Cara Menghitung Gaya Pegas

Jika Anda pernah bermain-main dalam isolasi dengan jenis pegas yang ditemui pada benda dan alat sehari-hari – katakanlah, jenis kecil di dalam bagian bawah bolpoin yang "dapat diklik" – Anda mungkin telah memperhatikan bahwa bolpoin tersebut memiliki sifat umum tertentu yang membedakannya dari bolpoin lainnya. objek.

Salah satunya adalah ia cenderung kembali ke ukuran yang sama setelah Anda meregangkan atau mengompresnya. Sifat lain yang mungkin kurang jelas adalah semakin Anda meregangkan atau mengompresnya, semakin sulit untuk meregangkan atau mengompresnya lebih banyak lagi.

Sifat-sifat ini berlaku sepenuhnya untuk musim semi yang ideal, dan sampai batas tertentu pegas yang digunakan untuk segala macam tujuan di dunia nyata. Kebanyakan objek lain tidak berperilaku seperti ini sama sekali; mereka yang menahan deformasi sepenuhnya biasanya pecah ketika gaya yang diterapkan menjadi cukup kuat, sementara yang lain mungkin meregang atau tertekan tetapi tidak kembali sepenuhnya atau sama sekali ke bentuk aslinya dan ukuran.

Sifat-sifat pegas yang tidak biasa, dikombinasikan dengan kerangka konseptual baru tentang gaya dan gerak yang dikemukakan terutama oleh Galileo Galilei dan Issac Newton, mengarah pada penemuan hukum Hooke, hubungan sederhana namun elegan yang telah berlaku untuk proses rekayasa dan industri yang tak terhitung jumlahnya di dunia modern.

Musim semi adalah elastis objek, yang berarti memiliki berbagai karakteristik yang dijelaskan pada bagian sebelumnya. Itu berarti tahan terhadap deformasi (peregangan dan kompresi menjadi dua jenis deformasi) dan juga bahwa ia kembali ke dimensi aslinya asalkan gaya tetap dalam elastisitas pegas batas.

Sebelum publikasi hukum Newton, Robert Hooke (1635-1703) menemukan melalui beberapa eksperimen sederhana bahwa jumlah deformasi benda adalah sebanding dengan gaya yang diterapkan untuk mengubah bentuk benda itu, selama mereka memiliki sifat yang disebutnya "elastisitas". Hooke, pada kenyataannya, adalah seorang ilmuwan yang produktif di hampir semua disiplin ilmu yang bisa dibayangkan, bahkan jika dia bukan nama rumah tangga hari ini, sebagian besar karena banyaknya ilmuwan ulung yang beroperasi di seluruh Eropa pada waktunya.

Hukum Hooke sangat mudah untuk ditulis, diingat, dan dikerjakan, suatu kemewahan yang tidak sering diberikan kepada siswa fisika. Dengan kata lain, ia hanya mengatakan bahwa gaya yang diperlukan untuk menjaga pegas (atau benda elastis lainnya) agar tidak berubah bentuk lebih lanjut berbanding lurus dengan jarak benda yang telah berubah bentuk.

F = kx

Sini k disebut konstanta pegas, dan ini berbeda untuk pegas yang berbeda, seperti yang Anda antisipasi. Hukum Hooke, yang dapat Anda anggap sebagai "rumus gaya pegas," berperan dalam berbagai berbagai alat dan aspek kehidupan, seperti busur panahan dan peredam kejut serta bemper pada mobil.

Untuk contoh sederhana, Anda dapat menggunakan kepala Anda sendiri sebagai kalkulator gaya pegas. Misalnya, jika Anda diberi tahu bahwa sebuah pegas memberikan gaya sebesar 1.000 N ketika ditarik sejauh 2 m, Anda dapat membaginya untuk mendapatkan konstanta pegas: 1.000/2 = 500 N/m.

Ingatlah bahwa meskipun orang mungkin menganggap pegas lebih sebagai "dapat diregangkan" daripada "dapat ditekan", jika pegas dibangun dengan benar (yaitu, memiliki cukup ruang antara kumparan yang berurutan), dapat dikompresi secara signifikan serta diregangkan, dan hukum Hooke berlaku di kedua arah deformasi.

Bayangkan sebuah sistem dengan balok duduk di permukaan tanpa gesekan dan dihubungkan ke dinding oleh pegas yang berada dalam kesetimbangan, yang berarti tidak dimampatkan atau diregangkan. Jika Anda menarik balok dari dinding dan melepaskannya, menurut Anda apa yang akan terjadi?
Pada saat Anda melepaskan blok, sebuah kekuatan F, sesuai dengan hukum kedua Newton (F = ma), bertindak untuk mempercepat balok menuju titik awalnya. Jadi untuk hukum Hooke dalam situasi ini:

F = -kx = ma

Dari sini dimungkinkan, menggunakan k dan saya, untuk memprediksi perilaku matematis dari osilasi, yang sifatnya seperti gelombang. Balok berada paling cepat pada saat melewati titik awalnya di kedua arah dan, lebih jelas, paling lambat (0) ketika berbalik arah.

• Teori vs. realitas: Apa yang terjadi dalam situasi imajiner ini adalah bahwa balok melewati titik awalnya dan berosilasi bolak-balik melintasi titik awalnya, menjadi dikompresi dengan jarak yang sama pertama kali direntangkan di setiap perjalanan ke dinding dan kemudian diperbesar kembali ke tempat Anda menariknya, dalam waktu yang tidak pernah berakhir siklus. Di dunia nyata, pegas tidak akan ideal dan materialnya pada akhirnya akan kehilangan elastisitasnya, tetapi yang lebih penting, gesekan pada kenyataannya tidak dapat dihindari; gayanya segera mengurangi besarnya osilasi, dan balok kembali diam.

Anda telah melihat bahwa pegas memiliki sifat bawaan, atau bawaan, yang dapat dimanfaatkan untuk melakukan pekerjaan dengan cara yang, katakanlah, permen karet atau bantalan bola tidak bisa. Akibatnya, pegas dapat digambarkan tidak hanya dalam hal gaya tetapi juga energi. (Usaha memiliki satuan dasar yang sama dengan energi: newton-meter atau N⋅m),

Untuk merusak pegas, Anda atau sesuatu yang lain harus mengerjakannya. Energi yang Anda berikan menggunakan lengan Anda "ditransfer" menjadi energi potensial elastis saat pegas dipegang meregang. Ini dianalogikan dengan benda di atas tanah yang memiliki energi potensial gravitasi, dan nilainya adalah:

E_P = (1/2)kx²

Katakanlah Anda menggunakan pegas terkompresi untuk meluncurkan objek di sepanjang permukaan tanpa gesekan. Energi dalam situasi ideal ini telah "diubah" seluruhnya menjadi energi kinetik pada saat benda meninggalkan pegas, di mana:

E_K = (1/2)mv²

Jadi, jika Anda mengetahui massa benda, Anda dapat menggunakan aljabar untuk menyelesaikan kecepatan v dengan mengatur E_P (awal) ke E_K di "peluncuran."