pesawat sederhana

Untuk memudahkan pekerjaan-pekerjaan berat, manusia biasanya menggunakan alat bantu. Alat-alat bantu yang memudahkan pekerjaan manusia disebut pesawat. Berdasarkan definisinya tersebut pesawat banyak ragamnya, mulai dari yang  sangat sederhana sampai yang sangat rumit.mulai dari yang menggunakan teknologi sederhana hingga yang menggunakan teknologi tinggi.pesawat terbang adalah salah satu contoh pesawat yang menggunakan teknologi tinggi. Kalau diamati dengan seksama pesawat rumit sebenarnya merupakan kumpulan dari beberapa pesawat sederhana. Jadi, Pesawat sederhana adalah alat-alat yang digunakan untuk mempermudah pekerjaan manusia.

Ide pertama dari pesawat sederhana berawal dari seorang filsuf Yunani Archimedes sekitar abad ke-3 sebelum masehi. Ia mempelajari 3 pesawat sederhana: katrol, pengungkit, dan sekrup. Ia menemukan rumusan untuk mencari keuntungan mekanik pada pengungkit^. Para ilmuwan Yunani sendiri akhirnya mendefinisikan 5 macam pesawat sederhana (tidak termasuk bidang miring) dan mereka dapat menghitung keuntungan mekanik semua alat-alat tersebut (meski perhitungan untuk baji dan sekrup tidak terlalu akurat dikarenakan gaya gesek yang besar)^. Hero dari Alexandria (sekitar 10–75 AD) dalam karyanya Mechanics mendefinisikan ada 5 pesawat sederhana: pengungkit, kerekan, katrol, baji, dan katrol dan menjelaskan alat-alatnya mengenai cara pembuatan dan kegunaanya. Pesawat sederhana yang akan dibahas yaitu, tuas, katrol dan bidang miring.

1.     TUAS

Mungkin  kita pernah melihat seseorang sedang menggeser batu yang berat. Ternyata batu tersebut tidak bergeser sama sekali. Kemudian, orang otu bergegas mengambil sebatang kayu.ujung kayu ia sisipkan di antara batu dan permukaan tanah. Ia meletakkan batu kecil beberapa cm dari ujung kayu. Ternyata orang itu dapat dengan mudah menggeser batu menggunakan kayu yang ditumpu batu kecil. Kayu yang digunakan untuk memindahkan batu ini disebut tuas atau pengungkit.

Pada  tuas bagian untuk meletakkan beban disebut titik beban, bagian yang diberi penumpu disebut titik tumpu, dan bagian tempat kita memberikan gaya disebut titik kuasa. Jarak antara titik beban dengan dengan titik tumpu disebut lengan beban (l_b). Jarak antara titik kuasa dan titik tumpu disebut lengan kuasa (l_k).

Tuas dapat memperbesar gaya angkat kita. Perbandingan antara beban dengan kuasa (gaya yang dikenakan pada kuasa) disebut keuntungan mekanik (k_m). Jika K_m adalah keuntungan mekanik, F_b adalah berat beban, dan F_k adalah kuasa, maka berlaku:

                                                K_m = F_b / F­_k

_Contoh:

                _Diketahui:  F_b = 100 N

                                      F_k  = 33,3 N

                                      L_b  =  25 cm

                                      L_k  = 75 cm

Jawab:

                                      K_m = F_b / F_k

                                                                  = 100N

                                               33,3N

                                            =  3

Dengan keuntungan mekanik sebesar 3, kita dapat mengangkat beban yang beratnya 3 kali lebih besar dari pada gaya yang kita keluarkan.

             

              Kuasa x lengan kuasa   = 33,3 x 0,75

                                                    = 25 J

             

              Beban x lengan beban   = 100 x 0,25

                                                    = 25 J

            Jadi, pada tuas berlaku hasil kali kuasa dengan lengan kuasa sama dengan hasil kali beban dengan lengan beban. Jika l_k adalah lengan kuasa dan l_b adalah lengan beban, maka berlaku:

                                    l_b x F_b = l_k x F_k

Dari contoh soal diatas  dapat diturunkan:

                                   

                                    F_b / F_k = l_k / l_b

Padahal F_b / F_k adalah keuntungan mekanik.

Jadi, kita dapat mendefinisikan keuntungan mekanik tuas sebagai.

          Keuntungan mekanik tuas adalah perbandingan antara lengan kuasa dengan lengan beban.

                                    K_m = l_k / l_b

            Jika posisi penumpu semakin dekat dengan beban maka semakin kecil kuasa yang diperlukan untuk mengangkat beban. Dengan menggeser penumpu mendekati beban, lengan beban menjadi lebih pendek dan lengan kuasa menjadi lebih panjang. Akibatnya, perbandingan lengan kuasa dan lengan beban menjadi semakin besar. Untuk memperoleh keuntungan mekanik yang besar, kita dapat memperpanjang lengan kuasa atau memperpendek lengan beban.

