Hampir semua orang tahu apa itutuasadalah, meskipun kebanyakan orang mungkin terkejut mengetahui seberapa luas jangkauanmesin sederhanamemenuhi syarat seperti itu.
Secara sederhana, tuas adalah alat yang digunakan untuk "membongkar" sesuatu dengan cara yang tidak dapat dilakukan oleh peralatan tidak bermotor lainnya; dalam bahasa sehari-hari, seseorang yang telah berhasil memperoleh bentuk kekuasaan yang unik atas suatu situasi dikatakan memiliki "daya ungkit".
Mempelajari tentang pengungkit dan bagaimana menerapkan persamaan yang berkaitan dengan penggunaannya adalah salah satu proses pengantar fisika yang lebih bermanfaat yang ditawarkan. Ini mencakup sedikit tentang gaya dan torsi, memperkenalkan konsep kontra-intuitif tetapi penting dariperkalian kekuatan, dan mengarahkan Anda ke konsep inti sepertikerjadan bentuk energi dalam tawar-menawar.
Salah satu keuntungan utama tuas adalah bahwa mereka dapat dengan mudah "ditumpuk" sedemikian rupa untuk membuat signifikankeuntungan mekanis. Perhitungan tuas gabungan membantu menggambarkan betapa kuat namun sederhananya "rantai" mesin sederhana yang dirancang dengan baik.
Dasar-dasar Fisika Newtonian
Isaac Newton(1642-1726), selain dikreditkan dengan co-menciptakan disiplin matematika dari kalkulus, diperluas pada karya Galileo Galilei untuk mengembangkan hubungan formal antara energi dan gerakan. Secara khusus, ia mengusulkan, antara lain, bahwa:
Benda menolak perubahan kecepatannya dengan cara yang sebanding dengan massanya (hukum inersia, hukum pertama Newton);
Besaran yang disebutmemaksabekerja pada massa untuk mengubah kecepatan, proses yang disebutpercepatan (F = ma, hukum kedua Newton);
Besaran yang disebutmomentum, produk massa dan kecepatan, sangat berguna dalam perhitungan karena dilestarikan (yaitu, jumlah totalnya tidak berubah) dalam sistem fisik tertutup. Totalenergijuga dilestarikan.
Menggabungkan sejumlah elemen dari hubungan ini menghasilkan konsepkerja, yang manakekuatan dikalikan melalui jarak:
W=Fx
Melalui lensa inilah studi tentang pengungkit dimulai.
Ikhtisar Mesin Sederhana
Tuas milik kelas perangkat yang dikenal sebagaimesin sederhana, yang juga termasukroda gigi, katrol, bidang miring, bajidansekrup. (Kata "mesin" itu sendiri berasal dari kata Yunani yang berarti "membantu membuat lebih mudah.")
Semua mesin sederhana memiliki satu sifat: Mereka melipatgandakan kekuatan dengan mengorbankan jarak (dan jarak tambahan sering disembunyikan dengan cerdik). Hukum kekekalan energi menegaskan bahwa tidak ada sistem yang dapat "menciptakan" kerja dari ketiadaan, tetapi bahkan jika nilai W dibatasi, dua variabel lain dalam persamaan tidak.
Variabel yang menarik pada mesin sederhana adalahkeuntungan mekanis, yang merupakan rasio gaya keluaran terhadap gaya masukan:
MA=\frac{F_o}{F_i}
Seringkali, kuantitas ini dinyatakan sebagaikeuntungan mekanik ideal, atau IMA, yang merupakan keuntungan mekanis yang akan dinikmati mesin jika tidak ada gaya gesekan.
Dasar Tuas Le
Tuas sederhana adalah sejenis batang padat yang bebas berputar di sekitar titik tetap yang disebut atitik tumpujika gaya diterapkan pada tuas. Titik tumpu dapat ditempatkan pada jarak berapa pun di sepanjang tuas. Jika tuas mengalami gaya-gaya berupa torsi, yaitu gaya-gaya yang bekerja pada sumbu rotasi, tuas tidak akan bergerak asalkan jumlah gaya (torsi) yang bekerja pada batang adalah nol.
Torsi adalah produk dari gaya yang diterapkan ditambah jarak dari titik tumpu. Jadi sistem yang terdiri dari satu tuas yang dikenai dua gayaF1danF2pada jarak x1 dan x2 dari titik tumpu berada dalam kesetimbangan ketikaF1x1 = F2x2.
- Hasil kali F dan x disebut asaat, yang merupakan gaya apa pun yang memaksa suatu benda untuk mulai berputar dengan cara tertentu.
