Perbandingan antara lengan kuasa dan lengan beban disebut

Manusia sering menggunakan alat bantu untuk mempermudah pekerjaan yang dilakukan. Alat-alat yang digunakan manusia untuk mempermudah dalam melakukan kerja atau usaha dalam fisika disebut sebagai pesawat. Sebuah pesawat berfungsi untuk memperbesar gaya atau usaha. Alat pembuka tutup botol, gunting rumput, komputer, dan mobil merupakan beberapa contoh pesawat. Selain digunakan untuk memperbesar gaya, manusia juga menggunakan pesawat untuk mengubah energi, memindahkan energi, memperbesar kecepatan, dan mengubah arah benda.

Pesawat ada dua macam, yaitu pesawat sederhana dan pesawat rumit. Pesawat sederhana merupakan peralatan yang dibuat sangat praktis dan mudah digunakan. Pembuka tutup botol, gunting, resleting, dan tang merupakan beberapa contoh pesawat sederhana. Pesawat rumit terdiri atas beberapa

16

pesawat sederhana. Contoh pesawat rumit antara lain komputer, mobil, dan sepeda. Prinsip kerja pesawat sederhana dikelompokkan menjadi beberapa bagian, yaitu tuas, katrol, dan bidang miring.

a. Tuas

Tuas adalah pesawat sederhana yang memiliki lengan yang berputar pada sebuah titik tumpu. Perbandingan antara beban dan kuasa adalah sama dengan perbandingan antara lengan kuasa dan lengan beban. Penerapan tuas seperti terlihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Anak-anak yang sedang bermain jungkat-jungkit.10

Gambar 2.1. memperlihatkan dua anak yang sedang bermain jungkat-jungkit. Jungkat-jungkit adalah sejenis pesawat sederhana yang disebut pengungkit atau tuas. Tuas memiliki banyak kegunaan, di antaranya adalah untuk mengangkat atau memindahkan benda yang berat.

10 Karim, Saeful, dkk., Belajar IPA: membuka cakrawala alam sekitar 2 untuk kelas VIII/ SMP/MTs, (Jakarta: Pusat Perbukuan, Departemen Pendidikan Nasional, 2008), hlm. 197.

17

Contoh lain dari penerapan tuas seperti terlihat pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Penggunaan tuas11

Gambar 2.2. merupakan tuas yang digunakan orang untuk memindahkan sebuah batu yang berat. Gambar 2.2. menjelaskan bahwa berat beban yang diangkat disebut gaya beban (Fb) dan gaya yang digunakan untuk mengangkat batu atau beban disebut gaya kuasa (Fk). Jarak antara penumpu dan beban disebut lengan beban (lb) dan jarak antara penumpu dengan kuasa disebut lengan kuasa (lk).12 Hubungan antara gaya beban (Fb), gaya kuasa (Fk), lengan beban (lb), dan lengan kuasa (lk) menunjukkan bahwa perkalian gaya kuasa dan lengan kuasa (Fklk) sama dengan gaya beban dikalikan dengan lengan beban (Fblb), artinya besar usaha yang dilakukan kuasa sama dengan besar usaha yang dilakukan oleh beban. Hubungan antara gaya beban dan gaya kuasa pada tuas dapat ditulis seperti pada Persamaan 2.1.

11

Karim, Saeful, dkk., Belajar IPA ... , hlm. 197.

18

F

k

l

k

= F

b

l

b

...(2.1)

Keuntungan pada pesawat sederhana disebut Keuntungan Mekanis (KM). Secara umum keuntungan mekanis didefinisikan sebagai perbandingan gaya beban dengan gaya kuasa sehingga keuntungan mekanis pada tuas atau pengungkit bergantung pada panjang masing-masing lengan. Semakin panjang lengan kuasanya, semakin besar keuntungan mekanisnya. Secara matematis keuntungan mekanis dituliskan seperti pada Persamaan 2.2.

