Study Belajar Dari Rumah: gaya

Tampilkan postingan dengan label gaya. Tampilkan semua postingan

Minggu, 20 Januari 2019

➥ Gaya Lorentz Pengertian Kaidah Tangan Kanan Rumus Contoh Soal

Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) merupakan ilmuwan Belanda yang memiliki kontribusi besar pada bidang fisika dan fisika kuantum. Berdasarkan hasil kerja ilmuwan-ilmuwan sebelumnya, Lorentz mengoreksi dan merampungkan hukum gaya elektromagnetik yang sekarang menyandang namanya.

Gaya lorentz merupakan gabungan antara gaya elektrik dan gaya magnetik pada suatu medan elektromagnetik. Gaya Lorentz ditimbulkan karena adanya muatan listrik yang bergerak atau karena adanya arus listrik dalam suatu medan magnet. Arah dari gaya Lorentz selalu tegak lurus dengan arah kuat arus listrik (I) dan induksi magnetik yang ada (B).

Gaya Lorentz pada Kawat Berarus Listrik

gaya lorentz pengertian

Ketika sebuah kawat dengan panjang dialiri arus listrik sebesar l dan diletakkan pada suatu medan magnetik sebesar I, maka akan timbul gaya Lorentz pada kawat tersebut. Dengan mengombinasikan gaya Lorentz dan definisi arus listrik, maka dapat dihitung besarnya gaya Lorentz pada kawat yang lurus dan stasioner yaitu:

$F_{Lorentz} = I lB \times \sin \alpha$

di mana:

l merupakan panjang kawat (m)I merupakan kuat arus yang mengalir pada kawat (Ampere)B merupakan kuat medan magnet (Tesla)α merupakan sudut yang dibentuk oleh B dan I

Jika arah arus listrik tegak lurus dengan arah medan magnet, maka gaya Lorentz yang terjadi akan maksimal ( $\sin 90^o = 1$ ). Inilah keadaan yang biasanya selalu dikondisikan secara nyata yakni agar gaya Lorentz yang didapat selalu maksimal, medan magnet dikondisikan selalu tegak lurus dengan arus listrik yang mengalir.

$F_{Lorentz} = Il \times B$

Arah gaya Lorentz dapat ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan pada gambar dibawah ini:

kaidah tangan kanan pada gaya lorentz

Kaidah tangan kanan pertama menggunakan tiga jari tangan kanan dimana:

Ibu jari = arah arus listrik (I)Jari telunjuk = arah medan magnet (B)Jari tengah = arah gaya Lorentz (F)

Kaidah tangan kanan kedua menggunakan telapak tangan kanan yang terbuka dan lebih mudah gunakan terlebih lagi jika sudut $\alpha \neq 90^o$ dimana:

Ibu jari = arah arus listrik (I)Keempat jari lain = arah medan magnet (B)Telapak tangan = arah gaya Lorentz (F)

Besarnya sudut α tidak mempengaruhi arah gaya Lorentz karena arah gaya Lorentz selalu tegak lurus dengan arah arus listrik dan medan magnetik.

Gaya Lorentz pada Kawat Sejajar yang Berarus Listrik

Ketika terdapat dua buah kawat dengan panjang l dialiri arus listrik sebesar I yang tiap kawat diletakkan pada suatu medan magnetik sebesar B, maka akan timbul gaya Lorentz berupa gaya tarik menarik ataupun tolak menolak tergantung dari arah arus listrik pada tiap kawat. Jika kedua kawat memiliki arah arus yang searah, maka akan mengalami gaya tarik menarik; apabila arah arus pada kedua kawat saling bertolak belakang/berlawanan, maka akan mengalami gaya tolak-menolak.

kawat berarus searah dan bertolak belakang

Besarnya gaya tarik-menarik ataupun tolak-menolak pada kawat sejajar berarus listrik dapat dicari dengan menggunakan rumus:

$F_{Lorentz} = F_1 = F_2 = \frac{mu_0 I_1 I_2}{2 \pi \alpha} l$

di mana:

