Perhatikan gambar di bawah!
Sumber gbr: riauin.com
Menurut kamu, mengapa orang tersebut menggunakan gerobak dorong untuk memindahkan tanah? Tentu saja untuk mempermudah usahanya dalam memindahkan tanah tersebut. Setiap hari, kamu pasti selalu melakukan usaha. Ada yang mudah dan ada pula yang sulit. Oleh karena itu, kamu kadang-kadang memerlukan suatu alat sederhana yang dapat membantumu melakukan usaha tersebut. Alat itu disebut pesawat sederhana. Misalnya, saat kamu akan menancapkan paku pada kayu, tentu akan sulit tanpa palu. Contoh lainnya, untuk memindahkan beban berat ke tempat yang lebih tinggi, kamu menggunakan pesawat sederhana yang bernama katrol.
Pada prinsipnya, pesawat sederhana adalah alat untuk memudahkan melakukan usaha, dengan besar usaha yang dilakukan tetap. Prinsip kerja pesawat sederhana dikelompokkan menjadi beberapa bagian, diantaranya tuas, bidang miring katrol, dan roda berporos.
1. Tuas atau Pengungkit
Pernahkah kamu melihat tukang batu memindahkan batu besar? Untuk memudahkan tugasnya, ia menggunakan linggis atau tongkat dari besi sebagai pengungkit. Cara memindahkan batu tersebut adalah dengan meletakkan tumpuan pada linggis di antara batu dan gaya kuasa, seperti pada gambar berikut.
Berat beban yang akan diangkat disebut gaya beban (Fb) dan gaya yang digunakan untuk mengangkat batu atau beban disebut gaya kuasa (Fk). Jarak antara penumpu dengan beban disebut lengan beban (lb) dan jarak antara penumpu dengan kuasa disebut lengan kuasa (lk).
Hubungan antara besaran-besaran tersebut menunjukkan bahwa perkalian gaya kuasa dan lengan kuasa (Fklk) sama dengan gaya beban dikalikan dengan lengan beban (Fblb). Artinya, besar usaha yang dilakukan kuasa sama dengan besar usaha yang dilakukan beban. Secara metematis dituliskan.
Fklk = Fblb
Dengan:
Fk = gaya kuasa (N)
Fb = gaya beban (N)
lk = lengan kuasa (m)
lb = lengan beban (m)
Perbandingan antara gaya beban (Fb) dengan gaya kuasa (Fk) sama dengan perbandingan lengan kuasa (lk) dan lengan beban (lb) disebut keuntungan mekanis. Semakin Panjang lengan kuasa (lk), semakin besar keuntungan mekanis sehingga usaha semakin mudah dilakukan. Secara matematis dituliskan sebagai berikut.
Contoh soal:
Sebuah pengungkit dengan panjang 3 m digunakan untuk mengangkat sebuah batu yang beratnya 2.000 N. Jika Panjang lengan kuasa 2,5 m, hitunglah:
a. Gaya kuasa yang harus diberikan untuk mengangkat batu.
b. Keuntungan mekanis tuas.
Penyelesaian:
Dik:
l = 3 m
lk = 2,5 m
lb = 3 – 2,5 = 0,5 m
Fb = 2.000 N
Dit:
a. Fk = … ?
b. KM = … ?
Jawab
Berdasarkan letak titik tumpunya, tuas atau pengungkit dibedakan menjadi tiga golongan, yaitu tuas golongan pertama, tuas golongan kedua, dan tuas golongan ketiga.
- Tuas golongan pertama, titik tumpu berada di antara titik beban dan titim kuasa. Contohnya gunting, tang, jungkat-jungkit, gunting kuku, linggis, dan timbangan.
- Tuas golongan kedua, titik beban di antara titik tumpu dan titik kuasa. Letak titik beban lebih dekat ke titik tumpu daripada ke titik kuasa. Contohnya gerobak beroda satu, pemotong kertas, pembuka tutup botol, pelubang kertas, dan pemecah kemiri.
- Tuas golongan ketiga, titik kuasa di antara titik tumpu dan titik beban. Jarak titik kuasa ke titik tumpu lebih dekat daripada ke titik beban. Contohnya lengan, alat pemancing, sekop, penjepit roti, pinset, dan stapler.
2. Bidang Miring
Pada umumnya, gedung-gedung bertingkat dilengkapi dengan tangga darurat. Di rumah atau di sekolah kamu mungkin juga terdapat tangga. Tangga tersebut dibuat dengan kemiringan tertentu. Tahukah kamu, tangga menggunakan prinsip pesawat sederhana, yaitu bidang miring.
