Gaya Sentripetal

Gaya sentripetal adalah bagian gaya resultan yang arahnya ke dalam dan membuat benda tetap bergerak dalam lintasan melingkar. Jika gaya ke dalam itu hilang, benda berhenti membelok dan bergerak sepanjang garis singgung.

Untuk gerak pada lingkaran berjari-jari $r$ dengan kelajuan $v$, besar gaya ke dalam yang diperlukan adalah

$$F_c = \frac{m v^2}{r}$$

Rumus ini memberi tahu Anda berapa besar gaya ke dalam yang dibutuhkan. Rumus ini tidak memberi tahu gaya fisik mana yang menyediakannya.

Anda juga mungkin melihat hubungan yang sama ditulis sebagai

$$F_c = m \omega^2 r$$

karena $v = \omega r$ untuk gerak melingkar.

Apa Arti Sebenarnya Gaya Sentripetal

Gaya sentripetal bukan gaya tambahan yang Anda masukkan ke diagram benda bebas. Ini adalah nama untuk gaya resultan yang mengarah ke pusat. Dalam satu soal, gaya itu bisa berupa tegangan. Dalam soal lain, bisa berupa gravitasi, gesekan, atau gaya normal.

Jika kelajuannya konstan, kecepatan tetap berubah karena arahnya terus berputar. Perubahan arah ini memerlukan percepatan sentripetal:

$$a_c = \frac{v^2}{r}$$

Jika kelajuan juga berubah, maka ada juga komponen percepatan tangensial. Dalam kasus itu, $m v^2 / r$ tetap memberikan bagian ke dalam dari gaya resultan, tetapi bukan seluruh gaya resultan.

Mengapa Gaya Mengarah ke Dalam

Benda yang bergerak cenderung terus bergerak dalam arah geraknya saat ini. Agar gerak itu terus dibelokkan menjadi lingkaran, gaya resultan harus terus mengarah ke dalam.

Bola yang diikat pada tali adalah contoh standar. Tegangan tali menarik ke arah pusat, sehingga arah kecepatan bola terus berubah. Jika talinya putus, tidak ada gaya baru yang mendorong ke luar. Bola itu hanya terus bergerak ke arah yang sudah ditempuhnya pada saat itu.

Contoh Soal: Mobil di Tikungan Datar

Misalkan sebuah mobil bermassa $m = 1200\ \mathrm{kg}$ bergerak melalui tikungan melingkar datar dengan jari-jari $r = 50\ \mathrm{m}$ pada kelajuan $v = 15\ \mathrm{m/s}$.

Mulailah dengan rumus gaya sentripetal:

$$F_c = \frac{m v^2}{r}$$

Sekarang substitusikan nilainya:

$$F_c = \frac{(1200)(15^2)}{50} = \frac{(1200)(225)}{50} = 5400\ \mathrm{N}$$

Jadi mobil memerlukan gaya resultan sebesar $5400\ \mathrm{N}$ menuju pusat tikungan. Pada jalan datar, gaya ke dalam ini biasanya disediakan oleh gaya gesek statis antara ban dan jalan.

Kalimat terakhir itu adalah langkah fisika yang sebenarnya. Rumus memberi besar gaya ke dalam yang diperlukan, tetapi Anda tetap harus mengidentifikasi gaya nyata mana yang menyediakannya.

Kesalahan Umum tentang Gaya Sentripetal

Menganggapnya sebagai gaya terpisah

Tanyakan gaya nyata mana yang mengarah ke dalam. Jangan menambahkan gaya kedua yang disebut "gaya sentripetal" kecuali yang Anda maksud adalah hasil resultan ke dalam dari gaya-gaya yang sebenarnya.

Menganggap gerak melingkar seimbang

Jika lintasannya terus melengkung, gaya resultan tidak nol. Diperlukan gaya ke dalam yang tidak nol.

Mengabaikan jari-jari

Untuk massa dan kelajuan yang sama, jari-jari yang lebih kecil berarti belokan yang lebih tajam, sehingga memerlukan gaya sentripetal yang lebih besar.

Mengada-adakan gaya ke luar dalam kerangka inersial

Dalam kerangka inersial, gaya yang diperlukan mengarah ke dalam. Rasa "terdorong" ke luar saat berada di mobil yang berbelok berasal dari kecenderungan tubuh Anda untuk tetap bergerak lurus sementara mobil mengubah arah.

Di Mana Gaya Sentripetal Digunakan

Gaya sentripetal muncul setiap kali gerak mengikuti lintasan melingkar atau lintasan yang dapat didekati dengan baik sebagai lingkaran. Contoh umum meliputi mobil yang berbelok, benda pada tali, loop roller coaster, satelit, dan planet yang mengorbit.

Dalam banyak soal, tugas utamanya adalah menghubungkan gerak melingkar dengan hukum gaya lain. Anda bisa menyamakan tegangan dengan $m v^2 / r$, atau gravitasi dengan $m v^2 / r$, tergantung situasinya.

Coba Soal Serupa

Gunakan mobil dan jari-jari yang sama, tetapi gandakan kelajuannya dari $15\ \mathrm{m/s}$ menjadi $30\ \mathrm{m/s}$. Karena gaya bergantung pada $v^2$, gaya sentripetal yang diperlukan menjadi empat kali lebih besar, bukan dua kali lebih besar.

Jika Anda ingin mencoba kasus lain setelah itu, buat versi Anda sendiri dengan angka yang berbeda dan periksa gaya nyata mana yang akan memberikan tarikan ke dalam.