F1 merupakan gaya tarik-menarik atau tolak-menolak pada kawat 1 (Newton)F2 merupakan gaya tarik-menarik atau tolak-menolak pada kawat 2 (Newton)I1 merupakan kuat arus yang mengalir pada kawat 1 (Ampere)I2 merupakan kuat arus yang mengalir pada kawat 2 (Ampere)µ0 merupakan permeabilitas vakum ( $4 \pi \times 10^{-7} Wb/Am$ )l merupakan panjang kawat (m)α merupakan jarak antar kedua kawat (m)

Gaya Lorentz pada Muatan Bergerak dalam Medan Magnet

Ketika terdapat muatan listrik q yang bergerak dengan kecepatan v pada suatu medan magnetik sebesar B, maka muatan listrik tersebut akan mengalami gaya Lorentz yang besarnya dapat dihitung dengan rumus:

$F_{Lorentz} = qvB \times \sin \alpha$

di mana:

q merupakan muatan listrik (Coloumb)v merupakan kecepatan gerak muatan listrik (m/s)B merupakan kuat medan magnet (Tesla)α merupakan sudut yang dibentuk oleh B dan v

Arah gaya Lorentz pada kasus ini adalah tegak lurus dengan arah kuat medan magnet dan arah kecepatan benda. Arah gaya Lorentz akan berbeda tergantung muatan partikelnya. Perhatikan gambar dibawah, sesuai dengan kaidah tangan kanan, bila muatan q positif maka arah v searah dengan I; bila muatan q negatif maka arah v berlawanan dengan arah I.

gaya lorentz dalam medan magnet

Jika arah medan magnet tegak lurus dengan arah kecepatan partikel bermuatan listrik, maka lintasannya akan berbentuk lingkaran sehingga partikel akan mengalami gaya sentripetal yang besarnya sama dengan gaya Lorentz.

$F_{Lorentz} = F_{sentripetal}$

$qvB = mv^2/R$

Sehingga, besarnya jari-jari lintasan melingkar partikel tersebut dapat dicari dengan:

$R = mv/qvB$

Manfaat dan Aplikasi Gaya Lorentz

Manfaat dan aplikasi terbesar dari penerapan gaya Lorentz adalah motor listrik. Dengan mengalirkan arus listrik pada kumparan di dalam medan magnet, dapat dihasilkan gaya Lorentz berupa rotasi pada motor listrik untuk menggerakkan batang shaft yang kemudian dapat dipakai untuk segala kebutuhan.

Selain motor listrik, aplikasi gaya Lorentz diterapkan pada railguns, linear motor, loud speaker, generator listrik, linear alternator, dan lain sebagainya.

Contoh Soal Gaya Lorentz dan Pembahasan

Sebuah proton bergerak searah sumbu X positif (ke kanan) dengan kecepatan 3 m/s melewati medan magnet sebesar $5 \times 10^{-6} T$ dengan arah masuk ke layar. Berapa besar gaya yang dialami partikel tersebut? ( $q = 1.6 \times 10^{-19} C$ ).

a) $2.24 \times 10^{-24}$ Newton dengan arah sumbu Y positif (ke atas)b) $2.24 \times 10^{-24}$ Newton dengan arah melingkar ke atasc) $2.24 \times 10^{-24}$ Newton dengan arah melingkar ke bawahd) $1.44 \times 10^{-24}$ Newton dengan arah melingkar ke bawah

Pembahasan:

Dengan menggunakan rumus gaya Lorentz didapat:

$F_{Lorentz} = qvB = (1.6 \times 10^{-19} C) (3 m/s) (5 \times 10^{-6} T)$

$F_{Lorentz} = 2.4 \times 10^{-24}$ Newton

Sesuai dengan kaidah tangan kanan, partikel bermuatan positif maka arah kecepatannya sama dengan arah ibu jari, arah medan magnet merupakan arah keempat jari, maka telapak tangan menghadap ke atas. Oleh karena arah kecepatan partikel tegak lurus dengan arah medan magnet, maka lintasannya berbentuk melingkar.

