GAYA ARAH DAN GERAK

Pengertian GAYA - Gaya adalah suatu kekuatan (Tarikan atau doronagan) yang mengakibatkan benda yang dikenainya mengalami perubahan posisi atau kedudukan (bergerak) dan atau berubah bentuk. Gaya juga dapat diartikan sebagai suatu tarikan atau dorongan yang dikerahkan sebuah benda terhadap benda lain. Misalnya pada kegiatan tarik tambang yang membuat pelakunya berpindah tempat.

 

Gaya yang berupa tarikan atau dorongan tersebut mempunyai arah gaya. Tarikan mempunyai arah yang mendekati orang/hewan/benda yang menariknya. Sedangkan dorongan mempunyai arah yang menjauhi orang/hewan/benda yang mendorongnya. Selain mempunyai arah, gaya pun mempunyai nilai, maka gaya merupakan besaran vektor.

 

Gaya selaku besaran vektor digambarkan sebagai anak panah. Arah anak panah menggambarkan arah gaya, sedangkan panjang anak panah menggambarkan besar/kekuatan gaya. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar berikut ini :

arah gaya

Keterangan :

• Anak panah merah menunjukan gaya ke kanan dengan besar gaya F1

• Anak panah warna hitam menunjukan gaya ke atas dengan besar gaya F2

• Anak panah warna kuning menunjukan gaya ke bawah dengan besar gaya F3

• DLL

Gaya dapat menyebabkan sebuah benda berubah bentuk, berubah posisi, berubah kecepatan, berubah panjang atau volume, dan juga berubah arah. Besar kecilnya atau kuat lemahnya gaya yang harus kita keluarkan untuk suatu kegiatan, tergantung pada jenis kegiatannya. Sebuah gaya disimbolkan dengan huruf F singkatan dari Force. Satuan gaya dalam Satuan Internasional (SI) adalah Newton (N) yang merupakan penghormatan bagi seorang ilmuwan Fisika Inggris bernama Sir Isaac Newton (1642-1727).

 

Jadi dapat kita simpulakan bahwa gaya mempunyai 3 sifat, yaitu :

1. Gaya dapat mengubah bentuk benda.

2. Gaya dapat mengubah arah gerak benda

3. Gaya dapat menyebabkan benda bergerak atau berpindah tempat.

 

Jenis jenis Gaya

Berdasarkan kontak antara benda yang mengerjakan gaya dengan benda yang dikenai gaya, gaya dibedakan menjadi gaya sentuh dan gaya tak sentuh,g

 

1. Gaya sentuh

Pengertian gaya sentuh adalah gaya yang dikerjakan harus dilakukan dengan pesentuhan atau kontak lengsung antara benda yang mengerjakan gaya dengan benda yang dikenai gaya. Contoh gaya sentuh adalah :

• Gaya otot adalah gaya yang yang ditimbulkan oleh otot manusia dan hewan 

• Gaya pegas yaitu gaya pulih yang ditimbulkan oleh benda yang mengalami pemampatan atau perenggangan 

• Gaya gesekan adalah gaya yang timbul karena gesekan antara permukaan dua benda atau lebih 

• Gaya mesin adalah gaya yang ditimbulakan oleh pembakaran bahan bakar didalam mesin 

2. Gaya Tak sentuh

Pengertian gaya tak sentuh adalah gaya yang dikerjakan tanpa adanya persentuhan atau kotak langsung antara benda yang mengerjakan gaya dengan benda yang dikenai gaya. Contoh gaya tak sentuh adalah

• Gaya magnet adalah gaya tarik atau tolak yang ditimbulkan oleh benda yang besifat magnet

• Gaya gravitasi adalah gaya yang ditimbukan oleh benda untuk menarik benda lain ke arah pusat benda yang bersangkutan. Misalnya gaya grafitasi bumi menarik benda benda di atas permukaan bumi ke arah pusat bumi. 

• Gaya listrik adalah gaya yang ditimbulakan oleh muatan muatan listrik atau arus listrik 

• Gaya berat atau yang biasa disebut berat benda. Berat benda merupakan gaya gravitasi bumi yang bekerja pada benda tersebut.