...(2.2) Berdasarkan letak titik tumpu pada tuas, maka tuas atau pengungkit diklasifikasikan menjadi tiga golongan,13 yaitu sebagai berikut:

1) Tuas Golongan Pertama

Tuas golongan pertama adalah tuas yang memiliki titik tumpu di antara titik beban dan titik

13

19

kuasa, seperti terlihat pada Gambar 2.3. Contoh tuas golongan pertama seperti gunting, tang pemotong, gunting kuku, dan linggis.

Gambar 2.3. a) Tuas golongan pertama dan b) gunting kuku.14

2) Tuas Golongan Kedua

Tuas golongan kedua adalah tuas yang memiliki titik beban berada diantara titik tumpu dan titik kuasa. Contoh tuas jenis golongan ketiga adalah gerobak beroda satu, pemotong kertas, dan pelubang kertas. (lihat Gambar 2.4)

Gambar 2.4. a) Tuas golongan kedua dan b) pemotong kertas.15

14

20 3) Tuas Golongan Ketiga

Tuas golongan ketiga adalah tuas yang memiliki titik kuasa berada di antara titik tumpu dan titik beban. Contoh tuas jenis golongan kedua adalah lengan, alat pancing, dan sekop. (lihat Gambar 2.4)

Gambar 2.5. a) Tuas golongan ketiga. dan b) sekop.16 b. Katrol

Katrol merupakan pesawat sederhana berupa roda yang dikelilingi rantai atau tali. Kegunaan katrol untuk mengangkut beban atau menarik suatu benda. Katrol merupakan pesawat sederhana yang dapat memudahkan melakukan usaha. Katrol dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu katrol tetap, katrol bergerak, dan katrol berganda.17 1) Katrol Tetap

Katrol tetap adalah katrol yang jika digunakan untuk melakukan usaha, tidak berpindah tempat

15 Karim, Saeful, dkk., Belajar IPA ... , hlm. 198

16 Karim, Saeful, dkk., Belajar IPA ... , hlm. 198

17

21

melainkan hanya berputar pada porosnya. Bagian-bagian katrol tetap diperlihatkan pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6. Katrol tetap18 dimana

Katrol berfungsi untuk membelokkan gaya sehingga berat beban tetap sama dengan gaya kuasanya tetapi dapat dilakukan dengan mudah. Keuntungan mekanis katrol tetap sama dengan satu. Berdasarkan Persamaan 2.1, diketahui bahwa

, , oleh karena lk = lb dan Fk = Fb

sehingga keuntungan mekanis dari katrol tetap seperti pada Persamaan 2.3.

...(2.3)

18

22 2) Katrol Tunggal Bergerak

Gambar 2.7. Katrol tunggal bergerak19

Prinsip katrol tunggal bergerak hampir sama dengan tuas jenis kedua, yaitu titik beban berada di antara titik tumpu dan titik kuasa. Perhatikan Gambar 2.7, titik tumpu katrol tunggal bergerak berada di titik

A. Lengan beban lb adalah jarak AO dan lengan kuasa

lk adalah jarak AB. Dengan demikian, berlaku persamaan katrol tunggal bergerak seperti ditunjukkan pada Persamaan 2.4.

Lk = 2 lb ....(2.4)

Keuntungan mekanis katrol tunggal bergerak adalah seperti ditunjukkan pada Persamaan 2.5.

....(2.5)

19

23

3) Katrol Majemuk atau Katrol Berganda

Gambar 2.8. katrol majemuk20

Katrol majemuk merupakan gabungan dari beberapa katrol sehingga kerja yang dilakukan semakin mudah. Keuntungan mekanis dari katrol majemuk bergantung pada banyaknya tali yang dipergunakan untuk mengangkat beban. Pada Gambar 2.8. dapat dilihat empat tali digunakan untuk mengangkat beban. Jadi, keuntungan mekanis katrol majmuk adalah sama dengan 4.

c. Bidang Miring

Bidang miring merupakan bidang datar yang diletakkan miring atau membentuk sudut terhadap lantai.

