Mengapa Roda Berputar Ketika Dimiringkan, Badan Ikut Memutar?

Menurut Eva :

Apabila sebuah roda sedang berputar dalam kondisi vertikal dan porosnya diganggu (miring ke kanan/ kiri) maka akan terjadi perubahan arah tubuh. Jika dimiringkan ke kanan, maka tubuh juga akan ikut ke kanan. Jika dimiringkan ke kiri, tubuh juga akan ikut ke kiri.

Badan kita dapat memutar karena adanya efek gaya giroskopis. Prinsip kerja gaya ini, pada dasarnya merupakan prinsip kekekalan momentum sudut. Satu dari beberapa hukum dasar mengenai kekekalan energi. Jika suatu roda berputar, maka ia mempunyai vektor arah dan kecepatan. Sekali ia berputar, maka gangguan dari luar hanya akan mempengaruhi sementara, lalu roda menyeimbangkan dirinya kembali.

Contohnya pada motor. Jika seseorang duduk pada motor yang diam, kemungkinan besar seseorang akan terjatuh. Lain halnya jika motor berjalan. Motor memiliki momen yang diberikan oleh roda. Sekarang jika seseorang membonceng teman, dan teman menggoyangkan diri ke kiri dan ke kanan (momen gangguan), maka sekalipun dibiarkan akan ada (efek) momen ketiga yang menyeimbangkan.

Menurut Joshua :

Badan kita dapat memutar karena adanya efek gaya giroskopis. Prinsip kerja gaya ini, pada dasarnya merupakan prinsip kekekalan momentum sudut. Satu dari beberapa hukum dasar mengenai kekekalan energi. Jika suatu roda berputar, maka ia mempunyai vektor arah dan kecepatan. Sekali ia berputar, maka gangguan dari luar hanya akan mempengaruhi sementara, lalu roda menyeimbangkan dirinya kembali.

Efek gaya giroskop bisa dijelaskan seperti berikut. Jika ada suatu benda memiliki momen pada satu arah tertentu dan ada momen gangguan datang(momen kedua), maka akan muncul (efek) momen ketiga yang akan menyeimbangkan, sehingga benda tetap pada kondisi semula.

Contohnya pada motor. Jika seseorang duduk pada motor yang diam, kemungkinan besar seseorang akan terjatuh. Lain halnya jika motor berjalan. Motor memiliki momen yang diberikan oleh roda. Sekarang jika seseorang membonceng teman, dan teman menggoyangkan diri ke kiri dan ke kanan (momen gangguan), maka sekalipun dibiarkan akan ada (efek) momen ketiga yang menyeimbangkan.

Menurut William :

Apabila sebuah roda sedang berputar dalam kondisi vertikal dan porosnya diganggu (miring ke kanan/ kiri) maka akan terjadi perubahan arah tubuh. Jika dimiringkan ke kanan, maka tubuh juga akan ikut ke kanan. Jika dimiringkan ke kiri, tubuh juga akan ikut ke kiri.

Ada suatu gaya yang bekerja pada saat roda tersebut diputar, namanya gaya giroskopis. Gaya tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut, jika suatu roda berputar, maka ia mempunyai vektor arah dan kecepatan. Sekali ia berputar, maka gangguan dari luar hanya akan mempengaruhi sementara, lalu roda akan menyeimbangkan dirinya kembali. Roda yang berputar akan berusaha untuk tetap mengarah pada arah yang ditentukan sehingga perputaran tetap seimbang.

Efek dari gaya tersebut bisa dijelaskan seperti berikut. Jika ada suatu benda memiliki momen gaya pada satu arah tertentu dan ada momen gaya gangguan datang (momen kedua), maka akan muncul (efek) momen gaya ketiga yang akan menyeimbangkan, sehingga benda tetap pada kondisi semula. Contohnya pada saat naik sepeda. Jika seseorang duduk pada sepeda yang diam, orang pasti akan terjatuh. Lain halnya jika sepeda berjalan. Sepeda memiliki momen gaya yang diberikan oleh roda. Sekarang jika seseorang mengalami momen gaya gangguan (momen kedua), seperti terkena angin yang keras atau saat membonceng mengalami guncangan, maka sekalipun dibiarkan akan ada (efek) momen gaya ketiga yang menyeimbangkan.

Hal ini sesuai dengan hukum kesetimbangan benda tegar, yaitu keadaan benda stabil (∑ F=0 / ∑ T=0) tetapi jika diganggu dengan diberikan suatu gaya, akan menjadi tidak stabil dan akan berusaha mengembalikan posisi stabilnya.

