▷ Kekuatan normal: apa itu, rumus, latihan diselesaikan...

Artikel ini menjelaskan apa itu gaya normal dan cara menentukannya tergantung pada jenis masalahnya. Dengan demikian, Anda akan menemukan karakteristik gaya normal dan, sebagai tambahan, Anda akan dapat mempraktikkan gaya jenis ini dengan latihan yang diselesaikan langkah demi langkah.

Apa itu gaya normal?

Dalam fisika, gaya normal adalah gaya yang dilakukan oleh suatu permukaan pada suatu benda yang bertumpu padanya. Oleh karena itu, arah gaya normal tegak lurus permukaan dan arah gaya normal keluar, yaitu permukaan menerapkan gaya normal terhadap benda.

Secara umum, gaya normal berfungsi untuk melawan gaya berat , yaitu tarikan gravitasi bumi pada benda bermassa. Namun, ketika benda bertumpu pada permukaan miring, nilai gaya normal mungkin tidak cukup. Di bawah ini kita akan melihat cara menghitung gaya normal pada bidang miring.

Secara singkat ciri-ciri gaya normal adalah:

Gaya normal merupakan gaya kontak, yaitu gaya yang hanya dapat diterapkan jika dua permukaan bersentuhan.
Arah gaya normal tegak lurus terhadap permukaan tempat benda berada.
Arah gaya normal selalu ke luar, karena permukaanlah yang menerapkan gaya normal pada benda.
Secara umum, besarnya gaya normal setara dengan proyeksi gaya yang dihasilkan pada permukaan penyangga.
Biasanya, gaya normal biasanya dilambangkan dengan simbol N atau F _N.

Cara menghitung gaya normal

Secara umum, untuk menghitung gaya normal, kita harus menerapkan persamaan kesetimbangan, yang menetapkan bahwa suatu benda berada dalam kesetimbangan ketika jumlah gaya vertikal dan jumlah gaya horizontal sama dengan nol.

Dengan menerapkan kondisi kesetimbangan pada soal, kita akan dapat menyelesaikan gaya normal dari persamaan yang diusulkan dan oleh karena itu menentukan nilai gaya normal.

$\begin{array}{c}\displaystyle\sum \vv{F_x}=0\\[2ex]\displaystyle\sum \vv{F_y}=0\end{array}$

Contoh perhitungan gaya normal

Setelah kita mengetahui definisi gaya normal, mari kita lihat contoh konkrit penghitungan gaya normal.

Sebuah benda bermassa 8 kg berada dalam keadaan diam di tanah datar. Berapakah nilai gaya normal yang dilakukan tanah pada benda tersebut?

Pada soal ini, benda berada dalam keadaan diam pada permukaan datar, sehingga gaya yang bekerja padanya hanyalah gaya berat dan gaya normal.

Jadi, agar suatu benda berada dalam kesetimbangan pada permukaan datar, gaya normal (N) dan gaya berat (P) harus sama. Oleh karena itu, garis normal dan berat mempunyai arah yang sama, modulus yang sama, tetapi arahnya berlawanan.

$N=P$

Jadi, untuk menentukan nilai gaya normal, cukup menghitung berat benda, yang setara dengan massanya dikalikan percepatan gravitasi:

$N=P=m\cdot g=8 \cdot 9,81 = 78,48 \ N$

gaya normal pada bidang miring

Pada bagian ini, kita akan memperoleh rumus gaya normal pada bidang miring, karena nilainya berubah bergantung pada apakah permukaannya datar atau miring.

Jadi, gaya-gaya yang bekerja pada benda yang bertumpu pada bidang miring adalah sebagai berikut:

Perhatikan gambar di atas: Jika bidang dimiringkan, akan lebih mudah jika menggunakan arah sejajar bidang (sumbu 1) dan arah tegak lurus bidang (sumbu 2) sebagai sumbunya. Dengan cara ini lebih mudah untuk menyatakan persamaan keseimbangan.

Untuk menghitung gaya normal pada bidang miring, perlu diterapkan kondisi kesetimbangan pada sumbu tegak lurus bidang miring, karena dapat dijamin bahwa benda berada dalam kesetimbangan pada sumbu tersebut tetapi tidak pada sumbu yang sejajar bidang miring. .

