Kesetimbangan Benda Tegar: Pengertian, Jenis, Syarat, Rumus & Contoh Soal

Prinsip kesetimbangan benda tegar merupakan prinsip yang sangat penting dalam Fisika untuk dipelajari karena berkaitan erat dengan segala sesuatu di sekitar kita. Dalam bidang teknik sipil, prinsip keseimbangan tubuh berperan dalam merancang bangunan yang kokoh dan mampu menahan beban.

Definisi Kesetimbangan Benda Kaku

Benda tegar adalah benda yang memiliki jarak tetap antara setiap bagian atau benda yang bentuknya tidak berubah. Jika benda tegar dipengaruhi oleh gaya atau momen gaya, maka benda tersebut tidak akan berubah bentuk.

Namun, prinsip benda tegar itu sendiri sebenarnya adalah model fisik yang diidealkan. Hal ini dikarenakan di dunia nyata, pada dasarnya semua jenis benda pasti akan berubah bentuk jika mengalami momen gaya atau gaya.

Hanya saja, pengaruh perubahan yang dialami benda-benda tersebut relatif kecil sehingga pengaruhnya terhadap keseimbangan statis dapat diabaikan. Jika partikel hanya mengalami gerak translasi, maka benda tegar akan mengalami gerak rotasi dan juga gerak translasi.

Sebuah benda tegar dikatakan berada dalam kesetimbangan translasi jika resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut sama dengan nol. Oleh karena itu benda tegar tidak akan mengalami kecepatan sudut (ω = 0) melainkan hanya bergerak dengan kecepatan konstan v.

Sebuah benda yang memiliki keseimbangan rotasi, resultan torsi atau momen gaya adalah nol, percepatan sudutnya adalah 0 dan kecepatan sudutnya konstan.

Oleh karena itu, syarat benda tegar dalam keadaan seimbang ada dua, yaitu resultan gaya dan resultan momen gaya (torsi) di sembarang titik sama dengan nol.

Rumus Kesetimbangan Benda Kaku

Rumus keseimbangan benda tegar harus memenuhi syarat resultan momen gaya sama dengan 0 dengan rumus momen gaya (torsi) sebagai berikut:

Informasi:

Kondisi Kesetimbangan Benda Kaku

Suatu benda tegar dikatakan berada dalam keadaan setimbang jika memenuhi syarat kesetimbangan translasi dan setimbang rotasi ketika gaya tertentu diterapkan pada benda tegar tersebut. Jika gaya bekerja pada bidang XY, maka kondisi kesetimbangan untuk benda tegar adalah:

Informasi:

Jenis Benda Kaku Kesetimbangan

Berdasarkan posisi pusat gravitasi pada benda, keseimbangan benda saat dalam keadaan diam atau keseimbangan statis dibagi menjadi tiga kelompok, yaitu keseimbangan stabil, keseimbangan tidak stabil, dan keseimbangan acuh tak acuh.

Kesetimbangan stabil adalah keseimbangan yang dimiliki oleh suatu benda dimana meskipun benda tersebut terkena sedikit gangguan atau gaya, benda tersebut akan segera kembali ke posisi setimbang awalnya.

Contoh keseimbangan yang stabil adalah kelereng yang ditempatkan pada bidang cekung. Ketika kelereng mendapat sedikit gaya atau gangguan kecil dari luar dan kemudian gaya dihilangkan, kelereng hanya bergerak sedikit dan kemudian segera kembali ke posisi semula.

Tanda keseimbangan stabil adalah bertambahnya titik suatu benda ketika dipengaruhi oleh gaya atau gangguan kecil.

Keseimbangan tidak stabil adalah keadaan keseimbangan pada suatu benda dimana jika benda tersebut diberi sedikit gaya atau gangguan, maka benda tersebut tidak dapat kembali ke posisi setimbang semula.

Contoh keseimbangan yang tidak stabil adalah kelereng yang diletakkan pada bidang cembung. Ketika kelereng mendapat gangguan kecil dan kemudian gangguan itu hilang, kelereng tidak akan pernah bisa kembali ke posisi semula.

Tanda keseimbangan yang tidak stabil adalah penurunan pusat gravitasi suatu benda ketika dipengaruhi oleh gaya.

Keseimbangan bebas atau disebut juga keseimbangan netral adalah suatu keadaan keseimbangan yang dimiliki oleh suatu benda dimana ketika benda tersebut diberi sedikit gangguan atau gaya, maka benda tersebut tidak akan mengalami perubahan titik berat benda tersebut.

Pada Gambar 3 di atas tampak bahwa sebuah kelereng diletakkan pada bidang datar. Jadi jika kelereng diberi gangguan kecil atau sedikit gaya kemudian gaya dihilangkan maka kelereng akan kembali diam pada posisi yang berbeda.

Tanda keseimbangan acuh tak acuh atau keseimbangan netral adalah tidak ada perubahan yang pasti pada pusat gravitasi ketika dipengaruhi oleh suatu gaya.

Keseimbangan Benda Kaku dalam Kehidupan Sehari-hari

Prinsip fisika kesetimbangan benda tegar banyak diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Contoh penerapan prinsip keseimbangan benda tegar adalah pada pembangunan jembatan dan juga pada pembangunan rumah.

Agar jembatan tidak mudah runtuh meskipun dilalui kendaraan berat, maka jembatan harus memenuhi keseimbangan statis (yaitu keseimbangan benda ketika dalam keadaan diam).

Demikian pula pembangunan rumah atau gedung pencakar langit juga harus memenuhi prinsip keseimbangan.

Prinsip keseimbangan tubuh yang kaku lainnya adalah dalam pembuatan mainan anak-anak “Boneka Tinju”. Boxing Puppets adalah jenis boneka yang biasa digunakan oleh anak-anak untuk bermain tinju. Keunikan dari boneka ini adalah tidak bisa jatuh meski dipukul sekeras mungkin.

Ketika Boneka Tinju dipukul, ia akan segera bangkit kembali. Prinsip yang digunakan dalam Tinju Wayang adalah keseimbangan benda tegar, keseimbangan yang stabil, yaitu ketika suatu benda diberi sedikit gangguan atau gaya, maka benda tersebut akan segera kembali ke posisi keseimbangan semula.

Contoh Soal Kesetimbangan Benda Kaku

Lihat gambar skema tuas di bawah ini. Di ujung kanan, beban 1000 N akan diberikan. Sedangkan pada ujung yang lain akan diberikan beban sebesar 400 N. Tentukan di mana posisi tumpuan harus ditempatkan agar beban 1000 N dapat diimbangi oleh beban 400 N di ujung lainnya?

Diketahui berat sebuah batang homogen adalah 200 N.

Prinsip keseimbangan benda tegar mendasari berbagai bidang ilmu dalam kehidupan, khususnya bidang perencanaan bangunan seperti teknik sipil dan arsitektur. Untuk merancang jembatan agar tidak runtuh dan bangunan tinggi yang berdiri kokoh, prinsip keseimbangan memegang peranan penting.