Gesekan ada di sekitar kita di dunia nyata. Ketika dua permukaan berinteraksi atau mendorong satu sama lain dalam beberapa cara, beberapa energi mekanik diubah menjadi bentuk lain, mengurangi berapa banyak energi yang tersisa untuk gerakan.
Sementara permukaan halus cenderung mengalami lebih sedikit gesekan daripada permukaan kasar, hanya dalam ruang hampa di mana ini tidak ada masalah lingkungan tanpa gesekan yang sebenarnya, meskipun buku teks fisika sekolah menengah sering merujuk pada situasi seperti itu untuk menyederhanakan perhitungan.
Gesekan umumnya menghambat gerakan. Pertimbangkan sebuah kereta api yang meluncur di atas rel, atau sebuah balok yang meluncur melintasi lantai. Di dunia tanpa gesekan, benda-benda ini akan terus bergerak tanpa batas. Gesekan menyebabkan mereka melambat dan akhirnya berhenti tanpa adanya gaya lain yang diterapkan.
Satelit di luar angkasa mampu mempertahankan orbitnya dengan sedikit energi tambahan karena ruang hampa udara yang hampir sempurna. Satelit orbit yang lebih rendah, bagaimanapun, sering menghadapi gaya gesekan dalam bentuk hambatan udara dan membutuhkan reboosting secara berkala untuk mempertahankan arahnya.
Definisi Gesekan
Pada tingkat mikroskopis, gesekan terjadi ketika molekul dari satu permukaan berinteraksi dengan molekul dari permukaan lain ketika permukaan tersebut bersentuhan dan mendorong satu sama lain. Ini menghasilkan resistensi ketika satu objek tersebut mencoba untuk bergerak sambil mempertahankan kontak dengan objek lainnya. Kami menyebut resistensi ini sebagai gaya gesekan. Seperti gaya lainnya, ini adalah besaran vektor yang diukur dalam newton.
Karena gaya gesekan dihasilkan dari interaksi dua benda, tentukan arah yang akan dikerjakannya objek tertentu - dan karenanya arah untuk menggambarnya pada diagram benda bebas - membutuhkan pemahaman bahwa interaksi. Hukum III Newton menyatakan bahwa jika benda A memberikan gaya pada benda B, maka benda B memberikan gaya yang besarnya sama tetapi berlawanan arah pada benda A.
Jadi jika benda A mendorong benda B dengan arah yang sama dengan arah gerak benda A, gaya gesekan akan bekerja berlawanan dengan arah gerak benda A. (Hal ini biasanya terjadi dengan gesekan geser, dibahas di bagian berikutnya.) Jika, di sisi lain, benda A mendorong benda B dalam arah yang berlawanan dengan arah geraknya, maka gaya gesekan akan berakhir searah dengan gerak benda A. (Hal ini sering terjadi pada gesekan statis, juga dibahas pada bagian berikutnya.)
Besarnya gaya gesekan sering berbanding lurus dengan gaya normal, atau gaya yang menekan kedua permukaan terhadap satu sama lain. Konstanta proporsionalitas bervariasi tergantung pada permukaan yang bersentuhan. Misalnya, Anda mungkin mengharapkan gesekan yang lebih kecil ketika dua permukaan "licin" - seperti balok es di danau beku - bersentuhan, dan gesekan yang lebih besar ketika dua permukaan "kasar" bersentuhan.
Gaya gesekan umumnya tidak tergantung pada bidang kontak antara benda dan relatif kecepatan dua permukaan (kecuali dalam hal hambatan udara, yang tidak dibahas dalam hal ini) artikel.)
Jenis Gesekan
Ada dua jenis utama gesekan: gesekan kinetik dan gesekan statis. Anda mungkin juga pernah mendengar sesuatu yang disebut gesekan guling, tetapi seperti yang akan dibahas nanti di bagian ini, ini benar-benar fenomena yang berbeda.
Gaya gesekan kinetik, juga dikenal sebagai gesekan geser, adalah resistensi karena interaksi permukaan saat satu objek meluncur melawan yang lain, seperti ketika sebuah kotak didorong melintasi lantai. Gesekan kinetik bekerja berlawanan dengan arah gerak. Hal ini karena benda yang meluncur mendorong permukaan ke arah yang sama dengan arah geser, sehingga permukaan memberikan gaya gesekan kembali pada benda yang berlawanan arah.
Friksi statisadalah gaya gesekan antara dua permukaan yang saling mendorong, tetapi tidak meluncur relatif satu sama lain. Dalam kasus sebuah kotak didorong di sepanjang lantai, sebelum kotak mulai meluncur, orang tersebut harus mendorongnya dengan kekuatan yang meningkat, akhirnya mendorong cukup keras untuk membuatnya berjalan. Sementara gaya dorong meningkat dari 0, gaya gesekan statis juga meningkat, berlawanan dengan mendorong kekuatan sampai orang tersebut menerapkan kekuatan yang cukup besar untuk mengatasi gesekan statis maksimum maximum memaksa. Pada saat itu, kotak mulai meluncur, dan gesekan kinetik mengambil alih.