$\displaystyle\sum \vv{F_2}=0$

Jadi gaya normal pada bidang miring setara dengan komponen berat sumbu yang tegak lurus bidang:

$N=P_2$

Komponen berat sumbu yang tegak lurus bidang sama dengan rumus berat dikalikan kosinus sudut kemiringan bidang:

$P_2=P\cdot \cos(\alpha)$

$P_2=m\cdot g\cdot \cos(\alpha)$

Singkatnya, rumus gaya normal pada bidang miring menyatakan bahwa gaya normal sama dengan massa benda dikali gravitasi dikali kosinus sudut kemiringan bidang:

gaya normal dan gaya gesek

Pada bagian ini kita akan melihat hubungan antara gaya normal dan gaya gesekan, karena keduanya merupakan dua jenis gaya yang dihubungkan secara matematis. Namun pertama-tama, Anda perlu mengetahui apa itu gaya gesekan.

Gaya gesek (atau gaya gesek) adalah gaya yang terjadi pada saat mencoba menggerakkan suatu benda pada permukaan yang tidak licin. Oleh karena itu, gaya gesekan adalah gaya yang melawan gerak suatu benda.

Gaya gesekan dihitung dari gaya normal. Lebih tepatnya, gaya gesekan sama dengan koefisien gesekan permukaan dikalikan gaya normal.

$F_R=\mu \cdot N$

Emas:

$F_R$

adalah gaya gesekan.
$\mu$

adalah koefisien gesekan.
$N$

adalah resistensi normal.

Menyelesaikan latihan kekuatan normal

Latihan 1

Sebuah benda bermassa 5 kg berada dalam keadaan diam di tanah datar. Jika kemudian benda lain bermassa 3 kg ditambahkan di atas benda pertama, berapakah gaya normal yang dilakukan tanah untuk menopang kedua benda tersebut? Data: g=9,81 m/ ^s2 .

Lihat solusinya

Karena tanah harus menopang kedua benda, gaya normalnya adalah jumlah gaya berat masing-masing benda. Oleh karena itu, pertama-tama kita akan menghitung berat masing-masing benda lalu menjumlahkannya.

Ingatlah bahwa gaya beban dihitung dengan mengalikan massa benda dengan gravitasi.

$P=m\cdot g$

Jadi, kami menghitung berat badan 5 kg:

$P_1=5\cdot 9.81=49.05\N$

Kedua, kita tentukan berat benda kedua yang massanya 3 kg:

$P_2=3\cdot 9.81=29.43\N$

Jadi dengan menerapkan kondisi keseimbangan vertikal, kita memperoleh bahwa gaya normal setara dengan jumlah dua beban:

$\displaystyle\sum \vv{F_y}=0$

$N=P_1+P_2$

Kesimpulannya, nilai gaya normal yang dilakukan oleh tanah adalah:

$N=49,05+29,43=78,48 \ N$

Latihan 2

Seperti terlihat pada gambar berikut, dua buah benda dihubungkan dengan tali dan katrol yang massanya dapat diabaikan. Jika benda 2 bermassa m ₂ =7 kg dan kemiringan lerengnya 50º, hitunglah gaya normal yang dikerjakan oleh bidang miring pada benda bermassa m ₁ sehingga seluruh sistem berada dalam keadaan setimbang. Abaikan kekuatan gesekan selama latihan.

Lihat solusinya

Benda 1 berada pada bidang miring, jadi hal pertama yang harus dilakukan adalah memvektorisasikan gaya beratnya agar mempunyai gaya-gaya pada sumbu lereng:

$P_{1x}=P_1\cdot \text{sin}(\alpha)$

$P_{1y}=P_1\cdot \text{cos}(\alpha)$

Jadi, himpunan gaya yang bekerja pada keseluruhan sistem adalah:

latihan keseimbangan translasi terselesaikan

Rumusan masalah menyatakan bahwa sistem gaya-gaya berada dalam keadaan setimbang, sehingga kedua benda harus berada dalam keadaan setimbang. Dari informasi ini kita dapat mengajukan persamaan kesetimbangan kedua benda:

$1\ \rightarrow \ \begin{cases}P_{1x}=T\\[2ex]P_{1y}=N\end{cases} \qquad\qquad 2 \ \rightarrow \ T=P_2[/latex ] Par conséquent, la composante vectorielle du poids du corps 1 incliné dans le sens de la pente doit être égale au poids de l'objet 2. [latex]P_{1x}=P_2$

$P_1\cdot \text{sin}(\alpha)=P_2$

Dari persamaan sebelumnya, kita dapat menghitung massa benda 1:

$m_1\cdot g \cdot \text{sin}(\alpha) =m_2 \cdot g$

$m_1 \cdot \text{sin}(\alpha) =m_2$

$m_1 \cdot \text{sin}(50\text{º}) =7$

$m_1 =\cfrac{7}{\text{sin}(50\text{º})}$

$m_1=9,14 \ kg$

Sebaliknya, jika kita melihat diagram gaya sistem, kita mengamati bahwa gaya normal harus sama dengan komponen vektor berat benda 1 yang tegak lurus bidang miring.