 

TEGANGAN

Apabila suatu gaya dalam ditahan oleh penampang batang maka di dalam penampang batang tersebut akan mengalami adanya tegangan. Tegangan adalah reaksi yang timbul di seluruh bagian spesimen dalam rangka menahan beban yang diberikan. Bila penampangnya kecil itu dijumlah hingga mencapai penampang spesimen, maka jumlah gaya per satuan luas yang muncul di dalam bahan itu harus menjadi sama dengan beban dari luar.

Satuan yang digunakan dalam penjabaran tegangan adalah satuan gaya dibagi dengan satuan luas. Pada satuan SI, gaya diukur dalam Newton (N) dan luas diukur dalam satuan meter kuadrat (m²). Biasanya, 1 N/m² dikenal sebagai satu Pascal (Pa). Apabila dijabarkan dalam rumus adalah sebagai berikut :

 σ  = F/A
dengan :
σ  : Tegangan (N/m²)
F    : gaya (Newton)
A   : luas (m²)

Ditinjau dari arah gaya dalam yang terjadi, tegangan diklasifikasikan menjadi 2 jenis, yaitu :

a. Tegangan normal yakni tegangan yang terjadi karena pengaruh dari gaya normal.
b. Tegangan tangensial yakni tegangan yang terjadi karena pengaruh gaya tangensial.

Sedangkan menurut jenis pembebanan yang diberikan, tegangan diklasifikasikan menjadi:

1. Tegangan tarik
2. Tegangan geser
3. Tegangan tekan
4. Tegangan puntir
5. Tegangan lengkung/bengkok

Apabila di dalam satu penampang terjadi lebih dari satu jenis tegangan dengan waktu yang bersamaan, dalam hal ini terjadi tegangan gabungan yang didefinisikan sebagai penjumlahan dari kuadrat tegangan (normal) dengan hasil kuadrat atas konversi tegangan- tegangan (tangensial) yang dikalikan tiga. Kemudian hasil penjumlahan tersebut di akar kuadratkan sehingga akan diperoleh nilai tegangan gabungan. Besarnya konversi tegangan tergantung dari jenis dan kasus pembebanan.

 Konsep dari tegangan dapat diilustrasikan pada sebuah batang prismatis yang mendapat gaya aksial. Batang prismatis adalah sebuah elemen struktural lurus yang mempunyai penampang kostan di seluruh panjangnya dan gaya aksial adalah beban yang arah sama dengan sumbu elemen, sehingga mengakibatkan tarik atau tekan pada batang. Pada gaya aksial, komponen ini mengukur kerja tarikan atau tekanan di penampang.

Suatu tarikan menyatakan suatu gaya tarik yang cenderung memperpanjang batang, sedangkan suatu tekanan adalah gaya tekan yang cenderung memperpendek batang. Gaya ini selalu diberi notasi P. Sedangkan gaya geser merupakan suatu tahanan total akibat geseran salah satu sisi penampang suatu bagian terhadap bagian yang lain dan gaya ini selalu diberi notasi V.

Dari konsep dan rumus yang telah dijabarkan, maka kita dapat membagi tegangan menjadi beberapa jenis yakni tegangan tarik (tensile stress), tegangan tekan (compressive stress), tegangan normal (normal stress), tegangan geser (shear stress),  tegangan dukung (bearing stress), tegangan puntir, dan tegangan lengkung (bengkok).

Pada tegangan tarik dan tegangan tekan, distribusi akan terbagi rata apabila garis gaya aksial melalui pusat berat penampang melintang. Dengan demikian, maka untuk memperoleh tarik atau tekan yang terbagi rata pada suatu batang prismatis, maka gaya aksial harus bekerja melalui pusat berat penampang.

Jika suatu bidang melewati suatu benda, maka gaya yang bekerja di sepanjang bidang tersebut disebut gaya geser atau gaya gesek (shearing force). Gaya ini kita simbolkan dengan F_s. Perbandingan tegangan geser dan tegangan normal apabila kita misalkan suatu potongan batang dengan bidang a-a tegak lurus pada sumbunya, seperti gambar dibawah. Tegangan normal σ tegak lurus bidang a-a. Tegangan geser bekerja di sepanjang atau sejajar bidang, yang ditunjukkan dengan simbol τ. Dengan demikian perbedaan antara tegangan geser dan tegangan normal adalah didasarkan pada arahnya.

