Everything Comes with “Balance”, Yuk Kenali Konsep Kesetimbangan Benda Tegar!
Sahabat pintar pasti terpukau ketika melihat bangunan pencakar langit seperti Burj Khalifa di Dubai, atau jembatan modern yang menghubungkan antarpulau seperti Jembatan Suramadu. Namun apakah bentuk bangunan dan jembatan seperti itu dibuat hanya untuk memperbagus tampilan saja? Dari sisi fisikanya, ternyata bentuk suatu bangunan sangat penting untuk menjaga keseimbangan dari tiap-tiap komponen dari bangunan tersebut.
Jika para arsitek yang membangun jembatan tersebut salah dalam mengukur kesetimbangannya, maka resiko tersebesarnya adalah jembatan tersebut akan runtuh dan tentu saja dapat merugikan banyak pihak. Oleh karena itu, penting bagi kita untuk mempelajari materi kesetimbangan ini guna mengetahui bagaimana sistem keseimbangan suatu benda.
Pada tulisan ini, kita akan mempelajari apa itu kesetimbangan benda tegar, bagaimana sistem mencapai titik setimbangnya, apa saja syarat yang dibutuhkan, dan bagaimana aplikasinya dalam dunia nyata.
Apa itu Kesetimbangan Benda Tegar?
Secara definisinya, kesetimbangan adalah suatu kondisi dimana dalam suatu sistem, total gaya dan torsinya akan saling meniadakan sehingga total gaya-gaya yang bekerja dan total torsi yang diberikan akan bernilai 0. Sedangkan benda tegar itu sendiri adalah suatu benda yang jika dikenakan gaya ataupun torsi, bentuk benda tersebut tidak akan berubah dan tetap seperti saat sebelum diberikan gaya maupun torsi.
Konsep Dasar Kesetimbangan
Pada kenyataannya, dalam setiap benda (termasuk makhluk hidup) itu setidaknya memiliki 1 gaya yang bekerja pada mereka yang kita sebut sebagai gaya gravitasi. Kita ambil kasus sebuah buku pada gambar di bawah ini :
Pada buku tersebut terlihat pasti ada 1 gaya minimal yang ada, yaitu gaya gravitasi. Namun menurut hukum ke-3 Newton tentang aksi dan reaksi, pasti ada gaya yang membuat buku tersebut dalam keadaan setimbangnya, yang pada kasus di atas gaya yang meniadakan gaya gravitasi tersebut adalah gaya normal. Kondisi saling meniadakan itu disebut sebagai keadaan ekuilibrum, yang artinya adalah seimbang.
Kondisi Pertama Untuk Kesetimbangan
Untuk membuat suatu objek berada pada kesetimbangan, Hukum ke-2 Newton menjelaskan bahwa penjumlahan semua gaya yang bekerja pada objek tersebut haruslah bernilai 0. Karena gaya itu sendiri adalah vektor, maka penjumlahan komponen-komponen sumbu x,y, dan z dari gaya tersebut juga haruslah bernilai 0:
Untuk sekarang kita hanya berfokus untuk gaya pada 2 dimensi saja, sehingga hanya memerlukan komponen sumbu x dan komponen sumbu y saja. Perlu diingat juga karena gaya ini adalah vektor, maka untuk arah gaya yang searah dengan sumbu negatif dari x dan y, kita perlu gunakan tanda negatif.
Pada umumnya persamaan di atas kita sebut sebagai kondisi pertama untuk kesetimbangan.
Kondisi Kedua untuk Kesetimbangan
Dalam suatu kasus untuk benda yang bergerak rotasi (melingkar), kondisi pertama tidak cukup untuk membuat keadaan suatu benda setimbang. Lihat gambar di bawah ini :\
Terlihat bawa walaupun penggaris tersebut sudah memenuhi kondisi pertama, namun penggaris tersebut tidaklah diam melainkan akan bergerak secara melingkar. Disinilah torsi memainkan perannya.