          Keuntungan mekanik tuas bergantung pada perbandingan panjang lengan beban dan panjang lengan kuasa.

Penggolongan Tuas

          a. Tuas Jenis Pertama

Jenis tuas ini mempunyai ciri titik tumpunya terletak di antara titik gaya (kuasa) dan titik beban.

contoh alat dengan tuas jenis I :

·         Gunting,

·         catut,

·         tang,

·         pemotong kuku,

·         linggis

·         dll

b. Tuas Jenis Kedua

Jenis tuas ini mempunyai ciri titik beban terletak di antara titik gaya (kuasa) dan titik tumpunya.

contoh alat dengan tuas jenis II :

·         pembuka botol,

·         gerobak beroda satu,

·         pemotong kertas, pelubang kertas

·         dll.

c. Tuas Jenis Ketiga

Jenis tuas ini mempunyai ciri titik gaya terletak di antara titik tumpu dan titik beban.

contoh alat dengan tuas jenis III :

·         pinset,

·         pancing,

·         sekop

·         dll

2.     Katrol

         Pesawat sederhana jenis kedua adalah katrol. Pada prinsipnya katrol adalah roda yang memiliki poros (sumbu). Di sekeliling roda dibuat jalur untuk tali atau rantai. Katrol sangat baik digunakan untuk memindahkan beban ke atas/bawah.  Contohnya pada saat kita menimba air di sumur.

         Perhatikan  gambar katrol yang digunakan untuk menimba air sumur. Sebenarnya, prinsip yang digunakan katrol adalah prinsip tuas juga. Pada gambar diatas, A adalah ttik kuasa, B adalah titik tumpu, dan C adalah titik beban. Karena panjang lengan kuasa (AB) sama dengan panjang lengan beban (BC), keuntungan mekanik katrol sama dengan satu. Berarti gaya yang kita berikan untuk mengangkat benda dengan me nggunakan katrol sama dengan berat beban itu sendiri.

         Sifat katrol yang memudahkan kerja manusia adalah katrol dapat merubah arah gaya. Benda yang harus diangkat ke atas dapat ditarik kebawah dengan menggunakan katrol. Dengan memberikan gaya ke Arah bawah, kerja kita terbantu olehh gaya berat tubuh kita yang juga berarah kebawah. Akibatnya, kerja kita terasa lebih ringan.

Katrol dapat dibedakan menjadi katrol tunggal tetap, katrol tunggal bergerak, dan takal (katrol majemuk berganda).

a)      Katrol tunggal tetap

Sumbu katrol ini dibuat tetap pada tempat yang kuat. Karena sumbunya tetap, katrol ini tidak bergerak sehingga dinamakan katrol tetap. Katrol yang di gunakan di sumur termasuk katrol tetap. Telah dibahas sebelumnya bahwa jarak lengan kuasa dan lengan beban katrol sama, l_k = l_b. Keuntungan mekanik katrol tetap adalah

          K_m = l_k / k_b = 1

Beban ditarik melalui tali atau rantai yang dililitkan ke sekeliling katrol. Fungsi katrol ini hanya mengubah arah gaya.

b)     Katrol tunggal bergerak

Katrol ini menggantung pada tali penarik. Beban diikatkan pada sumbu katrol. Titik penumpu berada pada tepi katrol di sebelah beban. Lengan kuasa berada pada tepi katrol yang lainnya. Dengan demikian, jarak lengan kuasa menjadi dua kali jarak lengan beban.

            l_k = 2 x l_b

keuntungan mekanik katrol tunggal bergerak adalah

            K_m  = l_k  / l_b = 2 x l_b / l_b = 2

Ternyata keuntungan mekanik katrol tunggal bergerak adalah 2. Ini berarti, dengan menggunakan katrol bergerak, suatu beban dapat diangkat dengan gaya sebesar setengah beratnya.

c)        Takal (Katrol majemuk/berganda)

Takal / Katrol majemuk atau berganda adalah katrol yang terdiri dari sebuah katrol tetap dan satu atau lebih katrol bergerak. Katrol ini biasanya digunakan untuk mengankat beban yang sangant berat

Keuntungan mekanis (KM) takal = Jumlah katrol

Sistem Katrol

Sistem katrol terdiri dari sejumlah katrol tetap dan katrol bergerak. Katrol tetap berada disisi atas dan katrol bergerak berada di sisi bawah. Katrol tetap gunanya untuk mengubah arah gaya, sedangkan katrol bergerak gunanya untuk meningkatkan keuntungan mekanik.

            Keuntungan mekanik sistem katrol bergantung pada banyak lintasan tali antara katrol tetap dan katrol bergerak. Makin banyak jumlah katrol bergerak  maka makin banyak jumlah lintasan tali, yang berarti keuntungan mekanik makin besar.