Tegangan geser berbeda dengan tegangan tarik maupun tegangan tekan, karena tegangan geser disebabkan oleh gaya yang bekerja sepanjang atau sejajar dengan luas penahan gaya, sedangkan tegangan tarik atau tegangan tekan disebabkan oleh gaya yang tegak lurus terhadap luas bidang gaya.

Tegangan geser terjadi apabila beban terpasang menyebabkan salah satu penampang benda cenderung mengelincir pada penampang yang bersinggungan. Tegangan geser dapat dibagi menjadi dua, apabila ditinjau dari banyaknya geseran bidang yang terjadi yakni geser tunggal dan geser ganda. Dalam geser ganda, masing-masing gaya geser sama dengan setengah dari beban total yang disalurkan, artinya V=P/2.

Tegangan geser langsung merupakan tegangan yang dihasilkan oleh aksi langsung dari gaya-gaya dalam upaya memotong bahan. tegangan geser langsung terjadi pada desain sambungan yang menggunakan baut, sendi, paku keling, kunci, las, atau lem. Tegangan geser secara tidak langsung apabila elemen struktur mengalami tarik, torsi, dan lentur.

Pada setiap kasus, apabila tegangan geser terjadi di sepanjang luas yang sejajar dengan beban kerja maka disebut tegangan geser langsung searah. Tegangan geser langsung searah berlawanan dengan tegangan  geser induksi yang terjadi pada penampang miring dengan beban resultan.

Sebagai ilustrasi tentang aksi tegangan geser, maka kita dapat meninjau sambungan baut. Sambungan tersebut terdiri dari batang datar, pengapit, dan baut yang menembus lubang di batang dan pengapit. Akibat aksi beban tarik, batang dan pengapit akan menekan baut dengan cara menumpu (bearing) dan tegangan kontak yang disebut tegangan tumpu akan timbul. Selain itu, batang dan pengapit cenderung menggeser baut dan kecenderungan ini ditahan oleh tegangan geser pada baut.

Sifat dari tegangan geser yakni apabila tegangan geser pada muka yang berhadapan (dan sejajar) dari suatu elemen sama besar dan berlawanan arah. Dan apabila tegangan geser di muka yang bersebelahan (dan tegak lurus) dari suatu elemen sama besar dan mempunyai arah sedemikian sehingga tegangan-tegangan tersebut saling menuju atau saling menjauhi garis perpotongan kedua muka tersebut.

Apabila tegangan geser dijabarkan dalam rumus, maka  tegangan geser akan menjadi :
τ = V/A
dimana :
τ = tegangan geser (N/m²)
V = gaya geser (newton)
A = luas (m²)

Tegangan dukung adalah tegangan yang dihasilkan akibat kontak dari dua benda. Tegangan dukung berbeda dengan tegangan tekan dimana tegangan tekan adalah tegangan dalam yang disebabkan oleh gaya tekan, sedangkan tegangan dukung disebabkan oleh  tegangan singgung antara benda yang terpisah. Beberapa contoh tegangan dukung adalah tegangan tekanan tanah di bawah dermaga dan gaya pada pelat dukung.

Tegangan lengkung adalah tegangan yang diakibatkan karena adanya gaya yang menumpu pada titik tengah suatu beban sehingga mengakibatkan benda tersebut seakan-akan melengkung. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Sedangkan rumus untuk tegangan lengkung ini adalah :

F = R_a + R_b                                   τb = Mb/Wb
dimana:
Mb = momen lengkung
Wb = momen tahanan lengkung

Tegangan puntir merupakan tegangan yang diakibatkan oleh gaya putar. Tegangan puntir sering terjadi pada poros roda gigi dan batang torsi pada mobil, juga saat melakukan pengeboran. Jadi, merupakan tegangan tangensial.

Benda yang mengalami beban puntir akan menimbulkan tegangan puntir sebesar :

τt = Wp/Mt

 dimana :
Mt   = momen puntir (torsi)
Wp = momen tahanan polar (pada puntir)