Makalah Proyek Mekanika [PDF]

Citation preview

MEKANIKA Atraksi Tong Setan dan Penerapannya Dalam Teori Hokum Newton Serta Gaya Sentripital



Nama :1. Susi Sulistyawati(200104500003) 2. Astutianti Tangdiera (200104501010) 3. Gunawan (200104500004) Oleh Dosen : Prof. Dr. Eko Hadi Sujiono, M.Si Vicran Zharvan, S.Si., M.Si.



JURUSAN FISIKA MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MAKASSAR PENDAHULUAN



A. Latar Belakang Tong setan (Wall of Death) merupakan istilah untuk salah satu wahana permainan yang dapat dinikmati di pasar malam. Wall of death merupakan suatu atraksi mengendarai sepeda motor yang berputar mengelilingi sebuah tong silinder berukuran besar menggunakan motor bahkan mobil. Uniknya, pengendara sepeda motor tersebut tidak terjatuh meski posisinya tegak lurus terhadap gravitasi bumi. Hal ini lah yang menjadi salah satu pemikat para penonton yang membuat mereka penasaran. Sebagian orang awam mengatakan bahwa peristiwa ini dianggap bagian dari sulap. Padahal secara ilmiah, terjadinya peristiwa ini dapat dijelaskan dengan beberapa konsep fisika Berdasarkan uraian di atas, seorang pemain tong setan juga harus memperhatikan kecepatan saat melintasi tong silinder agar tidak mengalami kecelakaan. Salah satu konsep fisika yang menarik penulis adalah konsep gerak melingkar saat melintasi tong silinder dalam permainan tong setan. Fenomena tersebut menarik untuk dikaji dan dijelaskan secara fisika dan dimodelkan untuk meluruskan pendapat-pendapat tersebut. Pemodelan gerak benda ini dilakukan dengan menggunakan aplikasi Wall of Death Bike Stuns pro. Pada penelitian ini (Bagaimana Keberlakuan Hukum Dinamika Newton Pada Tong Setan) sebuah motor diasumsikan sebagai sebuah benda titik, bergerak dengan kecepatan sudut ꞷmin bergerak mengelilingi dinding silinder. Untuk bergerak stabil dan tidak terjatuh, benda titik harus melewati kecepatan sudut ꞷmin . B. Rumusan Masalah 1. Bagaimana konsep gaya yang bekerja pada permainan tong setan? 2. Bagaimana penerapan gaya sentipetal pada permainan tong setan? 3. Berapa kecepatan minimum yang digunakan dalam permainan tong setan agar pemain tetap seimbang? C. Kajian Teori Gerak adalah perubahan posisi pada suatu kerangka acuan. Pada umunya kita bebas memilih kerangka acuan, namun untuk memudahkan untuk menganalisa sebaiknya kita memilih kerangka acuan yang sederhana. Salah satu kerangka acuan yang dapat dipilih yaitu koordinat kartesian. Pada koordinat ini (koordinat kartesian), posisi suatu benda