20

24

Bidang miring merupakan alat yang sangat efektif untuk memudahkan kerja. (lihat Gambar 2.9)

Gambar 2.9. Keuntungan mekanis bidang miring21 Keuntungan mekanis bidang miring bergantung pada panjang landasan bidang miring dan tingginya. Semakin kecil sudut kemiringan bidang, semakin besar keuntungan mekanisnya atau semakin kecil gaya kuasa yang harus dilakukan. Keuntungan mekanis bidang miring adalah perbandingan panjang (l) dan tinggi bidang miring (h).22 (lihat Persamaan 2.6)

....(2.6) Pesawat sederhana yang prinsip kerjanya menggunakan prinsip bidang miring adalah baji dan sekrup.

1) Baji

Baji adalah pesawat sederhana yang prinsip kerjanya sama dengan bidang miring. Baji merupakan dua

21 Karim, Saeful, dkk., Belajar IPA ... , hlm. 201

22

25

bidang miring yang disatukan. (lihat Gambar 2.10 dan Gambar 2.11)

Gambar 2.10. Baji (a) tampak seluruhnya, dan (b) tampak dari atas.23

Gambar 2.11. Prinsip baji digunakan pada (a) obeng dan (b) paku24

Baji terbuat dari bahan keras, misalnya besi atau baja. Baji digunakan untuk membelah kayu, membelah batu, atau benda keras lainnya. Semakin tipis bentuk baji, semakin mudah kerja yang dilakukan. Gambar 2.11. menunjukkan alat-alat yang sering dijumpai yang menggunakan prinsip baji. 2) Sekrup

Sekrup adalah alat yang digunakan untuk memudahkan kerja. Sekrup merupakan bidang miring

23 Karim, Saeful, dkk., Belajar IPA ... , hlm. 202

24

26

yang dililitkan pada sebuah tabung sehingga lilitannya berbentuk spiral. Jarak antara ulir-ulir lilitan sekrup disebut interval sekrup. (lihat Gambar 2.12)

Gambar 2.12.Prinsip kerja sekrup digunakan pada (a) baut, (b) paku ulir, dan (c) dongkrak.25

Pesawat sederhana yang sering dijumpai dalam kehidupan sehari-hari yang prinsip kerjanya berdasarkan sekrup adalah dongkrak mobil mekanik, paku ulir, dan baut.

Perhatikan gambar di bawah!

Sumber gbr: riauin.com

Menurut kamu, mengapa orang tersebut menggunakan gerobak dorong untuk memindahkan tanah? Tentu saja untuk mempermudah usahanya dalam memindahkan tanah tersebut. Setiap hari, kamu pasti selalu melakukan usaha. Ada yang mudah dan ada pula yang sulit. Oleh karena itu, kamu kadang-kadang memerlukan suatu alat sederhana yang dapat membantumu melakukan usaha tersebut. Alat itu disebut pesawat sederhana. Misalnya, saat kamu akan menancapkan paku pada kayu, tentu akan sulit tanpa palu. Contoh lainnya, untuk memindahkan beban berat ke tempat yang lebih tinggi, kamu menggunakan pesawat sederhana yang bernama katrol.

Pada prinsipnya, pesawat sederhana adalah alat untuk memudahkan melakukan usaha, dengan besar usaha yang dilakukan tetap. Prinsip kerja pesawat sederhana dikelompokkan menjadi beberapa bagian, diantaranya tuas, bidang miring katrol, dan roda berporos.

1. Tuas atau Pengungkit

Pernahkah kamu melihat tukang batu memindahkan batu besar? Untuk memudahkan tugasnya, ia menggunakan linggis atau tongkat dari besi sebagai pengungkit. Cara memindahkan batu tersebut adalah dengan meletakkan tumpuan pada linggis di antara batu dan gaya kuasa, seperti pada gambar berikut.

