3
MOMEN
KELEMBAMAN
I. Tujuan Percobaan
1. Menentukan momen kelembaman (inersia) I benda tegar yang mempunyai
bentuk-bentuk tertentu.
2. Mencari titik pusat massa berbagai bentuk benda.
II. Peralatan
1. Statip
2. Mistar
3. Benang tebal dan bandul
4. Stopwatch
5. Beberapa benda tegar
III. Teori
Benda tegar dengan bentuk sembarang
digantungkan pada suatu poros yang tetap di 0 (gambar1). Jika diberi
simpangan kecil kemudian dilepas, akan berayun dengan periode ayunan p.
P = 2 ∏ (1)
Dimana :
I : momen inersia
m : massa benda
g : percepatan grafitasi di
tempat percobaan
l : jarak dari sumbu putar
ke pusat massa
Jika benda m (gambar) digantungkan pada seutas tali
dengan panjang l, diberi simpangan kecil kemudian dilepas, maka periode ayunan
p :
P = 2∏ (2)
Dimana :
I : jarak dari sumbu putar ke sumbu massa
g : percepatan grafitasi di tempat percobaan.
Dari gambar 3, dapat dicari momen inersia terhadap
sumbu putar (melalui titik A) tidak melalui pusat massa tetapi berjarak/dan
sejajar dengan sumbu melalui pusat massa yaitu :
I = Ipm + ml2
Dimana :
Ipm : momen inersia terhadap sumbu putar melalui pusat massa.
Teori tambahan
momen kelembaman adalah sebutan lain dari momen inersia atau juga maomen kedua.
Memiliki satuan SI yaitu kgm₂,
dan merupakan ukuran ketahanan objek terhadap perubahan laju. Besaran ini
adalah kelembaman sebuah benda berotasi terhadap porosnya.
momen inersia adalah hasil kali massa partikel dengan kuadrat jarak partikel
dan titik poros atau I =
Σm.r₂
atau I = k.m.r₂
dengan :
I : momen inersia (kgm2)
m: massa (kg)
r : jarak ke sumbu rotasi (m)
k : koefisien
Dari rumus diatas, terlihat bahwa momen inersia
sebanding dengan massa dan kuadrat jarak dari sumbu putarnya. Koefisien k
sangat ditentukan oleh bentuk dan sumbu putar benda. Jadi, tidak semua memiliki
koefisien yang sama.
Perbedaan nilai antara massa dan momen inersia
adalah besar massa atau benda hanya bergantung pada kandungan zat pada benda
tersebut, tetapi momen inersia tidak hanya tergantung pada jumlah zat tetapi
juga dipengaruhi oleh bagaimana zat tersebut terdistribusi pada benda.
Momen inersia juga berarti besaran pada gerak rotasi
yang analog dengan massa pada gerak translasi.
Momen inersia berperan dalam dinamika rotasi seperti
massa dalam dinamika dasar, dan menentukan sudut dan kecepatan sudut, momen
gaya dan kecepatan sudut, dan beberapa besaran lain.
Lambang I dan kadang-kadang J biasanya digunakan
untuk merujuk kepada momen inersia.
Definisi sederhana momen inersia (terhadap sumbu
rotasi tertentu) dari sembarang objek, baik massa titik atau struktur tiga
dimensi dengan rumus :
I = Σi.mi.ri²
Dengan :
m : massa partikel (kg)
r : jarak partikel ke poros (m)
Untuk
benda-benda tertentu rumus momen inersia adalah :
No
|
Bentuk
Benda
|
Letak
poros
|
Momen
Inersia
|
1.
|
Batang
homogen
|
Di ujung
|
I = ⅓ ML²
dengan M : massa tongkat (kg), dan L : panjang tongkat
|
2.
|
Batang
homogen
|
Di
tengah batang
|
I = ⅟12 ML²
|
3.
|
Silinder
berongga, berdinding tipis, dan cincin tipis.
|
Di sumbu
silinder atau cincin
|
I = MR²
dengan M : massa (kg), serta R : jari-jari silinder atau cincin (m).
|
4.
|
Silinder
pejal
|
Di sumbu
silinder
|
I = ½ MR²
dengan M : massa (kg), serta R : jari-jari silinder (m).
|
5.
|
Silinder
berongga berdinding tebal
|
Di sumbu
silinder
|
I = ½ M(R²+R²)
|
6.
