Laporan Gerak Menggelinding Fisika Dasar

Pada kesempatan kali ini kami ingin berbagi laporan gerak menggelinding. Buat teman-teman yang butuh bisa menjadikan laporan ini sebagai referensi.

LAPORAN GERAK MENGGELINDING

Ahmad Risal Patappa*), Hasmiana, Musdalifah Ramli

Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika FMIPA
Universitas Negeri Makassar

Abstrak. Kali ini, telah dilakukan praktikum gerak menggelinding dengan tujuan agar praktikan dapat menjelaskan konsep-konsep Fisika apa saja yang digunakan dalam membahas gerak menggelinding dan juga dapat menentukan momen inersianya. Pada kegiatan kali ini peraktikan akan mencoba menentukan momen inersia dari silinder dan bola. Adapun alat dan bahan yang digunakan dalam praktikum kali ini adalah silinder pejal dan berongga, bola pejal, landasan (bidang miring), stopwatch, mistar (meteran), jangka sorong serta Neraca Ohaus. Praktikum yang dilakukan berupa mengukur panjang lintasan bidang miring serta ketinggiannya jangan lupa untuk mengukur massa serta diameter benda yang akan digunakan. Kegiatan intinya ialah meletakkan benda diposisi kesetimbangan benda dengan bidang miring kemudian dilepaskan sambil menghitung waktu yang digunakan benda untuk sampai diujung lintasan yang juga harus setimbang dengn benda.Lakukan beberap kali agar hasil yang didapatkan itu akurat.Selanjutnya ubah ketinggian intasan dan kembali melakukan pengukuran. Dari proses percobaan kali ini, dapat disimpulkan bahwa semakin besar massadan tinggi lintasan suatu benda maka semakin kecil pula waktu yang dibutuhkan untuk menggelinding.

Kata Kunci:momen inersia, silinder pejal, silinder berongga, bola 1 dan 2

Rumusan Masalah

1. Apa sajakah konsep-konsep fisika yang digunakan pada gerak menggelinding?
2. Bagaimana menetukan momen inersia dari silnder dan bola?

Tujuan

1. Mahasiswa mampu mengetahui serta menjelaskan konsep konsep fisika dalam penerapan gerak menggelinding
2. Mahasiswa mampu menentukan momen inersia dari silinder dan bola

Teori Dasar

Gerak menggelinding (rolling) merupakan kombinasi antara gerak rotasi dengan gerak translasi. Selama bergerak pada permukaan, benda akan berotasi dan sekaligus bergerak dengan translasi. Pembahasan gerak menggelinding dapat digunakan dengan dua cara yaitu dengan teori prinsip dinamika dan teori prinsip energy.

Gerak Menggelinding Cara Dinamika

Jika sebuah roda bergerak ke kanan dengan kecepatan linear V pada permukaan mendatar tanpa mengalami slip. Sehingga roda bererak kekanan sambil berputar dengan kecepatan aguler ω. Bila roda bergerak kekanan sehingga membuat satu putaran, maka sumbunya telah bergerak sejauh sama dengan keliling roda tersebut, besarnya:

\theta =2\pi
x=2\pi R
x=R\theta

Bila roda menggelinding denga kecepatan sudut tetap (ω) dan bergerak kekanan dengan kecepatan linear tetap (v) dan selang waktu yang dibutuhkan untuk satu putaran adalah t, maka besarnya;

\theta =\omega t=2\pi
x=vt=2\pi R
v=\omega R

Bila silinder bergerak dari keadaan diam dan menggeliding dengna percepatan sudut tetap (α) dan percepatan liner tetap pula (a) dan selang waktunya utuk satu kali putaran t, maka beasarnya;

\theta =\frac { 1 }{ 2 } \alpha { t }^{ 2 }=2\pi
x=\frac { 1 }{ 2 } \alpha { t }^{ 2 }=2\pi R
a=\alpha R

Jika sebuah benda kaku berotasi terhadap suatu sumbu tetap denga kelajuan sudut ω, energy kinetic rotasinya dapat dituliskan,

{ K }_{ R }=\frac { 1 }{ 2 } I{ \omega }^{ 2 }

Dimana I adalah momen inersia terhadap sumbu rotasi. Momen inersia benda kaku dapat diperoleh melalui persamaan;