dinyatakan sebagai satu titik koordinat, dan perubahan posisi benda adalah perubahan koordinatnya (Mulyanto). Dinamika gerak merupakan bagian dari ilmu fisika yang berfokus pada gerak sustu benda dengan memperdulikan penyebab geraknya. Penyebab gerak benda adalah gaya, dan besaran gaya ini terangkum dalam suatu konsep yang memenuhi Hukum Newton. Hukum Newton terdiri dari tiga buah hukum fundamental. Ketiga hukum ini sampai saat ini yang dapat menjelaskan fenomena pada sistem gerak benda non relativistik. Persoalan dinamika dan kinematika gerak umumnya merupakan gerbang awal dari persoalan fisika yang dipelajari di sekolah (Alpi, 2019). Hukum pertama Newton tentang gerak yaitu setiap benda akan terus berada dalam keadaan diam, atau terus bergerak lurus dengan kecepatan seragam, selama tidak ada gaya yang bekerja padanya. Pada Hukum II Newton tentang gerak yaitu percepatan suatu benda berbanding lurus dan berbanding terbalik dengan massanya, sedangkan untuk arah percepatannya yaitu searah gaya yang bekerja pada benda. Adapun Hukum III Newton tentang gerak yaitu bila sebuah benda memberi gaya pada benda kedua, benda kedua ini akan memberikan gaya yang besarnya sama namun arahnya berlawanan (Giancoli, 2014). Gerak melingkar beraturan yaitu sebuah gerak yang lintasannya membentuk suatu lingkaran. Kelajuan dari gerak melingkar beraturan konstan dan dengan arah kecepatan terus berubah namun benda akan tetap bergerak mengeliling suatu lingkaran tersebut. Benda akan tetap terus melakukan gerak melingkar beraturan dikarenakan adanya percepatan sentripetal, yang mana gaya ini selalu menarik benda kearah pusat lingkaran. Ciri-ciri dari gerak melingkar beraturan ini yaitu lintasannya berupa lingkaran, kecepatan dan percepatan konstan, mempunyai gaya sentripetal yang berfungsi mempertahankan agar gerakan tetap pada lintasannya. Gaya sentripetal ini merupakan gaya yang menarik benda yang sedang gerak melingkar kearah pusat lingkaran (Putri, 2019). Gaya sentrifugal adalah gaya yang segaris dengan gaya sentripetal tetapi arahnya berlawanan atau menjauhi pusat lingkaran. Misalkan pada kasus beriku: sebuah benda berbentuk balok diputar vertical dengan tali. Pada posisi di atas, gaya yang bekerja pada balok tersebut adalah tegangan tali T dan berak balok w yang arahnya sama-sama menuju pusat lingkaran, sehingga gaya sentripetalnya adalah Fs = T + w. Pada posisi di bawah,



gaya yang menuju kepusat adalah tegangan tali T dan berat balok w (arah menjauhi pusat) jadi gaya sentrifugalnya yaitu Fs = T – w (Shofiah, 2020). Dalam gerak melingkar beraturan, lintasan yang berupa lingkaran yang mengelilingi busur lingkaran dengan satu titik dan dapat membentuk sebuah sudut. Untuk menempuh satu putaran tiap satuan waktu disebut kecepatan sudut.. Persamaan dari kecepatan anguler dapat dinyatakan sebagai berikut: 𝜔 = 2𝜋 atau 𝜔 = 2𝜋 𝑓 𝑅



Dengan: 𝜔 = kecepatan anguler (rad/s) T = periode (s) f = frekuensi (Hz) (Putri, 2019) Sebuah motor dapat bergerak melingkar disuatu bidang yang berbentuk tabung tanpa terjatuh bila sepeda motor tersebut mempunyai kelajuan tetap dan teratur. Selain itu adapun gaya yang bekerja pada sepeda motor agar tidak terjatuh adalah gaya berat, gaya normal, dan gaya sentfiugal yang arah gaya sentrifugal selalu menjauhi pusat lingkaran dan berfungsih mengimbangi gaya sentripetal yang arahnya ke pusat lingkaran sehingga benda yang melakukan gerak melingkar berada dalam keadaan setimbang gaya sentripetal. Dimana gaya sentipetal ini berfugsi untuk mempertahankan benda agar tetap berada dalam lintasan lingkaran tersebut agar tidak terjatuh (Dare, 2021). Kecepatan linier merupakan panjang lintasan yang berbentuk lingkaran yang ditempuh dalam selang waktu tertentu. Jarak tempuh dari gerak melingkar beraturan berupa busur lingkaran. Satu putaran penuh benda menempuh lintasan linier sebanyak satu keliling lingkaran dengan jarak kepusat lingkaran sama dengan jari-jari r. Jarak linear yang ditempuh dihubungkan dengan perubahan kecepatan sudut. Persamaan dari kecepatan linear dapat dilihat sebagai berikut : 𝑣=2



𝜋𝑟



𝑇



Dengan: v = laju linear (m/s) r = jari-jari (m) T = periode (s) (Putri, 2019).