Gaya gesekan statis, bagaimanapun, juga memungkinkan untuk jenis gerakan tertentu. Pertimbangkan apa yang terjadi ketika Anda berjalan melintasi lantai. Saat Anda melangkah, Anda mendorong ke belakang di lantai dengan kaki Anda, dan lantai, pada gilirannya, mendorong Anda ke depan. Ini adalah gesekan statis antara kaki Anda dan lantai yang membuat ini terjadi, dan dalam hal ini gaya gesekan statis berakhir dengan arah gerakan Anda. Tanpa gesekan statis, ketika Anda mendorong mundur ke lantai, kaki Anda hanya akan meluncur dan Anda akan berjalan di tempat!
Tahan bergulingkadang-kadang disebut gesekan bergulir, meskipun itu keliru karena kehilangan energi karena deformasi permukaan yang bersentuhan saat benda menggelinding, berlawanan dengan hasil permukaan yang mencoba meluncur satu sama lain lain. Ini mirip dengan energi yang hilang ketika bola memantul. Rolling resistance umumnya sangat kecil dibandingkan dengan gesekan statis dan kinetik. Bahkan, itu jarang dibahas sama sekali di sebagian besar teks fisika perguruan tinggi dan sekolah menengah.
Hambatan menggelinding tidak boleh disamakan dengan efek gesekan statis dan kinetik pada benda yang menggelinding. Sebuah ban, misalnya, mungkin mengalami gesekan geser pada poros saat berbelok, dan juga mengalami gesekan statis, yang menjaga ban agar tidak tergelincir saat menggelinding (gesekan statis dalam hal ini, seperti halnya dengan orang yang berjalan, akhirnya bekerja ke arah gerakan.)
Persamaan Gesekan
Seperti disebutkan sebelumnya, besarnya gaya gesekan berbanding lurus dengan besarnya gaya normal, dan konstanta proporsionalitas tergantung pada permukaan yang bersangkutan. Ingatlah bahwa gaya normal adalah gaya yang tegak lurus terhadap permukaan, yang melawan gaya lain yang diterapkan ke arah itu.
Konstanta proporsionalitas adalah besaran tak satuan yang disebutkoefisien gesekan, yang bervariasi dengan kekasaran permukaan yang bersangkutan, dan biasanya diwakili oleh huruf Yunaniμ.
F_f = \mu F_N
Tips
Persamaan ini hanya menghubungkan besarnya gaya gesek dan gaya normal. Mereka tidak menunjuk ke arah yang sama!
Perhatikan bahwa tidak sama untuk gesekan statis dan kinetik. Koefisien sering menyertakan subskrip, denganμkmengacu pada koefisien gesekan kinetik danμsmengacu pada koefisien gesekan statis. Nilai koefisien ini untuk bahan yang berbeda dapat dilihat di tabel referensi. Koefisien gesekan untuk beberapa permukaan umum tercantum dalam tabel berikut.
| Sistem | Gesekan Statis (μs) | Gesekan Kinetik (μk) |
|---|---|---|
Karet pada beton kering |
1 |
0.7 |
Karet pada beton basah |
0.7 |
0.5 |
Kayu di atas kayu |
0.5 |
0.3 |
Kayu lilin di atas salju basah |
0.14 |
0.1 |
Logam di atas kayu |
0.5 |
0.3 |
Baja pada baja (kering) |
0.6 |
0.3 |
Baja di atas baja (diminyaki) |
0.05 |
0.03 |
Teflon pada baja |
0.04 |
0.04 |
Tulang dilumasi oleh cairan sinovial |
0.016 |
0.015 |
Sepatu di atas kayu |
0.9 |
0.7 |
Sepatu di atas es |
0.1 |
0.05 |
Es di atas es |
0.1 |
0.03 |
Baja di atas es |
0.04 |
0.02 |
https://openstax.org/books/college-physics/pages/5-1-friction
Nilai untuk tahanan gelinding seringkali kurang dari 0,01, dan secara signifikan demikian, maka Anda dapat melihat bahwa sebagai perbandingan, tahanan gelinding sering diabaikan.
Ketika bekerja dengan gesekan statis, rumus gaya sering ditulis sebagai berikut:
F_f \leq \mu_s F_N
Dengan ketidaksetaraan yang mewakili fakta bahwa gaya gesekan statis tidak pernah lebih besar dari gaya yang menentangnya. Misalnya, jika Anda mencoba mendorong kursi melintasi lantai, sebelum kursi mulai meluncur, gesekan statis akan bekerja. Tapi nilainya akan bervariasi. Jika Anda menerapkan 0,5 N ke kursi, maka kursi akan mengalami gesekan statis 0,5 N untuk melawan itu. Jika Anda mendorong dengan 1,0 N, maka gesekan statis menjadi 1,0 N, dan seterusnya sampai Anda mendorong dengan lebih dari nilai maksimum gaya gesekan statis dan kursi mulai meluncur.