I=\int { { r }^{ 2 } } dm

Dimana r adalah jarak dari elemen massa dm ke sumbu rotasi. Jika sebuah benda kaku yang berotasi bebas terhadp sumbu tetap memiliki torsi luar yang bekerja padanya, maka benda tersebut mengalami percepatan sudut α, dengan

\sum { \tau } =I\alpha

Dimana beasr torsi yang berkaitan dengan gayaFyang bekerja adalah

\tau =Fd

Dengan mengukur tinggi bidang miring (h), panjang bidang miring x, dan waktu tempuh (t) benda dari puncak ke dasar bidang miring, nilai konstanta c dapat dihitung. Maka nilai momen inersia benda ialah

I=\left( \frac { gh }{ 2{ x }^{ 2 } } { t }^{ 2 }-1 \right) m{ R }^{ 2 }

Gerak Menggelinding Cara Energi

Prinsip kekekalan enrgi akan mendasari setiap penyelesaian masalah yang berkaitan dengan gerak menggelinding. Benda yang bergerak menggelinding mempunyai kombinasi gerak rotasi gerak translasi.Sehingga energinya juga terbagi menjadi energy kinetic translasi dengan energy rotasi.

{ E }_{ k }={ E }_{ k\quad Translasi }+{ R }_{ k\quad Rotasi }

=\frac { 1 }{ 2 } m{ v }^{ 2 }+\frac { 1 }{ 2 } { I }_{ 0 }{ \omega }^{ 2 }

Misal sebuah roda bergerak menggelinding menuruni bidang miring, tanpa slip seperti pada gambar.Roda dalam keasaan diam sehingga energinya hanya berbentuk energy potensial.Pada saat bergerak turun energy kinetic translasi dan energy rotasi dari roda.

{ E }_{ 1 }={ E }_{ 2 }

mg{ h }_{ 1 }+\frac { 1 }{ 2 } m{ v }_{ 1 }^{ 2 }+\frac { 1 }{ 2 } { I }_{ 0 }{ \omega }^{ 2 }=mg{ h }_{ 2 }+\frac { 1 }{ 2 } m{ { v }_{ 2 }^{ 2 } }+\frac { 1 }{ 2 } { I }_{ 0 }{ \omega }^{ 2 }

mg\sin { \theta } +0+0=0+\frac { 1 }{ 2 } m{ v }_{ 2 }^{ 2 }+\frac { 1 }{ 2 } { I }_{ 0 }{ \omega }^{ 2 }

m.g.x\sin { \theta } =\frac { 1 }{ 2 } m{ v }_{ 2 }^{ 2 }+\frac { 1 }{ 2 } .\frac { 1 }{ 2 } m{ R }^{ 2 }+\frac { { v }_{ 2 }^{ 2 } }{ { R }^{ 2 } }

g.x\sin { \theta } =\frac { 3 }{ 4 } { v }_{ 2 }^{ 2 }

{ v }_{ 2 }^{ 2 }=\frac { 4 }{ 3 } g.x\sin { \theta }

Pada gerak dengan percepatan konstan;

{ v }_{ 2 }^{ 2 }={ v }_{ 1 }^{ 2 }+2ax

=0+2x

Maka,

\frac { 4 }{ 3 } g.x\sin { \theta } =2ax

a=\frac { 2 }{ 3 } g\sin { \theta }

Metode Eksperimen

Praktikum gerak menggelinding meliputi alat dan bahannya berupa bidang miring atau penggabungan antara papan yang datar dengan beberapa buah balok sebagai variable yang dapat diubah ubah. Kemudian mistar namun, alngkah lebih baiknya jika menggunakan meteran, berguna untuk mengukur panjang lintasan bidang miring serta ketinggian dari bidang miring tersebut.

Adapula benda yang akan digelindingkan, yaitu silinder pejal dan silinder berongga serta 2 buah bola pejal dengan massa yang berbeda, sebut saja bola pejal satu dan bola pejal 2. Untuk membedakan bola pejal yang mana lebih berat, maka gunakan neraca ohauss 311 gram untuk menimbang massa benda. Begitupun dengan silinder pejal dan silinder berongga. Ditimbang agar massa yang dimilik benda tersebut dapat diketahui.