            Perhitungan keuntungan mekanik sistem katrol didasarkan pada anggapan bahwa gaya tegang tali (rantai) sama pada seluruh bagian tali. Lilitan tali pada katrol tidak mengubah teganganbagian tali sebelum dan sesudahh lilitan. Pada kenyatannya, tegangan ini sebenarnya berubah.

            Namun, untuk memudahkan kita memahami kerja katrol tersebut kita anggap tegangan tali tidak berubah.

       Keuntungan mekanik katrol didasarkan pada jumlah ruas tali yang menahan beban ke atas.

Contoh analisis:,

       Ada empat ruas tali yang menarik beban ke arah atas, yaitu ruas tali A, tali B, tali C, dan tali D. Masing-masing ruas menanggung beban yang sama, sehingga tegangan masing-masing ruas (sama dengan tegangan tali) adalah seperempat berat beban. Saat ditarik oleh pemakai, gaya yang diberikan hanya seperempat berat beban. Keuntungan mekanik sistem katrol jenis ini adalah 4.

3.     Bidang Miring

       Ketika akan menaikkan beban yang berat ke atas truk, orang sering mengambil papan kayu yang kuat. Papan ini diletakkan membentuk bidang miring antara tanah dan lantai truk. Selanjutnya, orang itu menaikkan benda dengan cara mendorongnya sepanjang bidang miring. Benarkah dengan menggunakan bidang miring, gaya dorong yang dibutuhkan menjadi lebih kecl daripada berat beban?

       Misalkan, tinggi lantai truk adalah 1 m dari tanah. Kita akan mengangkat beban yang beratnya 100 N. Usaha yang kita perlukan adalah 100 J. Kita akan menaikkan beban tersebut menggunakan bidang miring yang dibuat dari papan sepanjang 2m. Berapakah gaya dorong yang diperlukan? Karena berat beban yang akan kita angkat adalah 100 N, usahayang kita lakukan baik secara langsung maupun dengan menggunakan bidang miring besarnya sama, yaitu, 100 J.

      

       Kita tinjau pengangkatan beban melalui bidang miring.

                        Usaha, W= 100 J

                        Jarak, S = 2 m

                        Gaya dorong, F = W = 100  = 50 N

                                                      s       2

       Keuntungan mekaniknya merupakan perbandingan antara beban dan kuasa (kuasa dalam hal ini adalah gaya dorong).

            K_m = ¹⁰⁰  = 2

                ⁵⁰

            Keuntungan mekanik bidang miring adalah perbandingan antara panjang bidang miring dengan tinggi bidang miring.

            Jika h menyatakan tinggi bidang miring dan l menyatakan panjang bidang miring, maka berlaku hubungan berikut.

           

                        K_m = l / h

Keuntungan mekanik makin besar jika bidang miring makin panjang atau posisi bidang makin datar.

       Jika gaya gesekan antara lantai bidang miring dengan benda cukup besar, maka keuntungan mekanik bidang miring lebih kecil dari pada l/h. Namun, agar pembahasan ini lebih mudah kita anggap tidak ada gesekan.

       Prinsip bidangmiring banyak dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari. Beberapa contoh pemanfaatan bidang miring adalah sebagai berikut.

·         Jalan disekitar gunung atau pegunungan dibuat melingkar-lingkar agar kemiringannya tidak terlalu terjal. Dengan demikian, kendaraan akan lebih mudah melewatinya. Jika jalan dibuat lurus dari lembah ke puncak, jalan menjadi sangat curam sehingga membahayakan kendaraan yang melaluinya.

·         Untuk membelah kayu yang besar orang memanfaatkan baji. Bentuk baji yang menggunakan prinsip bidang miring akan memudahkan orang membelah kayu.

·         Di dalam donkrak terdapat uliran yang terbentuk bidang miring uliran ini meringankan kerja ketika dongkrak sedang digunakan.

·         Alur-alur pada sekrup sebenarnya memanfaatkan bidang miring.

4.     Roda Gigi (gir)

       Berbagai pesawat sederhana yang sudah dibahas diatas merupakan pengganda gaya. Namun, ternyata kita juga mempunyai sebuah pesawat sederhana yang dapat menggandakan gerakan. Contohnya pada dua buah gir yang saling bersentuhan, yang satu gir yang berukuran kecil dan yang satu lagi gir yang berukuran besar. Gir kecil harus berputar dua kali agar gir besar dapat menyelesaikan putarannya. Meski demikian, gaya yang dihasilkan gir besar dua kali lipat gaya yang diberikan pada gir kecil.

       Sepeda merupakan salah satu contoh pesawat sederhana yang dapat menggandakan jarak tempuh. Gaya yang diperlukan untuk menggerakkan sepeda sepanjang jalan sebenarnya kecil. Hanya dengan menggerakkan kakinya sedikit, seorang pengendara sepeda dapat memberikan gaya yang cukup besar untuk memutar padal. Usaha ini diubah menjadi gaya untuk membuat sepeda bergerak maju.