$P_{1y}=N$

$P_1\cdot \text{cos}(\alpha)=N$

Jadi, dari persamaan ini kita dapat mencari nilai gaya normal:

$\begin{array}{l}N=P_1\cdot \text{cos}(\alpha)\\[3ex]N=m_1 \cdot g\cdot \text{cos}(\alpha)\\[ 3ex]N=9,14 \cdot 9,81 \cdot \text{cos}(50\text{º})\\[3ex]N=\bm{57,63 \ N}\end{array}[/ latex] <div class="wp-block-otfm-box-spoiler-end otfm-sp_end"></div> <h3 class="wp-block-heading"> Exercice 3</h3> <p> Nous plaçons un corps de masse m=2 kg au sommet d’une rampe avec un angle d’inclinaison de 30º. Quel est le coefficient de frottement entre la rampe et le corps si celui-ci est maintenu en équilibre ? Données : g=9,81 m/s <sup>2</sup> </p> <figure class="wp-block-image aligncenter size-full is-resized"><img decoding="async" loading="lazy" src="https://physigeek.com/wp-content/uploads/2023/09/probleme-de-force-normale-et-de-force-de-friction.png" alt="" class="wp-image-4253" width="285" height="176" srcset="https://physigeek.com/wp-content/uploads/2023/09/probleme-de-force-normale-et-de-force-de-friction-300x185.png 300w, https://physigeek.com/wp-content/uploads/2023/09/probleme-de-force-normale-et-de-force-de-friction.png 702w" sizes="(max-width: 300px) 100vw, 300px"></figure> <div class="wp-block-otfm-box-spoiler-start otfm-sp__wrapper otfm-sp__box js-otfm-sp-box__closed otfm-sp__FFF8E1" role="button" tabindex="0" aria-expanded="false" data-otfm-spc="#FFF8E1" style="text-align:center"> <div class="otfm-sp__title"> <strong>Voir la solution</strong></div> </div> <p> Comme dans tout problème de physique portant sur les forces, la première chose à faire est de dessiner le diagramme du corps libre du système. Ainsi, toutes les forces qui agissent dans ce système sont : </p> <figure class="wp-block-image aligncenter size-full is-resized"><img decoding="async" loading="lazy" src="https://physigeek.com/wp-content/uploads/2023/09/exercice-resolu-force-normale-et-friction-force.png" alt="exercice résolu de la force normale et de la force de frottement" class="wp-image-4254" width="285" height="333" srcset="https://physigeek.com/wp-content/uploads/2023/09/exercice-resolu-force-normale-et-friction-force-256x300.png 256w, https://physigeek.com/wp-content/uploads/2023/09/exercice-resolu-force-normale-et-friction-force.png 702w" sizes="(max-width: 256px) 100vw, 256px"></figure> <p> Ainsi, pour que le système soit en équilibre, la somme des forces sur les axes 1 et 2 doit être égale à zéro. Par conséquent, les équations suivantes sont vraies : [latex]F_R=P_1″ title=”Rendered by QuickLaTeX.com” height=”454″ width=”7014″ style=”vertical-align: 0px;”></p> </p> <p class=$

$N=P_2$

Sekarang kita dapat menghitung nilai gaya normal dari persamaan kedua:

$\begin{array}{l}N=P_2\\[3ex]N=P\cdot \text{cos}(\alpha)\\[3ex]N=m \cdot g\cdot \text{cos }(\alpha)\\[3ex]N=2 \cdot 9,81 \cdot \text{cos}(30\text{º})\\[3ex]N=16,99 \ N\end{array}$

Sebaliknya kita menentukan nilai gaya gesekan menggunakan persamaan pertama:

$\begin{array}{l}F_R=P_1\\[3ex]N=P\cdot \text{sin}(\alpha)\\[3ex]F_R=m \cdot g\cdot \text{sin }(\alpha)\\[3ex]F_R=2 \cdot 9,81 \cdot \text{sin}(30\text{º})\\[3ex]F_R=9,81 \ N\end{array}$

Demikian pula gaya gesekan dapat dihubungkan dengan gaya normal dan koefisien gesekan menggunakan rumus berikut:

$F_R=\mu \cdot N$

Jadi kita menghapus koefisien gesekan dari persamaan dan menghitung nilainya:

$\mu=\cfrac{F_R}{N}$

$\mu=\cfrac{9,81}{16,99}$

$\bm{\mu=0.58}$