D. Adapun tahan/langkah penyelesaian 1. Pada tahap awal yang kami lakukan kerja sama yaitu gunawan,astutianti tandera, dan susi sulistyawati, pada hari sabtu 02 oktober hingga 03 oktober 2021 kami mengidentifikasi masalah yang terjadi dimana tahap ini permasalahan yang dapat kami kaji yaitu gaya-gaya yang bekerja pada tong setan, penerapan gaya sentripetal, serta kecepatan minimum yang digunakan agar pemain tetap seimbang adapun peran kelompok pada saat itu kami memberi tugas kepada diri kami masing-masing agar memahami gaya apa yang bekerja pada tong setan yang kemudian menjelaskannya sehingga pemahaman kami bertambah, Astutianti yang menjelaskan tentang gaya sentripetal, Susi Sulistyawati menjelaskan tentang gaya normal dan Gunawan menjelaskan tentang gaya gesek. Adapun pengertian dari gaya sentripetal adalah gaya yang membuat benda untuk bergerak melingkar. Gaya ini bukan merupakan gaya fisis, atau gaya dalam arti sebenarnya, melainkan hanya suatu penamaan atau penggolongan jenis-jenis gaya yang berfungsi membuat benda bergerak melingkar. Seperti yang berkaitan dengan materi kasus kami yaitu tong setan. 2. Pada tahap yang kedua pembagian tugas setiap onggota kelompok mencari materi dan mencari solusi yang di lakukan pada hari senin hingga selasa (04-05 oktober 2021) dimana tahap kedua kami mengumpulkan materi-materi yang akan kami bahas, tahap kedua ini kami mengambil garis besar pembahasan kami yaitu gerak, dinamika gerak, hukum pertama newton hingga gerak melingkar beraturan, Pada saat itu Astutianti mendapat 1 buku dan 1 artikel, Susi Sulistyawati mendapat 1 Buku dan Gunawan mendapat 1 buku dan 2 jurnal yang kemudian kami merangkum masing masing literatur yang kami dapat dan digabungkan sehingga kajian teori bisa selesai. Di sini kami akan menjelaskan sedikit tentang materi kami tersebut gerak merupakan perubahan posisi pada suatu kerangka acuan, dinamika gerak adalah bagian dari Ilmu Fisika yang berfokus pada gerak suatu benda dengan memperdulikan penyebab geraknya, hukum pertama newton tentang gerak menjelaskan bahwa setiap benda akan terus berada dalam keadaan diam atau terus bergerak lurus dengan kecepatan seragam selama tidak ada gaya yang bekerja padanya, dan yang terakhir gerak melingkar beraturan yaitu gerak yang lintasannya membentuk suatu lingkaran.



3. Pada tahap yang ketiga kami lakukan pada hari rabu hingga kamis (06-07 oktober 2021) dimana pada tahap terakhir ini kami mencari solusi dari permasalahan yang kami dapat. Pada saat itu kami membagi tugas lagi untuk mencari solusi dari permasalahan sehingga dari kelompok kami mendapat masing-masing 1 masalah yang kemudian masalah tersebut di jelaskan kepada teman kelompok kami. pada tahap I kami dapat menyelesaikan masalah yang terjadi dimana pada masalah yang pertama gaya-gaya yang bekerja pada pada dinding tong setan antara lain gaya gesek, gaya gravitasi serta gaya normal, dapat diketahui gaya sentripetal adalah resultan gaya yang arahnya menuju atau keluar dari pusat silinder penerapan gaya sentripetal yang terjadi hanya pada gaya normal. Kecepatan maksimum di sini yaitu semakin besar kelsjusn sepeda motor maka gaya sentripetallnya akan semakin besar dan tentunya gaya gesek yang dihasilkan akan bertambah juga atau agar sepeda motor tidak jatuh maka jika besar jarijari atau diameter tabung maka kecepatan minimum yang diperlukan juga semakin besar. E. Hasil penyelesaian/solusi kasus Suatu benda yang bergerak pada dinding vertikal kasar dipengaruhi oleh beberapa gaya yang bekerja pada benda dan dinding tersebut. Gaya-gaya yang bekerja antara lain gaya gravitasi, gaya gesek, dan gaya normal. Pada kasus tabung yang berbentuk silinder vertikal dengan kemiringan 𝜃 = 90⁰ maka dari gambar di bawah ini dapat dilihat bahwa gaya normal juga berlaku sebagai gaya sentripentalnya, dengan asumsi inilah dengan menurunkan rumus dari hukum Newton didapatkan nilai dari ꞷmin. Dengan sedikit operasi matematika maka nilai ꞷmin ini didapatkan hanya bergantung terhadap jari-jari silinder atau tong tersebut.