|
Bola
pejal
|
Di pusat
bola
|
I = ⅖ MR²
|
7.
|
Bola
berongga
|
Di pusat
bola
|
I = ⅔ MR²
|
Faktor-faktor
yang mempengaruhi Momen Inersia :
1. Poros rotasinya
2. Massa benda
3. Jarak letak rotasi
Sebuah benda
terdiri dari partikel-partikel yang tersebar dan terpisah di seluruh bagian
benda, sehingga momen inersia sebuah benda berputar adalah/merupakan jumlah
dari keseluruhan momen-momen inersia penyusunnya. Jika partikel-partikel
tersebut bermassa m₁,m₂,m₃,...,mn dan masing-masing mempunyai jari-jari r₁,r₂,r₃,...,rn
maka momen inersia dari benda tersebut adalah :
I = Σmᵢ.rᵢ₂
= m₁.r₂² + m₂.r₂² + m₃.r₃² + ... +
mn.rn²
Teorema
sumbu sejajar
Teorema sumbu sejajar digunakan untuk menghitung momen inersia suatu bangun
yang diputar dengan poros tidak pada pusat massa (pm) atau sembarang tempat
Bila momen
inersia suatu benda terhadap pusat massa (pm) diketahui, momen inersia terhadap
sembarang sumbu yang sejajar (pararel) terhadap sumbu pusat massa dapat
dihitung dengan :
Ipm = I. Ma²
Dengan :
I : momen inersia terhadap sembarang sumbu
Ipm : momen inersia terhadap pusat massa
m : massa
total benda
a : jarak sumbu pusat massa ke sumbu pararel
Jadi momen
inersia itu tergantung pada bentuk benda, artinya pada ukuran-ukurannya-, dan
tergantung pada letak sumbu putar (r). Apabila bentuk benda tidak beraturan,
maka digunakan besaran lain untuk jarak ke sumbu putar yaitu jari-jari girasi.
Jari-jari
girasi adalah jarak radial dari sumbu putar ke suatu tempat titik pusat massa
benda dikonsentrasikan. Sehingga momen inersia pada benda tersebut :
Ipm = m.k₂
Dengan :
k : jarak radial dari tiap sumbu putar
m : massa benda
Ipm : momen inersia
IV. Cara kerja
A. Mencari letak pusat massa benda tegar
1. Menggantungkan benda tersebut pada suatu poros.
2. Mengikat benang yang diberi pemberat pada poros tadi, sehingga membentuk
garis vertikal.
3. Mengambil dua titik berlainan, dapat diketahui letak pusat massa benda
tersebut.
B. menghitung momen inersia
1. Mengukur besaran-besaran yang di perlukan.
2. Menggantungkan benda tegar yang berbentuk tertentu.
3. Memberi simpangan kecil dan melepaskan.
4. Mencatat waktu yang diperlukan untuk 20 10 ayunan.
5. Melakukan pada beberapa titik berlainan.
V. Tugas pendahuluan
1. Buktikan rumus (1) dan (2) !
jawab :
pada rumus (1), suatu benda yang diberi simpangan 0 dan dilepaskan dari poros
putarnya berada di jarak l dari pusat massa, karena adanya T=lx=m.g.sin Ѳ
maka : T = l.a
= - m.g.sin Ѳ
= Id ˆ 2 Ѳ
dt ˆ 2
untuk Ѳ = m.g.I.Ѳ = I.d ^ 2Ѳ atau
dt ^ 2
d ^2 Ѳ + mgl Ѳ = 0
dt ^ 2 I
p = I poros
m.g.I
Pada rumus (2), gaya pada ayunan
sederhana adalah F = m.g.sin Ѳ dengan menyamakan gaya pemulih dengan F = m.g
maka diperoleh F = F may = - m g (y). Maka 2 = q = P
=2 l
m . g . I p l q
2. Buktikan secara teori bahwa momen inersia untuk benda-benda tertentu di
bawah ini :
a). Papan empat persegi panjang : Ipm =⅟12 m (a²+b²)
b). Piringan
(papan lingkaran) : Ipm = ½ MR²
Gambar 5
m1 = ac .m
½ a (b + c) – PR²
m2 = a (b + c) .m
a (b + c) – 2 PR²
m3 = PR2 .m
½ a (b + c ) – PR²
3. Carilah letak (kordinat) pusat massa benda-benda tersebut di atas !
jawab :
a). Papan empat persegi panjang
y0 = ½ t
b). Piringan (papan lingkaran)
y0 = 4r
3
c). Papan segitiga
y0 = ⅓ t
d). Papan trapesium berlubang
y0 = 2 t
4. jelaskan apa yang dimaksud dengan :
a). Pusat grafitasi (titik berat)
b). Pusat massa
c). Pusat perkusi
d). Pusat osilasi
e). Jari-jari girasi
jawab :
a). Pusat grafitasi merupakan titik yang dilalui oleh garis kerja dari resultan
gayaberat sistem benda titik.
