kesetimbangan

Kesetimbangan pada benda terjadi apabila gaya dan torsi pada benda nol, maka benda tidak akan mengalami perubahan gerak maupun rotasi. Benda yang bergerak dengan kecepatan konstan memiliki momentum linear konstan. Artinya tidak ada gaya total yang bekerja pada benda itu atau total gaya bernilai nol. Apabila benda bergerak dengan kecepatan sudut konstan maka momentum sudut benda konstan, kita bisa segera berpendapat torsi total pada benda itu adalah nol. Kita akan membahas kesetimbangan statis, jadi mula-mula benda diam dan tetap diam.

Kesetimbangan Statis

Ambillah sebuah papan dan letakkan di atas tumpukan batu bata. Kemudian berikan gaya yang sama pada kedua sisi papan dengan arah berlawanan. Apa yang terjadi? Sekarang kita ubah letak gaya. Tekan papan ke arah bawah pada salah satu sisi dan dorong papan pada sisi yang lain usahakan bagian papan di atas tumpukan batu bata tidak bergeser. Apa yang terjadi? Skema yang kita lakukan seperti pada gambar di bawah ini.

a) Papan diberi 2 gaya yang sama F₁ = F₂ , kedua gaya segaris
b) Papan diberi 2 gaya yang sama tapi tidak segaris, ΣF = 0, tapi papan berotasi.

Dari gambar a diatas kita melihat jika memberikan 2 gaya yang sama besar tetapi berlawanan arah pada benda-benda tidak akan bergeser atau tidak akan melakukan translasi, karena total gaya adalah nol. Benda akan diam. Bisakah kita mengatakan bila total gaya bernilai nol benda berada dalam kesetimbangan? Gambar b diatas menunjukkan 2 gaya yang berlawanan dan sama besar tetapi memiliki garis gaya yang berbeda, benda ternyata bergerak dengan gerakan rotasi. Agar benda tidak berotasi maka torsi pada benda harus sama dengan nol. Sekarang kita dapat menyimpulkan benda berada dalam keadaan setimbang jika:

Total gaya = 0   →   

Total torsi = 0   →   

Jadi syarat kesetimbangan adalah total gaya sama dengan nol dan total torsi sama dengan nol. Jika benda mula-mula diam, kemudian kita beri gaya dan torsi yang setimbang, maka benda akan tetap diam atau terjadi kesetimbangan statis.

Kopel

Kopel adalah pasangan gaya yang sama besar dan berlawanan arah. Tinjau sebuah batang yang diberi gaya seperti pada gambar di bawah. Kita tidak bisa menggantikan kedua gaya dengan sebuah gaya yang akan memberikan efek yang sama dengan kedua gaya.

Dua gaya yang sama besar dan berlawanan arah tetapi memiliki titik tangkap yang berbeda disebut kopel.

Jumlah kedua gaya tersebut sama dengan nol, tapi kedua gaya tersebut menyebabkan terjadinya rotasi. Torsi yang dihasilkan oleh kedua gaya tersebut terhadap titik O adalah :

τ =Fx₂ – Fx₁ = F(x₂ – x₁) = Fd

F₁ akan menyebabkan batang berotasi searah jarum jam sedangkan F₂ menyebabkan batang berotasi berlawanan dengan arah jarum jam.

Jenis Kesetimbangan

Kesetimbangan bisa kita golongkan menjadi tiga, yaitu kesetimbangan stabil, kesetimbangan tak stabil, dan kesetimbangan netral. Suatu benda dikatakan pada kesetimbangan stabil jika misalkan pada benda kita beri sedikit gaya, akan muncul gaya pemulih sehingga benda akan kembali ke posisi. Contohnya sebuah balok seperti pada gambar diatas dan benda yang berada dalam lubang yang melingkar seperti pada gambar b dibawah. Bila balok pada gambar dibawah kita rotasikan sedikit, gaya beratnya akan berusaha mengembalikan benda ke posisi semula.

Contoh kesetimbangan stabil

Kesetimbangan tak stabil contohnya adalah pada gambar diatas Jika kita beri torsi sedikit akan muncul gaya torsi yang memaksa benda menjauhi posisi semula. Misalkan pada balok pada gambar dibawah gaya beratnya akan membuat balok menjadi terguling. Tampak pada kesetimbangan stabil benda akan selalu kembali keposisi semula, atau titik beratnya kembali pada posisi semula. Sedang pada kesetimbagan tak stabil posisi titik berat berubah, bergeser ke titik yang lebih rendah.

(a) Contoh benda dengan kesetimbangan stabil,
(b) Contoh benda dengan kesetimbangan tak stabil

Kita bisa memperbaiki kesetimbangan benda dengan berusaha memindahkan titik berat menjadi lebih rendah. Kesetimbangan netral terjadi jika titik berat benda tidak berubah jika bergerak. Contohnya sebuah silinder yang kita dorong sedikit, maka tidak ada torsi atau gaya yang memaksanya kembali atau menjauhi posisi semula.

Jika kita melihat sirkus, orang yang berjalan di atas tali tambang akan merentangkan kedua tangannya. Dia berusaha mempertahankan kesetimbangannya. Orang yang berjalan tegak mengalami kesulitan untuk mempertahankan kesetimbangannya karena pusat berat harus dipertahankan di atas dasar penopang. Lain halnya dengan hewan berkaki empat yang berjalan dengan keempat kakinya. Hewan tersebut memiliki titik berat yang lebih rendah dan dasar penopangnya lebih besar, sehingga lebih mudah memperoleh titik kesetimbangan.