Pada sumbu x ∑ 𝐹x N=𝑚



𝑅



= 𝑚 𝑣2



𝑣2 𝑅



Pada sumbu y ∑ 𝐹z = maz W – fx = maz mg – 𝜇z N = maz az = 𝑚𝑔−𝜇g 𝑁 𝑚



Subtitusikan persamaan (1) ke persamaan (2) sehingga: az = 𝑚𝑔−(𝜇g 𝑚𝑣2/ 𝑅 ) 𝑚



az = g - 𝜇g 𝑣² 𝑅



az = g – 𝜇g 𝜔² R



Saat 𝜔 > 𝜔min maka az = 0 Penerapan gaya sentipetal pada tong setan yaitu dapat kita ketahui agar sepeda motor tetap melaju dilintasannya, harus ada kelajuan minimum dari sepeda motor. Kelajuan ini akan menghasilkan gaya sentripetal. Karena dalam penelitian ini menggunakan aplikasi Well of Death Bike Stuns pro maka menghasilkan arah horizontal gaya yang bekerja adalah gaya sentripetal dimana gaya sentripetal ini sama dengan gaya normal yang mengarah ke pusat lingkaran. Gaya sentripetal merupakan resultan gaya yang yang arahnya menuju atau keluar dari pusat sillinder. ∑F = 𝑀



𝑉2



𝑅



Pada kasus ini gaya sentripetal yang bekerja hanya gaya normal N sehingga:



N = 𝑀𝑉2 𝑅



maka dapat di subtitusikan persamaan di atas sehingga diperoleh, 𝜔 = √𝜇𝑔𝑠 𝑅 Dimana 𝜔 adalah kecepatan sudut minimal yang harus dilewati benda titik agar tetap pada lintasan (agar tidak terjatuh), g adalah percepatan gravitasi dan 𝜇𝑠 adalah koefisien gesek dinding tong dan R adalah jari-jari silinder. Semakin besar kelajuan sepeda motor maka gaya sentripetalnya akan semakin besar dan tentunya gaya gesek yang dihasilkan akan bertambah juga. Ini sangat penting karena jika gaya berat lebih besar daripada gaya gesek, maka sepeda motor akan meluncur ke bawah dan pengendara akan jatu. Agar sepeda motor tetap melaju dilintasannya, harus ada kelajuan minimum dari sepeda motor. Karena kelajuan ini akan menghasilkan gaya setripetal dan seperti yang kita ketahui gaya sentripetal ini sama dengan gaya normal yang mengarah ke pusat lingkaran juga. Gaya normal ini akan mengakibatkan timbulnya gaya gesek antara ban dan dinding tong. Semakin besar kelajuan sepeda motor maka gaya sentripetalnya makin besar dan tentunya gaya gesek yang dihasilkan akan bertambah juga. Yang paling penting jika gaya berat lebih besar dari pada gaya gesek, maka sepeda motor akan meluncur ke bawah dan pengendara akan jatuh. Karena gaya sentripetal sama dengan gaya normal (N) maka: Fs = N 𝑚



𝑣² 𝑅



𝑣 ² 𝑅



v² = Dengan :