Bidang miring merupakan bidang datar yang diletakkan miring atau membentuk sudut tertentu sehingga dapat memperkecil gaya kuasa. Contoh penerapan bidang miring adalah tangga, pisau, sekrup, gergaji, baji, paku, kapak, lereng gunung, dan jalan di daerah pengunungan.
Keuntungan mekanis bidang miring bergantung pada panjang landasan bidang miring dan tingginya. Semakin tinggi bidang miring, semakin besar gaya kuasanya sehingga keuntungan mekanisnya semakin kecil. Secara matematis, keuntungan mekanis bidang miring dituliskan sebagai berikut.
Dengan
Fb = gaya beban (N)
Fk = gaya kuasa (N)
l = Panjang bidang miring (m)
h = tinggi bidang miring (m)
Contoh Soal
Sebuah peti harus dinaikkan ke atas truk.
Agar lebih ringan, digunakan bidang miring yang licin dan panjangya 4 m. Jika tinggi truk 1 m dan berat peti 600 N, hitunglah:
a. Gaya kuasa yang diperlukan untuk mengangkat peti tersebut.
b. Keuntungan mekanis bidang miring tersebut.
Penyelesaian:
Dik:
l = 4 m
h = 1 ,
Fb = 600 N
Dit:
a. Fk = … ?
b. KM = … ?
Jawab:
3. Katrol
Pernahkah kamu melihat orang menimba air disumur menggunakan katrol?
Katrol merupakan pesawat sederhana berupa roda yang sekelilingnya dapat dilalui tali atau rantai. Roda tersebut berputar pada sebuah sumbu yang dipasang pada sebuah kerangka. Mengangkat benda ke atas dengan menggunakan katrol akan lebih mudah. Dengan katrol, arah gaya dapat diubah yaitu dari gaya angkat ke atas oleh tangan menjadi gaya tarik ke bawah oleh katrol.
Katrol dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu katrol tetap, katrol bergerak, dan katrol berganda.
a. Katrol Tetap
Prinsip katrol tetap sama dengan tuas golongan pertama, yaitu titik tumpu terletak di antara titik kuasa dan titik beban. Pada katrol tetap Panjang lengan beban sama dengan Panjang lengan kuasa, sehingga diperoleh persamaan berikut.
Hal ini berarti tidak diperoleh keuntungan mekanis, tetapi diperoleh keuntungan arah saja, yaitu mengubah gaya angkat menjadi gaya tarik. Katrol tetap sering digunakan pada sumur, timba, dan tiang bendera.
b. Katrol Bergerak
Katrol bergerak adalah katrol yang dapat bergerak bebas saat katrol dipakai. Katrol bergerak memiliki prinsip kerja yang sama dengan tuas golongan kedua, yaitu titik beban berada di antara titik tumpu dan titik kuasa. Pada katrol bergerak panjang lengan kuasa sama dengan dua kali panjang lengan beban sehingga diperoleh persamaan berikut.
karena lk = 2lb, maka
Adapun gaya kuasa yang harus dilakukan untuk mengangkat beban adalah
Fk . lk = Fb . lb
Fk . (2lb) = Fb . lb
Fk = ½ Fb
c. Katrol Majemuk atau Katrol Berganda
Seiring dengan kemajuan teknologi, orang menginginkan agar dapat mengankat beban yang berat, cukup dengan gaya yang seminimal mungkin. Untuk memperoleh semakin banyak keuntungan mekanis, beberapa katrol tetap digabung dengan katrol bergerak yang disebut dengan katrol majemuk.
Keuntungan mekanis katrol majemuk bergantung pada banyaknya tali yang dipergunakan untuk menangakat beban.
KM = jumlah tali (n)
Pada gambar di atas, kamu dapat melihat empat tali yang digunakan untuk mengangkat beban. Jadi keuntungan mekanisnya sama dengan 4. Jika kamu akan mengangkat beban 200 N, cukup dengan gaya 50 N saja benda sudah terangkat.
4. Roda Berporos
Kamu tentunya sudah tidak asing lagi dengan sepeda, bahkan Sebagian besar di antara kamu pasti pernah menggunakannya. Roda gigi (gear) dan ban pada sepeda adalah salah satu contoh pesawat sederhana yang tergolong roda berporos. Roda gigi berfungsi sebagai pusat pengatur gerak roda sepeda yang terhubung langsung dengan roda sepeda, sedangkan roda sepeda menerapkan prinsip roda berporos untuk mempercepat gaya saat melakukan perjalanan. Selain roda sepeda, contoh penerapan roda berporos adalah pada kursi roda, mobil, dan sepatu roda.