Berat beban yang akan diangkat disebut gaya beban (Fb) dan gaya yang digunakan untuk mengangkat batu atau beban disebut gaya kuasa (Fk). Jarak antara penumpu dengan beban disebut lengan beban (lb) dan jarak antara penumpu dengan kuasa disebut lengan kuasa (lk).

Hubungan antara besaran-besaran tersebut menunjukkan bahwa perkalian gaya kuasa dan lengan kuasa (Fklk) sama dengan gaya beban dikalikan dengan lengan beban (Fblb). Artinya, besar usaha yang dilakukan kuasa sama dengan besar usaha yang dilakukan beban. Secara metematis dituliskan.

Fklk = Fblb

Dengan:

Fk = gaya kuasa (N)

Fb = gaya beban (N)

lk = lengan kuasa (m)

lb = lengan beban (m)

Perbandingan antara gaya beban (Fb) dengan gaya kuasa (Fk) sama dengan perbandingan lengan kuasa (lk) dan lengan beban (lb) disebut keuntungan mekanis. Semakin Panjang lengan kuasa (lk), semakin besar keuntungan mekanis sehingga usaha semakin mudah dilakukan. Secara matematis dituliskan sebagai berikut.

Contoh soal:

Sebuah pengungkit dengan panjang 3 m digunakan untuk mengangkat sebuah batu yang beratnya 2.000 N. Jika Panjang lengan kuasa 2,5 m, hitunglah:

a. Gaya kuasa yang harus diberikan untuk mengangkat batu.

b. Keuntungan mekanis tuas.

Penyelesaian:

Dik:

l = 3 m

lk = 2,5 m

lb = 3 – 2,5 = 0,5 m

Fb = 2.000 N

Dit:

a. Fk = … ?

b. KM = … ?

Jawab

Berdasarkan letak titik tumpunya, tuas atau pengungkit dibedakan menjadi tiga golongan, yaitu tuas golongan pertama, tuas golongan kedua, dan tuas golongan ketiga.

1. Tuas golongan pertama, titik tumpu berada di antara titik beban dan titim kuasa. Contohnya gunting, tang, jungkat-jungkit, gunting kuku, linggis, dan timbangan.
2. Tuas golongan kedua, titik beban di antara titik tumpu dan titik kuasa. Letak titik beban lebih dekat ke titik tumpu daripada ke titik kuasa. Contohnya gerobak beroda satu, pemotong kertas, pembuka tutup botol, pelubang kertas, dan pemecah kemiri.
3. Tuas golongan ketiga, titik kuasa di antara titik tumpu dan titik beban. Jarak titik kuasa ke titik tumpu lebih dekat daripada ke titik beban. Contohnya lengan, alat pemancing, sekop, penjepit roti, pinset, dan stapler.

2. Bidang Miring

Pada umumnya, gedung-gedung bertingkat dilengkapi dengan tangga darurat. Di rumah atau di sekolah kamu mungkin juga terdapat tangga. Tangga tersebut dibuat dengan kemiringan tertentu. Tahukah kamu, tangga menggunakan prinsip pesawat sederhana, yaitu bidang miring.

Bidang miring merupakan bidang datar yang diletakkan miring atau membentuk sudut tertentu sehingga dapat memperkecil gaya kuasa. Contoh penerapan bidang miring adalah tangga, pisau, sekrup, gergaji, baji, paku, kapak, lereng gunung, dan jalan di daerah pengunungan.

Keuntungan mekanis bidang miring bergantung pada panjang landasan bidang miring dan tingginya. Semakin tinggi bidang miring, semakin besar gaya kuasanya sehingga keuntungan mekanisnya semakin kecil. Secara matematis, keuntungan mekanis bidang miring dituliskan sebagai berikut.