Contoh Gesekan
Contoh 1:Berapa gaya yang harus diberikan pada balok logam 50 kg untuk mendorongnya melintasi lantai kayu dengan kecepatan konstan?
Larutan:Pertama, kita menggambar diagram benda bebas untuk mengidentifikasi semua gaya yang bekerja pada balok. Kami memiliki gaya gravitasi yang bekerja lurus ke bawah, gaya normal yang bekerja ke atas, gaya dorong yang bekerja ke kanan, dan gaya gesekan yang bekerja ke kiri. Karena balok dimaksudkan untuk bergerak dengan kecepatan konstan, kita tahu bahwa semua gaya harus ditambahkan ke 0.
Persamaan gaya bersih untuk pengaturan ini adalah sebagai berikut:
F_{netx} = F_{push} - F_f = 0\\ F_{nety} = F_N - F_g = 0
Dari persamaan kedua, kita mendapatkan bahwa:
F_N = F_g = mg = 50\kali 9,8 = 490 \teks{ N}
Menggunakan hasil ini dalam persamaan pertama dan menyelesaikan gaya dorong yang tidak diketahui, kita mendapatkan:
F_{push} = F_f = \mu_kF_N = 0,3\times 490 = 147\text{ N}
Contoh 2:Berapa sudut kemiringan maksimum yang dapat dimiliki sebuah tanjakan sebelum kotak 10 kg yang bertumpu di atasnya mulai meluncur? Dengan percepatan berapa ia akan meluncur pada sudut ini? Menganggapμsadalah 0,3 danμkadalah 0,2.
Larutan:Sekali lagi, kita mulai dengan diagram benda bebas. Gaya gravitasi bekerja lurus ke bawah, gaya normal bekerja tegak lurus terhadap bidang miring dan gaya gesekan bekerja di atas tanjakan.
•••Dan Chen | Sains
Untuk bagian pertama dari masalah, kita tahu bahwa gaya total harus 0 dan gaya gesekan statis maksimum adalahμsFtidak.
Pilih sistem koordinat yang sejajar dengan tanjakan sedemikian rupa sehingga menuruni tanjakan adalah sumbu x positif. Kemudian pecahkan setiap kekuatan menjadix-dankamu-komponen, dan tulis persamaan gaya total:
F_{netx} = F_g\sin(\theta) - F_f = 0\\ F_{nety} = F_N - F_g\cos(\theta) = 0
Selanjutnya, penggantiμsFtidak untuk gesekan dan selesaikan untukFtidakdalam persamaan kedua:
F_g\sin(\theta) - \mu_sF_N = 0 \\ F_N - F_g\cos(\theta) = 0\menyiratkan F_N = F_g\cos(\theta)
Masukkan rumus untukFtidakke persamaan pertama dan selesaikan untukθ:
F_g\sin(\theta) - \mu_sF_g\cos(\theta) = 0\\ \menyiratkan F_g\sin(\theta) = \mu_sF_g\cos(\theta)\\ \menyiratkan \frac{\sin(\theta)}{\cos(\theta)} = \mu_s\\ \implies \tan(\theta) = \mu_s\\ \implies \theta = \tan^{-1}(\mu_s)
Memasukkan nilai 0,3 untukμs memberikan hasilθ= 16,7 derajat.
Bagian kedua dari pertanyaan sekarang menggunakan gesekan kinetik. Diagram benda bebas kita pada dasarnya sama. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa kita sekarang mengetahui sudut kemiringan, dan gaya total tidak 0 dixarah. Jadi persamaan gaya bersih kita menjadi:
F_{netx} = F_g\sin(\theta) - F_f = ma\\ F_{nety} = F_N - F_g\cos(\theta) = 0
Kita dapat memecahkan gaya normal dalam persamaan kedua, seperti sebelumnya, dan memasukkannya ke dalam persamaan pertama. Melakukan itu dan kemudian memecahkanSebuahmemberikan:
F_g\sin(\theta) - \mu_kF_g\cos(\theta) = ma\\ = \cancel{m}g\sin(\theta) - \mu_k \cancel{m}g\cos(\theta) = \ batal{m}a\\ \menyiratkan a = g\sin(\theta) - \mu_kg\cos(\theta)
Sekarang ini masalah sederhana memasukkan angka. Hasil akhirnya adalah:
a = g\sin(\theta) - \mu_kg\cos(\theta) = 9,8\sin (16,7) - 0,2\times 9,8\cos (16,7) = 0,94 \text{ m/s}^2