Aplikasi lanjutan dari Hukum ke-2 Newton untuk torsi adalah :
Seperti halnya kondisi pertama, untuk kondisi kedua ini yaitu penjumlahan dari torsi yang bekerja pada suatu objekpun diukur dari sumbu manapun haruslah bernilai 0:
Kondisi kedua ini akan memastikan bahwa percepatan angular dari objek tersebut bernilai 0, sehingga objek tersebut akan diam dan berada pada kondisi kesetimbangan. Perlu diingat juga untuk menentukan sumbu dari torsi tersebut adalah bebas, karena hasilnya pun nanti akan sama. Pilih sumbu yang dapat memudahkan perhitungan kita saat menghitung penjumlahan torsinya tersebut.
Jenis-Jenis Kesetimbangan
Pada suatu objek yang mengalami kesetimbangan, jika benda tersebut dalam keadaan diam, kita sebut sebagai kesetimbangan statis. Jika benda itu bergerak namun tetap mempertahankan kesetimbangannya, kita sebut benda tersebut sebagai kesetimbangan dinamis.
Pada objek yang mengalami keseimbangan statis, jika objek tersebut tidak diberi gangguan apapun, maka objek tersebut tidak memiliki percepatan translasi maupun percepatan rotasinya, karena total gaya maupun torsi yang bekerja pada objek tersebut semuanya bernilai 0.
Namun lain hal nya jika objek tersebut diberi sedikit gangguan. Gangguan kecil pada objek tersebut akan menghilangkan kesetimbangan pada objek tersebut dan akan muncul setidaknya 3 jenis kondisi kesetimbangan yang akan terjadi. Jenis kesetimbangan yang terjadi yaitu :
· Kesetimbangan stabil, yaitu kondisi dimana ketika suatu objek diberi sedikit gangguan, maka objek tersebut akan tetap kembali pada posisi setimbangnya.
· Kesetimbangan tak stabil, yaitu kondisi dimana ketika suatu objek diberi sedikit gangguan, maka objek tersebut tidak akan kembali pada posisi setimbangnya.
· Kesetimbangan netral, yaitu kondisi dimana ketika suatu objek diberi sedikit gangguan, maka benda tersebut akan memiliki posisi kesetimbangan yang baru dan menjadi diam pada posisi kesetimbangannya yang baru tersebut.
Aplikasi Kesetimbangan : Lengkungan Pada Bangunan
Salah satu aplikasi kesetimbangan yaitu ketika ingin membuat lengkungan pada suatu bangunan. Banyak bangunan yang pada zaman dulupun dibuat dengan bantuan konsep kesetimbangan, seperti pada gambar berikut :
Bagaimana mungkin bangunan berbentuk seperti itu namun tidak roboh maupun hancur ? Disinilah konsep kesetimbangan digunakan untuk membuat bangunan tersebut tetap dalam keadaan stabil. Pada contoh lengkungan pada bangunan di Forum Roma tersebut digunakan konsep kesetimbangan dengan diagram sederhana seperti berikut :
Diagram ini bukan diagram asli saat proses pembuatannya, karena konsepnya lebih rumit lagi. Namun untuk dasarnya saja, kita gunakan yang sederhana seperti gambar diagram di atas. Kita asumsikan gaya kompresi pada batu adalah bernilai 6 x 10⁴ N, maka untuk membuatnya setimbang, gaya angkat dari penyangga kita buat sama yaitu Fv = 6 x 10⁴ N.
Dari asumsi tersebut kita sudah memenuhi kondisi pertama dari kesetimbangan, namun kita perlu kondisi kedua untuk benar-benar membuat bangunan tersebut setimbang, Anggap gaya horizontal yang membuat kondisi kedua setimbang adalah Fh. Sehingga untuk mencari nilai Fh yang membuat bangunan tersebut setimbang yaitu :
Dari persamaan di atas, akan didapat nilai dari Fh nya adalah 3 x 10⁴ N. Nilainya inilah yang akan membuat bangunan tersebut secara asumsi menjadi setimbang.
