Kekuatan elastis: apa itu, rumus dan contoh latihan
Gaya elastis adalah gaya yang diberikan suatu benda untuk menahan perubahan bentuknya. Ini memanifestasikan dirinya dalam suatu objek yang cenderung untuk memulihkan bentuknya ketika berada di bawah aksi gaya deformasi.
Gaya elastis juga disebut gaya restoratif karena ia menentang deformasi untuk mengembalikan objek ke posisi setimbangnya. Transfer gaya elastis melalui partikel yang membentuk benda.
Sebagai contoh, ketika pegas logam dikompresi, gaya diberikan untuk mendorong partikel pegas mengurangi pemisahan di antara mereka, pada saat yang sama, partikel menolak didorong oleh gaya yang berlawanan dengan kompresi.
Jika alih-alih mengompres pegas ditarik, direntangkan, partikel-partikel yang berintegrasi lebih dipisahkan. Demikian juga, partikel-partikel menolak berpisah dengan mengerahkan kekuatan yang bertentangan dengan peregangan.
Objek yang memiliki sifat memulihkan bentuk aslinya dengan menentang gaya deformasi disebut objek elastis. Mata air, pita elastis dan tali elastis adalah contoh benda elastis.
Apa kekuatan elastisnya?
Gaya elastis ( Fk ) adalah gaya yang diberikan suatu benda untuk memulihkan keadaan keseimbangan alaminya yang telah dipengaruhi oleh gaya eksternal.
Untuk menganalisis gaya elastis, sistem massa pegas ideal akan diperhitungkan, terdiri dari pegas yang ditempatkan secara horizontal di salah satu ujung dinding dan ujung lainnya ke blok massa yang dapat diabaikan. Kekuatan lain yang bekerja pada sistem, seperti gaya gesekan atau gaya gravitasi, tidak akan diperhitungkan.
Jika gaya horizontal diberikan pada massa, diarahkan ke dinding, itu ditransfer ke pegas, menekannya. Pegas bergerak dari posisi setimbang ke posisi baru. Karena objek cenderung tetap seimbang, gaya elastis di pegas yang berlawanan dengan gaya yang diterapkan akan terwujud.
Perpindahan menunjukkan seberapa besar pegas berubah bentuk dan gaya elastis sebanding dengan perpindahan itu. Ketika pegas dikompresi, variasi posisi meningkat dan akibatnya gaya elastis meningkat.
Semakin pegas dikompresi, semakin besar gaya berlawanan yang diberikannya hingga mencapai titik di mana gaya yang diberikan dan gaya elastis seimbang, akibatnya sistem massa pegas berhenti bergerak. Saat Anda berhenti menerapkan gaya, satu-satunya gaya yang bekerja adalah gaya elastis. Gaya ini mempercepat pegas ke arah yang berlawanan dengan deformasi hingga keadaan keseimbangan pulih.
Dengan cara yang sama terjadi ketika meregangkan pegas menarik massa secara horizontal. Pegas ditarik dan segera memberikan gaya yang proporsional dengan perpindahan yang menentang bentangan.
Formula
Formula gaya elastis diungkapkan oleh Hukum Hooke. Hukum ini menetapkan bahwa gaya elastis linier yang diberikan oleh suatu objek sebanding dengan perpindahan.
F k = -k.Δ s [1]
Fk = Kekuatan elastis
k = konstanta proporsionalitas
Δ s = Perpindahan
Ketika objek bergerak secara horizontal, seperti dalam kasus pegas yang melekat pada dinding, perpindahannya Δx, dan ekspresi Hukum Hooke ditulis:
F k = -k.Δ x [2]
Tanda negatif dalam persamaan menunjukkan bahwa gaya elastis pegas berada pada arah yang berlawanan dengan gaya yang menyebabkan perpindahan. Konstanta proporsionalitas k adalah konstanta yang bergantung pada jenis material yang menjadi dasar pegas. Satuan konstanta k adalah N / m .
Benda elastis memiliki batas elastisitas yang akan bergantung pada konstanta deformasi. Jika ditarik melampaui batas elastis, ia akan berubah secara permanen.
Persamaan [1] dan [2] diterapkan untuk perpindahan kecil pegas. Ketika perpindahan lebih besar, istilah dengan kekuatan Δx lebih besar ditambahkan .
Energi kinetik dan energi potensial disebut gaya elastis
Gaya elastis melakukan pekerjaan pada pegas, menggerakkannya menuju posisi kesetimbangannya. Selama proses itu, energi potensial sistem massa pegas meningkat. Energi potensial karena pekerjaan yang dilakukan oleh gaya elastis dinyatakan dalam persamaan [3].
U = ½ k. Δx 2 [3]
Energi potensial diekspresikan dalam Joules (J).
Ketika Anda berhenti menerapkan gaya deformasi, pegas berakselerasi ke posisi kesetimbangan mengurangi energi potensial dan meningkatkan energi kinetik.
Energi kinetik dari sistem massa pegas, ketika mencapai posisi kesetimbangan, ditentukan oleh persamaan [4].
E k = ½ mv 2 [4]
m = massa
v = kecepatan pegas
Untuk memecahkan sistem massa pegas, hukum kedua Newton diterapkan dengan mempertimbangkan bahwa gaya elastis adalah gaya variabel.
Contoh latihan praktis
Memperoleh kekuatan deformasi
Berapa banyak kekuatan yang diperlukan untuk diterapkan pada pegas sehingga membentang 5 cm jika konstanta pegas adalah 35N / m?
Karena gaya aplikasi berlawanan dengan gaya elastis, Fk ditentukan dengan asumsi bahwa pegas diregangkan secara horizontal. Hasilnya tidak memerlukan tanda negatif karena hanya kekuatan aplikasi yang diperlukan.
Hukum Hooke
Fk = -k.Δx
Konstanta k pegas adalah 35N / m.
Δ x = 5cm = 0, 05 m
F k = -35N / m. 0, 05 m
Fk = - 1.75N = - F
Dibutuhkan kekuatan 1, 75 N untuk mengubah bentuk pegas 5cm .
Memperoleh konstanta deformasi
Berapa konstanta deformasi pegas yang direntangkan 20 cm oleh aksi gaya 60N ?
Δx = 20cm = 0.2m
F = 60N
F k = -60N = - F
k = - F k / Δx
= - (- 60N) / 0, 2 m
k = 300 N / m
Konstanta pegas adalah 300N / m
Memperoleh energi potensial
Berapakah energi potensial yang dirujuk pada pekerjaan yang dilakukan oleh gaya elastis pegas yang dikompresi 10 cm dan konstanta deformasinya adalah 20N / m?
Δ x = 10 cm = 0, 1 m
k = 20 N / m
F k = -20N / m. 0, 1 m
Fk = -200N
Kekuatan elastis pegas adalah -200N.
Gaya ini melakukan kerja pada pegas untuk menggerakkannya menuju posisi setimbang. Ketika melakukan pekerjaan ini meningkatkan energi potensial sistem.
Energi potensial dihitung dengan persamaan [3]
U = ½ k. Δx 2
U = ½ (20N / m). (0, 1 m) 2
U = 0, 1Joule