Jadi, jawaban yang benar adalah B.

Kontributor: Ibadurrahman, S.T.Mahasiswa S2 Teknik Mesin FT UI

Materi StudioBelajar.com lainnya:

Elektroskop

Mikrometer Sekrup

Elastisitas Fisika

Gaya Magnetik (Gaya Lorentz)

Source : https://www.studiobelajar.com/gaya-lorentz/

Minggu, 13 Januari 2019

✅ Gaya Gesek Pengertian Rumus Dan Contoh Soal Gaya Gesek

Gaya Gesek adalah gaya yang berlawanan arah dengan arah gerak benda. Gaya ini terjadi karena sentuhan benda dengan bidang lintasan akan membuat gesekan antara keduanya saat benda akan mulai bergerak hingga benda bergerak. Besarnya gaya ini ditentukan berdasarkan kekasaran permukaan kedua bidang yang bersentuhan, jadi semakin kasar permukaan suatu bidang maka nilai gaya geseknya akan semakin besar.

Agar kamu mampu memahami materi ini dengan baik, sebaiknya kamu harus memahami terlebih dahulu materi:

Terdapat dua jenis gaya gesek yaitu Gaya Gesek Statis dan Kinetis. Berikut dijelaskan lebih lanjut.

Gaya Gesek Statis (GGS)

Gaya Gesek Statis adalah gaya yang bekerja saat benda diam hingga tepat saat benda akan bergerak. Sebagai contoh, GGS dapat mencegah kamu untuk tergelincir dari tempat kamu berpijak. GGS juga dapat mencegah benda meluncur ke bawah pada bidang miring.

Besar GGS merupakan hasil perkalian antara koefisien gesek statis dengan gaya normal benda. Koefisien gesek merupakan besaran yang bergantung pada kekasaran kedua permukaan bidang yang bersentuhan. Koefisien gesek statis dinotasikan dengan $\mu_x$ .

Persamaan GGS:

$f_s = \mu_x \cdot F_n$ .

rumus

[Sumber: Douglas C. Giancoli, 2005]

Perhatikan gambar diatas untuk melihat arah-arah gaya. Karena setiap benda yang diam hingga tepat akan bergerak memiliki nilai GGS, maka benda tidak akan bergerak jika gaya yang diberikan lebih kecil dari nilai GGS (karena arah gaya yang diberikan dengan arah gaya gesek selalu berlawanan). Jadi, benda akan dapat bergerak jika gaya yang diberikan lebih besar dari nilai GGS.

$F \le f_s \longrightarrow$ benda tetap diam.

$F \geq f_s \longrightarrow$ benda mulai bergerak

Gaya Gesek Kinetis (GGK)

Gaya gesek kinetis adalah gaya yang bekerja saat benda bergerak. Saat benda diam hingga tepat akan bergerak, gaya yang berkerja adalah GGS. Lalu, saat benda mulai bergerak maka gaya yang bekerja adalah GGK. Jika tidak terdapat GGK, maka suatu benda yang diberi gaya akan selalu melaju dan tidak akan berhenti karena tidak ada gaya gesek yang melambatkannnya, seperti di luar angkasa.

Sama seperti GGS, nilai GGK merupakan hasil perkalian antara koefisien geseknya dengan gaya normal benda. Koefisien gesek kinetis dinotasikan dengan $\mu_k$ . Biasanya, nilai koefisien gesek kinetis selalu lebih kecil dari koefisien gesek statis untuk material yang sama.

Persamaan GGK:

$f_k = \mu_k \cdot F_k$ .

$\mu_k < \mu_s$ .

Contoh Soal Gaya Gesek dan Pembahasan

Soal 1:Sebuah kotak seberat 10 kg ditarik sepanjang bidang datar dengan gaya sebesar 40 N yang membentuk sudut $30^{\circ}$ . Koefisien gesek statis dan kinetis nilainya berturut-turut sebesar 0,4 dan 0,3. Hitunglah percepatannya.