Perencanaan Pembuatan Roket Sembur

A. Tujuan

Tujuan dari pembuatan roket ini adalah sebagai bentuk aplikasi dari HKM (Hukum Kekekalan Momentum)

B. Bahan-bahan

1. Tabung redoxon dengan penutup

2. Tablet redoxon

3. Serbuk adem sari

4. Soda abu atau soda kue

5. Air biasa atau air soda

C. Prinip Kerja

Roket ini akan bekerja dengan menggunakan sistem sembur. Pada sistem ini, roket akan terlempar karena semburan hasil reaksi bahan kimia berupa campuran tablet redoxon, serbuk adem sari, soda kue, dan air soda yang berada dalam badan roket. Reaksi kimia yang terjadi di dalam badan roket akan menghasilkan tekanan yang tinggi di dalamnya sehingga terlepas dari tutup botol (badan) roket tersebut dan bergerak ke atas.

D. Cara Pembuatan

- Menyiapkan semua bahan yang dibutuhkan untuk pembuatan roket

- Memecahkan beberapa tablet redoxon dan memasukannya ke dalam tabung redoxon

- Menambahkan serbuk adem sari dan soda kue ke dalam tabung redoxon

- Menuangkan air soda ke dalam tabung dan menutup rapat tabung redoxon

- Meletakkan tabung redoxon dalam posisi terbalik dengan cepat

- Menunggu sampai tutup tabung redoxon meledak/menyembur

E. Hasil Proyek Roket
1. Foto Roket yang Diuji

2. Video Penerbangan Roket

Usaha dan Energi

A. Usaha (W)

Usaha adalah hasil komponen gaya yang segaris dengan perpindahan (F_x) dengan besar perpindahannya (∆_x). Karena segaris, maka usaha dapat dirumuskan sebagai berikut:

W = F_x ∆_x

Ini adalah rumus umum pada kondisi gaya yang bekerja segaris dengan perpindahannya. Akan tetapi, tidak selalu gaya yang bekerja pada suatu benda segaris dengan arah perpindahannya. Usaha yang dibentuk suatu benda dapat terbentuk karena adanya suatu sudut (θ) di antara gaya dan perpindahan. Oleh karena itu akan muncul rumus usaha yang lain yaitu: 

W = F_x ∆_x cos θ

Keterangan :

W : Usaha (J atau Joule)

F_{x :} Gaya terhadap sumbu x

∆_{x :} Perpindahan terhadap sumbu x

θ : Besar sudut

Contoh soal :

Sebuah benda diberi tarikan F = 100 N dengan sudut 60° sejauh 10 m. Tentukan usaha yang telah dilakukan benda itu.

Penyelesaian:
W =  F_x ∆_x cos θ

W = 100 . 10 . cos 60°

W = 100 . 10 . 1/2

W = 500 J

B. Gaya Konservatif

Gaya konservatif merupakan gaya yang tidak bergantung pada jalan atau lintasan yang ditempuh, melainkan hanya bergantung pada posisi awal dan posisi akhir benda. Suatu gaya disebut konservatif jika usaha total yang dilakukan oleh gaya yang bekerja pada benda, selama benda itu dapat berpindah menjauhi posisi semula hingga kembali ke posisi semula kembali, sama dengan nol (0).

Contoh : Gaya gravitas Newton, gaya elastis pegas, dan gaya berat (w).

C. Hubungan Usaha (W), Energi Potensial (Ep), dan Energi Kinetik (Ek)

1. Usaha dalam memindahkan benda secara vertikal
Ketika kita melakukan suatu usaha di mana gaya yang diberikan terhadap benda bekerja dalam posisi vertikal ke atas atau ke bawah, maka energi yang akan bekerja pada saat itu adalah energi potensial (Ep). Kita tentunya masih ingat dengan rumus Ep = mgh. Usaha pada suatu benda apabila dilakukan oleh gaya angkat yang konstan maka akan sama dengan perubahan energi potensial (∆Ep) yang dialami benda itu. Perubahan energi potensial adalah selisih energi potensial akhir (Ep₂) dengan energi potensial awal (Ep₁). Oleh karena itu, rumus W dapat kita tulis sebagai berikut. 

W = F_y ∆_y = ∆Ep = Ep₂ - Ep₁ = mgh₂ - mgh₁ = mg(h₂ - h₁) = w(h₂ - h₁)

Untuk usaha yang dilakukan dari posisi bawah ke atas, usaha yang dihasilkan bernilai positif, sehingga rumusnya adalah: 

W =  ∆Ep = Ep₂ - Ep₁ = mgh₂ - mgh₁ = mg(h₂ - h₁) = w(h₂ - h₁)

Untuk usaha yang dilakukan dari posisi bawah ke atas, usaha yang dihasilkan bernilai negatif, sehingga rumusnya adalah:

W =  ∆Ep = -(Ep₂ - Ep₁) = -(mgh₂ - mgh₁) = -mg(h₂ - h₁) = -w(h₂ - h₁)

Keterangan :

W : Usaha (J atau Joule)
m : Massa (Kg)

g : Percepatan gravitasi bumi (10 m/s²) 

h₁ : Posisi awal (m)
h₂ : Posisi akhir (m)

F_{y :} Gaya terhadap sumbu y (N)

∆_{y :} Perpindahan terhadap sumbu y (m)

Ep₁ : Energi potensial awal

Ep₂ : Energi potensial akhir

∆Ep : Perubahan energi potensial 

Contoh soal : 
Sebuah benda diangkat dengan ketingggian 100 m bermassa 2 Kg dari permukaan tanah. Tentukan usaha yang dilakukan benda itu. 