Sediakan pula stopwatch untuk menghitung selang waktu yang digunakan benda untuk bergelinding dari ujung atsa bidang miring hingga samapai ke ujung bawah bidang miring, dengan catatan bahwa benda yang akan digelindingkan, pusat massanya harus sejajar dengan ujung atas ataupun bwaha bidang miring tersebut, sebagai patokan yang tetap. Adapun alat yang digunakan agar kita dapat mengetahui dimana letak titik tengah benda atau dengan kata lain yaitu jari jari benda dengan mengukur diameternya menggunakan jangka sorong.

Khusus untuk silindr berongga, alangkah baiknya jika dihitung pula besar diameter dalamnya.Walaupun dalam praktikum ini, diameter yang digunakan merupakan diameter luar benda tersebut. Setelah mengukur massa dan diameter benda, saat melakukan praktikum intinya, yaitu, menggelinding benda dengan ketinggian yang berbeda beda. Dimana ketinggiannya diubah ubah sebanyak 5 kali.Hampir lupa, sebelum menggelindingkan benda, pastikan dulu besar ketinggian bidang miring pertama, kedua, ketiga, keempat dan kelima.

Setelah memastikan ketinggian tersebut barulah menggelindingkan benda pertama dengan ketinggian pertama. Serambi saat benda akan digelindingkan stopwatch siap siap diaktivkan untuk menghitung lama waktu benda bergelinding. Setelah benda pertama tiba diujung bawah bidang miring, catat lama waktu yang digunakan benda untuk bergelinding hingga kebawah kedalam table ataupun catatan yang telah tersedia dimasing masing kelompok.Lanjutkan, praktikum dengan benda kedua.

Diketinggian yang sama dan dengan cara yang sama pula. Hingga benda keempat dengan cara yang sama dan diketinggian yang sama. Selanjtnya dengan cara yang sama, ganti ketinggia bidang miring dengan ketinggian kedua yang telah ditentukan sebelumnya. Dan kembali dihitung lama waktu yang diperlukan benda dalam bergelinding samapi pada benda keempat. Kegiatan ini terus berulang hingga diketinggian kelima dan dengan cara yang sama pula. Hal yang paling penting adalah, jangan lupa mencatat hasil yang telah diperoleh kedalam tabel yang telah dibuat sebelumnya.

Alat & Bahan

Alat

1. Neraca Ohaus 311g: 1 buah
2. Jangka Sorong: 1 buah
3. Meteran: I buah
4. Stopwatch: 1 buah
5. Papan Landasan: 1 buah
6. Balok (Pengatur Ketinggian: 1 buah

Bahan

1. Bola Pejal: 1 buah
2. Silinder Pejal: 1 buah
3. Silinder berongga: 1 buah

Identifikasi Variabel

1. VariabelManipulasi: massa benda (gram)
2. VariabelRespon: waktu (s)
3. VariabelKontrol: tinggi bidang miring (cm)

Definisi Operasional Variabel

1. Massa bendaadalah berat benda yang diukur dengan menggunakan neraca Ohauss 311 gram, dan memiliki satuan ukur (kg)
2. Waktu adalah ukuran waktu yang digunakan dalam setiap benda bereglinding dari ujung atas lintasan hingga tiba diujung bawah lintasan dan memilik satuan ukur (s)
3. Tinggi bidang miring adalah ukuran tinggi bidang miring yang diubah ubah setelah pengukuran setiap beban.