Di antara interpretasi valid lainnya, hubungan ini berarti bahwa gaya kuat yang bekerja pada jarak pendek dapat tepat diimbangi (dengan asumsi tidak ada kehilangan energi karena gesekan) oleh gaya yang lebih lemah yang bekerja pada jarak yang lebih jauh, dan dalam proporsi yang sebanding cara.
Torsi dan Momen dalam Fisika
Jarak dari titik tumpu ke titik di mana gaya diterapkan pada tuas dikenal sebagailengan tuas,ataulengan momen. (Dalam persamaan ini, telah dinyatakan menggunakan "x" untuk kesederhanaan visual; sumber lain mungkin menggunakan huruf kecil "l.")
Torsi tidak harus bekerja pada sudut siku-siku terhadap tuas, meskipun untuk gaya apa pun yang diberikan, sebuah kanan (yaitu, 90°) sudut menghasilkan jumlah gaya maksimum karena, secara sederhana, sin 90° = 1.
Agar suatu benda berada dalam kesetimbangan, jumlah gaya dan torsi yang bekerja pada benda tersebut harus sama dengan nol. Ini berarti bahwa semua torsi searah jarum jam harus diseimbangkan persis dengan torsi berlawanan arah jarum jam.
Terminologi dan Jenis Pengungkit
Biasanya, ide menerapkan gaya ke tuas adalah untuk memindahkan sesuatu dengan "memanfaatkan" kompromi dua arah yang pasti antara kekuatan dan lengan tuas. Kekuatan yang Anda coba lawan disebutkekuatan perlawanan, dan gaya input Anda sendiri dikenal sebagaikekuatan usaha. Dengan demikian Anda dapat menganggap gaya keluaran sebagai mencapai nilai gaya hambatan pada saat benda mulai berputar (yaitu, ketika kondisi keseimbangan tidak lagi terpenuhi.
Berkat hubungan antara usaha, gaya dan jarak, MA dapat dinyatakan sebagai
MA+\frac{F_r}{F_e}=\frac{d_e}{d_r}
Dimana De adalah jarak lengan usaha bergerak (berbicara secara rotasi) dan dr adalah jarak gerakan lengan tuas tahanan.
Tuas masuktiga jenis.
- Pesanan pertama:Titik tumpunya adalah antara usaha dan perlawanan (contoh: "see-saw").
- Pesanan kedua: Upaya dan hambatan berada pada sisi yang sama dari titik tumpu, tetapi mengarah ke arah yang berlawanan, dengan upaya lebih jauh dari titik tumpu (contoh: gerobak dorong).
- Orde ketiga:Upaya dan resistensi berada di sisi yang sama dari titik tumpu, tetapi mengarah ke arah yang berlawanan, dengan beban lebih jauh dari titik tumpu (contoh: ketapel klasik).
Contoh Tuas Majemuk
SEBUAHtuas majemukadalah serangkaian tuas yang bekerja secara bersama-sama, sehingga gaya keluaran dari satu tuas menjadi gaya masukan dari tuas berikutnya, sehingga pada akhirnya memungkinkan terjadinya penggandaan gaya yang luar biasa.
Kunci piano merupakan salah satu contoh hasil luar biasa yang dapat dihasilkan dari mesin bangunan yang memiliki tuas majemuk. Contoh yang lebih mudah untuk divisualisasikan adalah satu set gunting kuku yang khas. Dengan ini, Anda menerapkan kekuatan pada pegangan yang menyatukan dua potong logam berkat sekrup. Pegangan disambungkan ke bagian atas logam dengan sekrup ini, menciptakan satu titik tumpu, dan kedua bagian itu disambungkan oleh titik tumpu kedua di ujung yang berlawanan.
Perhatikan bahwa ketika Anda menerapkan kekuatan ke pegangan, itu bergerak lebih jauh (jika hanya satu inci atau lebih) daripada dua ujung clipper yang tajam, yang hanya perlu bergerak beberapa milimeter untuk saling berdekatan dan melakukannya pekerjaan. Kekuatan yang Anda terapkan mudah dikalikan berkat dr menjadi sangat kecil.
Perhitungan Kekuatan Lengan Tuas
Sebuah gaya 50 newton (N) diterapkan searah jarum jam pada jarak 4 meter (m) dari titik tumpu. Berapa gaya yang harus diberikan pada jarak 100 m pada sisi lain titik tumpu untuk menyeimbangkan beban ini?
Di sini, tetapkan variabel dan atur proporsi sederhana. F1= 50 N, x1 = 4 m dan x2 = 100m
Anda tahu bahwa F1x1 = F2x2, jadi
x_2=\frac{f_1x_1}{F_2}=\frac{50\times 4}{100}=2\text{ N}
Jadi hanya diperlukan gaya kecil untuk mengimbangi beban resistensi, selama Anda bersedia berdiri sejauh lapangan sepak bola untuk menyelesaikannya!