Pembahasan:

Gambarkan terlebih dahulu gaya-gaya yang bekerja pada box tersebut. Perhatikan gambar dibawah ini.

contoh soal gaya gesek

[Sumber: Douglas C. Giancoli, 2005]

Kemudian kita identifikasi komponen-komponen yang diketahui,

$\mu_k = 0,3 \qquad \mu_s = 0,4 \qquad m = 10 \: kg \newline \newline g = 9,8 \: m/s^2 \qquad F = 40 N \qquad \theta = 30^{\circ}$ .

$F$ memiliki komponen vertikal dan horizontal:

$F_x = F \: \cos \theta = 40 \: \cos 30^{\circ} = 34,6 N$ .

$F_y = F \: \sin \theta = 40 \: \sin 30^{\circ} = 20 N$ .

Lalu, kita dapat mencari gaya normalnya yang dinotasikan dengan $F_N$ ataupun $N$ ,

$\sum F_y = m \cdot a_y$ .

$\sum F_y = 0$ (karena benda tidak bergerak secara vertikal, maka $a_y = 0$ ).

$F_N - m \cdot g + F_y = 0 \newline \newline F_N = m \cdot g - F_y \newline \newline F_N = 98 N - 20 N \newline \newline F_N = 78 N$ .

Agar kita mengetahui apakah benda tersebut dapat bergerak atau tidak, maka kita hitung nilai GGSnya:

$f_s = \mu_s \cdot F_n \newline \newline f_s = 0,4 \cdot 78 \: N \newline \newline fs = 31,2 \: N$ .

$f_s < F_x$ , maka benda bergerak.

Kita tentukan GGK yang bekerja:

$f_k = \mu_k \cdot F_n \newline \newline f_k = 0,3 \cdot 78 \: F_n \newline \newline f_k = 23,4 \: N$ .

Lalu, dapat kita cari percepatannya:

$\sum F_x = m \cdot a_x \newline \newline F - f_k = m \cdot a$ .

$a = \frac{F - f_k}{m} = \frac{34,6 N - 23,4 N}{10 kg} = 1,1 \: m/s^2$ .

Jadi, percepatan yang dialami benda sebesar $1,1 \: m/s^2$ .

Jika tidak terdapat gaya gesek, percepatannya pasti akan lebih besar.

Soal 2Perhatikan gambar dibawah. Koefisien gesek kinetis antara kotak A dengan meja nilainya sebesar 0,2. Tentukan percepatan sistem tersebut.

gesekan sistem

[Sumber: Douglas C. Giancoli, 2005]

Pembahasan:Berikut arah komponen-komponen gaya dari kedua benda,

pembahasan soal gesekan

[Sumber: Douglas C. Giancoli, 2005]

Gaya normal kotak A sebesar:

$F_N = m_A \cdot g = 5kg \cdot 9,8 \: m/s^2 = 49 N$ .

Gaya gesek kinetis yang bekerja pada kotak A sebesar:

$f_k = \mu_k \cdot F_n = 0,2 \cdot 49 N = 98 N$ .

Gaya tegang tali dinotasikan dengan $T$ ataupun $F_T$ .

Persamaan Hukum kedua Newton pada kotak A dapat ditullis dengan:

$\sum F_A = m_A \cdot a \newline \newline T - f_k = m_A \cdot a \newline \newline T = m_A \cdot a + f_k$ .

Persamaan Hukum kedua Newton pada kotak B dapat ditulis dengan:

$\sum F_B = m_B \cdot a$ .

$m_b \cdot g - T = m_B \cdot a$ (disubstitusikan dengan persamaan kotak A)

$m_B \cdot g - (m_A \cdot a + f_k) = m_B \cdot a \newline \newline m_B \cdot g-m_a \cdot a-f_k=m_B \cdot a \newline \newline m_B \cdot g-f_k=m_B \cdot a+m_A \cdot a \newline \newline m_B \cdot g-f_k=(m_B + m_A)a$ .