Dengan

Fb = gaya beban (N)

Fk = gaya kuasa (N)

l = Panjang bidang miring (m)

h = tinggi bidang miring (m)

Contoh Soal

Sebuah peti harus dinaikkan ke atas truk.

Agar lebih ringan, digunakan bidang miring yang licin dan panjangya 4 m. Jika tinggi truk 1 m dan berat peti 600 N, hitunglah:

a. Gaya kuasa yang diperlukan untuk mengangkat peti tersebut.

b. Keuntungan mekanis bidang miring tersebut.

Penyelesaian:

Dik:

l = 4 m

h = 1 ,

Fb = 600 N

Dit:

a. Fk = … ?

b. KM = … ?

Jawab:

3. Katrol

Pernahkah kamu melihat orang menimba air disumur menggunakan katrol?

Katrol merupakan pesawat sederhana berupa roda yang sekelilingnya dapat dilalui tali atau rantai. Roda tersebut berputar pada sebuah sumbu yang dipasang pada sebuah kerangka. Mengangkat benda ke atas dengan menggunakan katrol akan lebih mudah. Dengan katrol, arah gaya dapat diubah yaitu dari gaya angkat ke atas oleh tangan menjadi gaya tarik ke bawah oleh katrol.

Katrol dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu katrol tetap, katrol bergerak, dan katrol berganda.

a. Katrol Tetap

Prinsip katrol tetap sama dengan tuas golongan pertama, yaitu titik tumpu terletak di antara titik kuasa dan titik beban. Pada katrol tetap Panjang lengan beban sama dengan Panjang lengan kuasa, sehingga diperoleh persamaan berikut.

Hal ini berarti tidak diperoleh keuntungan mekanis, tetapi diperoleh keuntungan arah saja, yaitu mengubah gaya angkat menjadi gaya tarik. Katrol tetap sering digunakan pada sumur, timba, dan tiang bendera.

b. Katrol Bergerak

Katrol bergerak adalah katrol yang dapat bergerak bebas saat katrol dipakai. Katrol bergerak memiliki prinsip kerja yang sama dengan tuas golongan kedua, yaitu titik beban berada di antara titik tumpu dan titik kuasa. Pada katrol bergerak panjang lengan kuasa sama dengan dua kali panjang lengan beban sehingga diperoleh persamaan berikut.

karena lk = 2lb, maka

Adapun gaya kuasa yang harus dilakukan untuk mengangkat beban adalah

Fk . lk = Fb . lb

Fk . (2lb) = Fb . lb

Fk = ½ Fb

c. Katrol Majemuk atau Katrol Berganda

Seiring dengan kemajuan teknologi, orang menginginkan agar dapat mengankat beban yang berat, cukup dengan gaya yang seminimal mungkin. Untuk memperoleh semakin banyak keuntungan mekanis, beberapa katrol tetap digabung dengan katrol bergerak yang disebut dengan katrol majemuk.

Keuntungan mekanis katrol majemuk bergantung pada banyaknya tali yang dipergunakan untuk menangakat beban.

KM = jumlah tali (n)

Pada gambar di atas, kamu dapat melihat empat tali yang digunakan untuk mengangkat beban. Jadi keuntungan mekanisnya sama dengan 4. Jika kamu akan mengangkat beban 200 N, cukup dengan gaya 50 N saja benda sudah terangkat.

4. Roda Berporos

Kamu tentunya sudah tidak asing lagi dengan sepeda, bahkan Sebagian besar di antara kamu pasti pernah menggunakannya. Roda gigi (gear) dan ban pada sepeda adalah salah satu contoh pesawat sederhana yang tergolong roda berporos. Roda gigi berfungsi sebagai pusat pengatur gerak roda sepeda yang terhubung langsung dengan roda sepeda, sedangkan roda sepeda menerapkan prinsip roda berporos untuk mempercepat gaya saat melakukan perjalanan. Selain roda sepeda, contoh penerapan roda berporos adalah pada kursi roda, mobil, dan sepatu roda.