Prosedur Kerja

1. Pertama-tama siapkan alat dan bahan.Kemudian,menimbang massa bola pejal 1, bola pejal 2, silinder pejal dan silinder berongga dengan menggunakan neraca ohauss 311 gram.Namun, sebelum menimbang beban, pastikan Neraca Ohaus telah terkalibrasi.
2. Lalu, mengukur diameter setiap benda tadi dengan menggunakan jangka sorong. Setelah itu, ukur panjang lintasan bidang miring. Ukur tinggi bidang 5 kali dengan tinggi yang berbeda-beda.
3. Masuk kekegiatan inti, yaitu letakkan silinder pejal tepat di atas ujung bidang miring dengan memposisikan titik pusat silinder sejajar dengan ujung bidang miring. Lepaskan silinder pejal. Tepat saat melepaskan silinder pejal, stopwatch diaktivkan. Atau dengan kata lain ketika silinder pejal dilepaskan aktifkan stopwatch untuk menghitung berapa lama waktu yang dibutuhkan silinder pejal bergelinding di bidang miring dengan tinggi lintasan pertama.
4. Dilanjutkan lagi meghitung lawa waktu yang diperlukan oleh silinder berongga dengan cara yang sama oleh silinder peal di ketinggian pertama. Kegiatan ini dilakukan sama dengan bola pejal satu dan bola pejal dua. Setelah mengukur semua lama waktu yang diperlukan benda untuk bergelinding pada bidang miring dengan ketinggian pertama, lanjutkan lagi dengan mengubah ketinggian bidang miring dengan ketinggian kedua, dengan tujuan yang sama pada di ketinggian pertama hingga mebggantian ketinggian dengan ketinggian kelima. Namun tetap, dengan cara yang sama dan tjuan yang sama. Dan jangan lupa untuk selalu mencatat data yang diperoleh dari ekperimen tadi.

Hasil Eksperimen dan Analisis Data

Hasil Pengamatan

Tabel Hasil Pengamatan

Tabel 1 Momen Inersia Benda Tegar

Analisis Data

Untuk bagian analisis data silahkan klik link dibawah 

Pembahasan

Dalam praktikum ini telah dilakukan percobaan dimana ketinggian, massa benda, dan waktu saling berhubungan. Dengan kata lain ketinggian merupakan variabel control, untuk massa benda merupakan variable manipulasi sedangka waktu merupakan variable respon. Hasil analisis yang kami tidak akurat karena bidang yang digunakan pada saat prkatikum tidak rata.Tepatnya disebelah kanan bidang lebih rendah. Jadi permukaannya condong seperti bergelombang, atau sedikit cekung.Tapi cekung kearah kanan.

Sehingga waktunya juga tidak terbilang konstan apabila benda bergelinding. Masalah tambahan adalah alat pengukur waktu( stopwatch) kurang baik, luas permukaannya berbeda. Bila bertemu dengan bidang yang sama dengan permukaan bidang yang berbeda maka gerak menggelinding itu berbeda. Misalnya saja gerak menggelinding yang dialami oleh bola pejal 1 maupun 2 dan silinder berongga.Bola pejal lebih condong bergerak lurus, dimana ini juga diakibatkan karena massanya.Sedangkan silinder berongga lebih condong untuk selalu bergerak kearah kanan yang juga dipengaruhi oleh massanya sendiri.Dengan keadaan seperti itu, maka hasil praktikum yang didapatkan kurang akurat.

Kesimpulan

Ada dua konsep fisika yang digunakan dalam praktikum gerak menggelinding kali ini, yaitu konsep gerak translasi dan konsep gerak rotasi. Penggunaan persamaan I=c\left( m{ R }^{ 2 } \right)  untuk bola pejal,silinder pejal dan khusus silinder berongga I=c\left( m\left( { R }_{ 1 }^{ 2 }-{ R }_{ 2 }^{ 2 } \right) \right) adalah penggunaan jika ditinjau dari ketinggian, waktu rata-rata dan yang lainnya, karena nilai c tersebut adalah c=\frac { gh }{ { 2x }^{ 2 } } { t }^{ 2 }-1 dimana h merupakan ketinggian, g merupakan gaya gravitasi bumi, x merupakan panjang lintasan dan t merupakan perubahan terhadap waktu. Sedangkan dalam teori, digunakan I=m{ R }^{ 2 } dimana nilai konstantanya sudah ditentukan yaitu 1/2 untuk silinder dan 2/5 untuk bola.

Referensi

[1] Herman.2015.Penuntun Pratikum Fisika Dasar.Makassar:Unit Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika UNM.
[2] Halliday, David dan Resnick, Robert. 1999. Fisika Jilid 1 Edisi ketiga (Terjemahan). Jakarta: Erlangga.
[3] Tipler, Paul A. 2001. Fisika untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga Jilid 1 (Terjemahan). Jakarta: Erlangga.