= 𝑚𝑔 𝜇ₛ



=



𝑔 𝜇ₛ 𝑔𝑅



𝜇ₛ



v = Kelajuan minimum R = jari-jari tikungan yang berbentuk lingkaran g = percepatan gravitasi 𝜇s = gesekan statis Jadi, dari persamaan diatas dapat disimpulkan bahwa agar sepeda motor tidak jatuh maka jika besar jari-jari atau diameter tabung maka kecepatan minimum yang diperlukan juga semakin besar. Gaya sentripetal adalah gaya yang membuat benda untuk bergerak melingkar. Gaya ini bukan merupakan gaya fisis, atau gaya dalam arti sebenarnya, melainkan hanya suatu penamaan atau penggolongan jenis-jenis gaya yang berfungsi membuat benda bergerak melingkar. Gaya sentripetal adalah gaya yang membuat benda untuk bergerak melingkar. Gaya ini bukan merupakan gaya fisis, atau gaya dalam arti sebenarnya, melainkan hanya suatu penamaan atau penggolongan jenis-jenis gaya yang berfungsi membuat benda bergerak melingkar. Gaya sentripetal adalah gaya yang membuat benda untuk bergerak melingkar. Gaya ini bukan merupakan gaya fisis, atau gaya dalam arti sebenarnya, melainkan hanya suatu penamaan atau penggolongan jenis-jenis gaya yang berfungsi membuat benda bergerak melingkar. Gaya sentripetal adalah gaya yang membuat benda untuk bergerak melingkar. Gaya ini bukan merupakan gaya fisis, atau gaya dalam arti sebenarnya, melainkan hanya suatu penamaan atau penggolongan jenis-jenis gaya yang berfungsi membuat benda bergerak melingkar. Gaya sentripetal adalah gaya yang membuat benda untuk bergerak melingkar. Gaya ini bukan merupakan gaya fisis, atau gaa dalam arti sebenarnya, melainkan hanya suatu penamaan atau penggolongan jenis-jenis gaya yang berfungsi membuat.



KESIMPULAN 1. Benda yang bergerak pada bidang vertikal akan bergerak stabil bila benda tersebut memiliki kecepatan sudut yang lebih besar dibandingkan dengan kecepatan minimum yang dimilikinya. Kecepatan minimum benda ini dipengaruhi oleh jari-jari tong yang dilewatinya. Tetapi jika benda tersebut memiliki kecepatan sudut kurang dari kecepatan minimumnya, maka benda akan jatuh. Maka dapat disimpulkan waktu benda saat dibuat mulai turun mempengaruhi ketinggian dan kecepatan sudut yang dibuat oleh benda itu sendiri. Semakin cepat waktu benda tersebut turun maka semakin besar selisih ketinggian yang akan dihasilkan, begitu juga sebaliknya. 2. Penerapan gaya sentripetal pada tong setan yaitu dapat kita ketahui agar sepeda motor tetap melaju di lintasannya, harus ada kelajuan minimum dari sepeda motor. Kelajuan ini akan menghasilkan gaya sentripetal. Arah horizontal gaya yang bekerja adalah gaya sentripetal dimana gaya sentripetal ini sama dengan gaya normal yang mengarah ke pusat lingkaran. 3. Pada saat atraksi tong setan pengendara akan menghasilkan kelajuan. Kelajuan ini akan menghasilkan gaya sentripetal. Gaya ini mengakibatkan timbulnya gaya gesek antara ban dan dinding tong. Semakin besar kelajuan sepeda motor maka gaya sentripetalnya semakin besar dan tentunya gaya geseknyapun bertambah. Jika gaya berat lebih besar dari gaya gesek maka sepeda motor akan meluncur kebawah dan pengendara akan jatuh.



DAFTAR PUSTAKA Dare, Antoni Pieter Mouritz. (2021). Pembelajaran Fisika Dengan Memanfaatkan Video Tentang Atraksi Tong Setan. Jurnal Penelitian. Giancoli, D. C. (2014). Fisika prinsip dan aplikasi. jakarta : Erlangga. Mulyatno. (2019). Fisika Umum 1. Jakarta : Universitas Terbuka. Nugraha, Alpi Mahisna. (2019). Graphic User Interface (GUI) Untuk Materi Dinamika Gerak Sistem Katrol Berbasis Matlab. Journal Of Physics Education. vol. 1 no. 2. Putri, Cici, Asrizal. (2019). Pengembangan Tool Pemodelan Gerak Melingkar Beraturan Dengan Pengontrolan Laju Motor DC Berbantukan Analisis Video Tracker. Vol. 12. Shofiah, Noly, Fitria Eka Wulandari. (2020). Gerak dan Perubahan. Jawa Timur : Umsida Press



LAMPIRAN