Terlepas dari namanya, fisika ketegangan seharusnya tidak menyebabkan sakit kepala bagi siswa fisika. Jenis gaya yang umum ini ditemukan dalam aplikasi dunia nyata mana pun di mana tali atau benda mirip tali sedang ditarik kencang.
Definisi Fisika Tegangan
Ketegangan adalah gaya kontak yang ditransmisikan melalui tali, tali, kawat atau sesuatu yang serupa ketika gaya pada ujung yang berlawanan menariknya.
Misalnya, ayunan ban yang tergantung di pohon menyebabkanketegangandi tali yang menahannya ke dahan. Tarikan di bagian bawah tali berasal dari gravitasi, sedangkan tarikan ke atas berasal dari cabang yang menahan tarikan tali.
Gaya tegangan ada di sepanjang tali, dan gaya ini bekerja sama pada benda di kedua ujungnya – ban dan cabang. Pada ban, gaya tarik diarahkan ke atas (karena tegangan pada tali menahan ban ke atas) sedangkan pada cabang, gaya tarik diarahkan ke bawah (tali yang dikencangkan ditarik ke bawah pada cabang).
Bagaimana Menemukan Kekuatan Ketegangan
Untuk menemukan gaya tegangan pada suatu benda, gambarlah diagram benda bebas untuk melihat di mana gaya ini harus diterapkan (di mana pun tali atau tali sedang ditarik). Kemudian temukan
Perhatikan bahwategangan hanyalah gaya tarik pulling. Mendorong salah satu ujung tali yang kendur tidak menyebabkan ketegangan. Oleh karena itu, gaya tegangan pada diagram benda bebas harus selalu ditarik searah dengan tarikan tali pada benda.
Dalam skenario ayun ban seperti yang disebutkan sebelumnya, jika banmasih– yaitu, tidak mempercepat ke atas atau ke bawah – harus ada agaya bersih nol. Karena hanya dua gaya yang bekerja pada ban adalah gravitasi dan tegangan yang bekerja dalam arah yang berlawanan, kedua gaya tersebut harus sama.
Secara matematis:Fg = Funtuk dimanaFgadalah gaya gravitasi, danFuntukadalah gaya tegangan, keduanya dalam newton.
Ingatlah bahwa gaya gravitasi,Fg, sama dengan massa benda dikalikan percepatan gravitasig. BegituFg = mg = Funtuk.
Untuk ban bermassa 10 kg, gaya tariknya adalahFuntuk = 10 kg × 9,8 m/s2 = 98 N
Dalam skenario yang sama, di mana tali terhubung dengan cabang pohon ada jugagaya bersih nol. Namun, pada ujung tali ini, gaya tegangan pada diagram benda bebas diarahkan iske bawah.Namun,besarnya gaya tarik adalah sama: 98 N.
Dari ini,ke atasgaya kontak yang diterapkan cabang pada tali harus sama dengan gaya tarik ke bawah, yang sama dengan gaya gravitasi yang bekerja ke bawah pada ban: 98 N.
Kekuatan Ketegangan dalam Sistem Katrol
Sebuah kategori umum dari masalah fisika yang melibatkan ketegangan melibatkansistem katrol. Katrol adalah alat melingkar yang berputar untuk melepaskan tali atau tali.
Biasanya masalah fisika sekolah menengah memperlakukan katrol sebagai tidak bermassa dan tanpa gesekan, meskipun di dunia nyata hal ini tidak pernah benar. Massa tali biasanya juga diabaikan.
Contoh katrol
Misalkan sebuah massa di atas meja dihubungkan oleh seutas tali yang ditekuk 90 derajat di atas katrol di tepi meja dan terhubung ke massa yang tergantung. Asumsikan massa di atas meja memiliki berat 8 N dan balok gantung di sebelah kanan memiliki berat 5 N. Berapakah percepatan kedua balok tersebut?
Untuk mengatasi ini, gambar diagram benda bebas terpisah untuk setiap blok. Kemudian temukangaya total pada setiap blokdan menggunakan hukum kedua Newton (Fbersih = ma) untuk menghubungkannya dengan percepatan. (Catatan: subskrip "1" dan "2" di bawah ini masing-masing untuk "kiri" dan "kanan".)
Misa di atas meja:
Gaya normal dan gaya gravitasi (berat) balok seimbang, sehingga gaya total seluruhnya berasal dari tegangan yang diarahkan ke kanan.
F_{net, 1}=F_{t1}=m_1a
Massa gantung:
Di sebelah kanan, gaya tarik menarik balok ke atas sedangkan gravitasi menariknya ke bawah, jadikekuatan bersihharus menjadi perbedaan di antara mereka.
F_{net, 2}=F_{t2}-m_2g=-m_2a
Perhatikan bahwa negatif dalam persamaan sebelumnya menunjukkan bahwabawah adalah negatifdalam kerangka acuan ini dan bahwa percepatan akhir balok (gaya total) diarahkan ke bawah.
Kemudian, karena balok-balok itu diikat dengan tali yang sama, mereka mengalami gaya tarik yang sama besarnya |Ft1| = |Ft2|. Selain itu, balok akan berakselerasi pada tingkat yang sama, meskipun arahnya berbeda, jadi dalam kedua persamaanSebuahadalah sama.
Menggunakan fakta-fakta ini dan menggabungkan persamaan akhir untuk kedua blok:
a=\frac{m_2}{m_1+m_2}g=\frac{5}{8+5}(9.8)=3.77\text{m/s}^2
Gaya Ketegangan dalam Dua Dimensi
Pertimbangkan rak pot gantung. Ada dua tali yang menahan rak 30 kg, masing-masing pada sudut 15 derajat dari sudut rak.
Untuk mencari tegangan pada salah satu tali,kekuatan bersihdalam arah x dan y harus seimbang.
Mulailah dengan diagram benda bebas untuk rak pot.
Dari ketiga gaya pada rak, gaya gravitasi diketahui, dan gaya gravitasi harus diseimbangkan secara merata dalam arah vertikal oleh kedua komponen vertikal gaya tarik.
F_g=mg=F_{T1,y}+F_{T2,y}
dan karenaFT1, y= FT2, kamu :
30\times 9,8 = 2 F_{T1,y}\menyiratkan F_{T1,y}=147\text{ N}
Dengan kata lain, setiap tali memberikan gaya 147 N ke atas pada rak pot gantung.
Untuk mendapatkan dari sini ke total gaya ketegangan di setiap tali, gunakan trigonometri.
Hubungan trigonometri sinus menghubungkan komponen y, sudut dan gaya diagonal yang tidak diketahui dari tegangan sepanjang tali di kedua sisi. Memecahkan tegangan di sebelah kiri:
\sin{15}=\frac{147}{F_{T1}}\implies F_{T1}=\frac{147}{\sin{15}}=568\text{ N}
Besarnya ini akan sama di sisi kanan juga, meskipun arah gaya tegangan itu berbeda.
Bagaimana dengan gaya horizontal yang diberikan oleh setiap tali?
Hubungan trigonometri garis singgung menghubungkan komponen x yang tidak diketahui dengan komponen y yang diketahui dan sudut. Penyelesaian untuk komponen x:
\tan{15}=\frac{147}{F_{T1,x}}\implies F_{T1,x}=\frac{147}{\tan{15}}=548.6\text{ N}
Karena gaya horizontal juga seimbang, ini harus sama besarnya dengan gaya yang diberikan oleh tali di sebelah kanan, dalam arah yang berlawanan.