Penyelesaian:

W =  mg(h₂ - h₁) = 2 . 10 . (100 - 0) = 2000 J

2. Memindahkan benda secara horisontal

Ketika kita melakukan suatu usaha di dalam posisi horisontal, maka energi yang akan bekerja pada saat itu adalah energi kinetik (Ek). Kita tentunya masih ingat dengan rumus Ek = 1/2mv². Usaha pada suatu benda pada sebuah bidang datar akan sama dengan perubahan energi kinetik (∆Ek) yang dialami benda itu. Perubahan energi kinetik adalah selisih energi kinetik akhir (Ek₂) dengan energi kinetik awal (Ek₁). Hal ini tentunya dipengaruhi oleh kecepatan awal (v1) dan kecepatan akhirnya (v2). Oleh karena itu, rumus W dapat kita tulis sebagai berikut.

W = F_x ∆_x = ∆Ek = Ek₂ - Ek₁ = 1/2mv₂² - 1/2mv₁² = 1/2m(v₂² - v₁²)

Keterangan :

W : Usaha (J atau Joule)

m : Massa (Kg)

v₁ : Kecepatan awal (m/s)

v₂ : Kecepatan akhir (m/s)

F_{x :} Gaya terhadap sumbu x (N)

∆_{x :} Perpindahan terhadap sumbu x (m)

Ek₁ : Energi kinetik awal

Ek₂ : Energi kinetik akhir

∆Ek : Perubahan energi kinetik

Contoh soal :

Sebuah benda ditarik dengan gaya F = 20 N dengan percepatan 4 m/s². Apabila benda ditarik dari keadaan diam sejauh x meter sehingga kecepatan akhirnya 10 m/s, tentukan usaha yang dilakukan benda tersebut.

Penyelesaian :

Cari m terlebih dahulu

F = ma

20 = 4m

m = 5 Kg

Selesaikan dengan rumus W = Ek₂ - Ek₁ 

W = Ek₂ - Ek₁ 

W = 1/2m(v²₂ - v²₁)

W = 1/2 . 5 . (10² - 0²)

W = 250 J 

3. Memindahkan benda secara sembarang

Kita masih ingat tentang energi mekanik (Em) dimana rumus energi mekanik itu sendiri adalah

Em = Ep + Ek

Melalui rumus itu kita akan membahas usaha yang dilakukan dengan memindahkan benda secara sembarang.

a.) Tanpa gesekan, sehingga W = 0

W = Em₂  - Em₁

 0 = (Ep₂ + Ek₂) - (Ep₁ + Ek₁)

Ep₁ + Ek₁ = Ep₂ + Ek₂ 

Em₂ = Em₁

 Inilah yang menjadi dasar Hukum Kekekalan Energi Mekanik (HKEM).

b.) Ada gesekan, sehingga berlaku W ≠  Em₂ ≠ Em₁

Keterangan :

W : Usaha (J atau Joule)

Ep₁ : Energi potensial awal

Ep₂ : Energi potensial akhir

Ek₁ : Energi kinetik awal

Ek₂ : Energi kinetik akhir

Em₁ : Energi mekanik awal

Em₂ : Energi mekanik akhir

Contoh soal :
Benda bermassa 5 Kg dilepas dari ketinggian 15 m. Tentukan energi kinetik batu saat di tanah apabila gesekan udara diabaikan.

Penyelesaian :
+ Analisa posisi awal
Batu dilepas dengan kecepatan awal = 0, sehingga Ek₁ = 0 J
Batu dilepas dengan ketinggian 15 m, sehingga Ep₁ = mg₁₂ = 5 . 10 . 15 = 750 J
+ Analisa posisi awal
Batu dilepas dengan ketinggian 0 m, sehingga Ep₂ = 0 J 

+ Selesaikan dengan rumus HKEM 
Ep₁ + Ek₁ = Ep₂ + Ek₂
750 + 0 = 0 + Ek₂
Ek₂ = 750 J

D. Daya (P) 

Daya adalah usaha yang dilakukan suatu benda tiap satuan waktu. Oleh karena itu, rumus dari daya adalah sebagai berikut.

P = W / t

Keterangan:

P : Daya (J/s atau watt)

W : Usaha (J)

t : Waktu (s)

Contoh soal :

Sebuah benda ditarik dengan gaya F = 200 N sejauh 15 m. Apabila setelah dihitung daya yang dihasilkan adalah 1 Kw, tentukan waktu yang ditempuh benda saat ditarik.

Penyelesaian :

P = W / t

P = F_x ∆_x / t

1000 = 200 . 15  /t

5 = 15 / t

t = 3 s