasan : Menurut Hukum Newton, percepatan horizontal dapat ditentukan :
Fx = m . a⇒
a = Fx / m = 12 / 8 = 1,5 m/s2
Karena ia berakselerasi, ia pasti bergerak, jadi gaya normalnya memastikan bahwa tidak ada gerakan yang hanya searah u. Jadi besarnya akan sama dengan gaya gravitasi pada balok. Karena gaya gravitasi mengarah ke bawah, gaya normal akan mengarah ke atas. Sekarang temukan besarnya:
N = m . g = 8 . 9,8 = 78,4 N
Namun, jika gaya yang diterapkan tidak menunjuk paralel atau tegak lurus terhadap gaya gravitasi, dekomposisi vektor gaya menjadi komponen akan diperlukan, seperti yang ditunjukkan pada contoh soal berikut.
Contoh 3 : Sebuah balok bermassa 2 kg berada di permukaan tanpa gesekan. Sebuah gaya diterapkan pada balok dengan besaran 12 N dan memiliki sudut 52° di bawah horizontal. Berapakah gaya normal yang bekerja pada benda?
Pembahasan : Mulailah dengan mendaftar semua gaya yang bekerja pada benda pada setiap sumbu koordinat:
Sumbu X : Komponen X dari gaya yang diterapkan
Sumbu Y : Komponen Y dari gaya yang diterapkan Gaya gravitasi Gaya normal
Benda tersebut sama sekali tidak bergerak ke arah y, jadi
N − Fyapp − w = 0
Pecahkan gaya normal :
N = Fyapp + w
Sekarang kita dapat menentukan Fyapp
dan w :
sin 52° = Fyapp / Fapp ⇒
Fapp . sin52∘ = Fyapp ⇒
Fy = 9,456 N
Sekarang tentukan w :
w = m . g = 2 . 9,8 = 19,6 N
Jumlahnya menghasilkan besar gaya normal sebesar N = 29,056 N.
Contoh 4 : Sebuah balok diam pada permukaan datar yang rata. Tidak ada gaya yang bekerja pada balok sepanjang sumbu horizontal. Gaya normal pada balok tersebut memiliki magnitudo 124,9 N. Berapa massa balok?
Pembahasan : Permukaannya rata. Karena gaya normal selalu bekerja tegak lurus terhadap permukaan, gaya tersebut mengarah ke atas, melawan gravitasi. Karena kurangnya gaya luar selain gravitasi, gaya normal dan gaya gravitasi memiliki besaran yang sama:
N = w ⇒
124,9 = m . g
Kita bisa mencari massa balok :
m = N / g = 124.9 / g
124.9 / 9.8 = 12.745 kg
Objek di Permukaan Miring
Sekarang kami menyelidiki kalkulasi gaya normal balok yang berada di lereng. Ini lebih rumit karena membutuhkan gaya pemecah menjadi komponen. Sebagai aturan praktis, ketika balok (atau benda lain) berada pada kemiringan, tentukan sumbu koordinat sehingga sumbu x sejajar dengan permukaan dan sumbu y tegak lurus dengan permukaan (dengan konfigurasi ini normal gaya akan selalu sejajar dengan sumbu y). Secara umum, gaya gravitasi perlu dipecah menjadi beberapa komponen.
Contoh 5 : Sebuah balok bermassa 8,5 kg dipasang pada lereng tanpa gesekan dengan sudut kemiringan 20 derajat. Berapakah besar gaya normal pada balok tersebut?
Pembahasan : Gaya gravitasi tidak berada di sepanjang sumbu – harus dipecah menjadi komponen yang sejajar dengan kedua sumbu. Komponen y melawan gaya normal, dan komponen x sejajar dengan permukaan. Jadi, menurut Hukum Kedua Newton:
∑Fy = N − wy = M . ay
Namun percepatan balok pada sumbu y adalah nol karena tidak ada pergerakan ke arah tersebut.
N − wy = 0⇒
N = wy
Namun, wy perlu ditulis dalam istilah w
Menggambar segitiga dengan kaki sebagai komponen dan sisi miring sebagai gaya gravitasi total dan menggunakan beberapa trigonometri segitiga dasar memberikan
Wy = W cos 20°
Jadi,
N = W cos 20° = m.g cos 20° = (8,5) (9,8) cos 20° = 78,276 N
Kita dapat menggunakan Contoh 5 sebagai model konseptual untuk menangani masalah yang serupa, seperti dua contoh terakhir, Contoh 6 dan 7.
Contoh 6 : Sebuah balok berada pada lereng dengan sudut kemiringan 18 derajat. Gaya normal pada balok tersebut memiliki besaran 112,3 Newton. Berapa massa balok?
Pembahasan : Seperti Contoh 5,
N = wy
Dengan alasan yang sama di Contoh 6, jika kita membiarkan sudut kemiringan dilambangkan sebagai θ (dalam derajat), lalu :
wy = w cos θ
Karena itu :
N = w cos θ ⇒ m.g cos θ
Kita memiliki semua nilai variabel kecuali massa, yang perlu kita selesaikan :
m = N / g cos θ = 112,3 / 9,8 cos 18° = 12,049 kg
Secara umum, untuk jenis soal ini, sudut kemiringan dilambangkan sebagai θ
Contoh 7 : Sebuah balok bermassa 4 kilogram sedang miring. Gaya normal pada balok tersebut memiliki magnitudo 36,05 Newton. Berapa sudut kemiringannya?
Pembahasan : Dalam jenis masalah ini, kami mengetahui semua informasi yang relevan kecuali θ, yang membuat penyiapan persamaan menjadi sedikit lebih sulit. Tapi, seperti yang benar pada umumnya:
wy = w cos θ
Diperoleh :
N = w cos θ ⇒ m.g cos θ
Sekarang kita perlu mencari sudutnya. Isolasikan itu :
cosθ = N / mg ⇒
θ = arc cos (N / mg)
Sekarang masukkan besar gaya normal, massa balok, dan konstanta gravitasi :
θ = arc cos (36,05 / 4 . 9,8) = 23,126°
Sekarang dapat dilihat mengapa masalah ini dipecah menjadi dua kategori. Satu kategori masalah paling baik ditangani pada sumbu miring dengan memecah gaya gravitasi menjadi komponen. Namun, kedua soal 6 dan 7 menunjukkan pentingnya gaya normal. Kalian tidak akan duduk membaca artikel ini tanpa gaya normal yang menahan kalian di tempat duduk!
Oke, itu saja pembahasan mengenai rumus gaya normal. Semoga dapat mengembangkan ilmu dan pengetahuan kalian. Sekian terima kasih dan sampai jumpa.