b). Pusat massa adalah titik tangkap dari resultan gaya berat pada setiap
anggota sistem dari pusat massa yang nilainya sama dengan nol.
c). Pusat perkusi adalah sebuah titik yang mempunyai arah kecepatan rotasi yang
sama/searah dan menyebebkan kecepatan titik tersebut adalah 0 dan titik ini mempunyai
kecepatan rotasi disamping kecepatan translasi.
d). Pusat isolasi adalah sistem ayunan sederhana yang merupakan titik pada
benda batangan yang tidak mempunyai poros.
e). Jari-jari girasi
adalah jarak radial dari titik tempat massa
dikonsentrasikan ke jarak sumbu putar.
5. Apa yang menyebabkan benda dapat berosilasi pada
percobaan di atas ?
jawab :
yang menyebabkannya adalah karena benda itu diberi jarak simpangan kecil dan
dilepas sehingga akan berosilasi dengan periode ayunan “R” dan pusat berat akan
mempercepat arah ke atas dan terus berulang dengan sendirinya maka disebut
mutasi.
6. bagaimana
menentukan jari-jari girasi ?
jawab :
kk k
Bila k adalah jarak radial dari tiap sumbu putar, ln
adalah massa benda yang dikonsentrasikan, maka akan didapat hubungan :
Ipm = m.k₂
k = Ipm
m
dengan :
k : jarak radial dari tiap sumbu putar
m : massa benda
I pm : momen inersia
7. Buat bagan pengambilan data !
Benda
|
(x,y)
|
(cm)
|
|
|
|
|
|
a = cm
b = cm
c = cm
I1 = cm
I2 =
I3 =
I4 =
|
|
|
|
|
|
|
a
b
|
|
|
|
|
BENDA
|
BESARAN – BESARAN YANG DIUKUR
|
|
a
= 17 cm
tA = 8,18 dt
b
= 26 ,5 cm
tB = 8,77 dt
c
= 14 cm
tC = 9,93 dt
LA = 14,8
cm tD = 8,66
dt
LB = 13,1
cm m =
306 gr
LC = 17,5
cm r =
3,15 cm
LD = 10,5
cm L1 = 4,4
cm
L2 =
9 cm
L3 =
4,5 cm
|
LAPORAN
AKHIR M-3
I. Menentukan momen inersia secara fisis
a. Untuk benda persegi panjang
dari persamaan :
P = 2 I
mgl
P²= 4² I
mgl
Iᴀ = Pᴀ² . mglᴀ
4
Ipmᴀ = Iᴀ - m (lᴀ)²
dimana :
P = t atau periode
jumlah ayunan
m = massa benda
g = percepatan grafitasi bumi
l = jarak dari titik ayunan ke titik pusat massa benda
Cari momen inersia untuk masing-masing titik, kemudian cari momen inersia
totalnya :
Ipm tot = Ipmᴀ + Ipmв + Ipmс +Ipmᴅ + ... + Ipmn
n
Jawab :
Titik A # Pᴀ = tᴀ
jumlah ayunan
= 9,18
10
= 0,918
# Iᴀ = Pᴀ² . mglᴀ
4²
= (0,918)². 306 . 1000. 14,8
4. (3,14)²
= 3816528,451
39,4384
= 96771,8886
# Ipmᴀ = Iᴀ - m (lᴀ)²
= 96771,8886 - 306 . (14,8)²
= 96771,8886 – 67026,24
= 29745,6486
Titik B # Pв = tв
jumlah ayunan
= 8,77
10
= 0,877
# Iв = Pв² . mglв
4²
= (0,877)² . 306 . 1000 . 13,1
4
. (3,14)²
= 3083130,509
39,4384
= 78175,85169
# Ipmв = Iв – m (lв)²
= 78175,85169 - 306 .
(13,1)²
= 78175,85169 – 52512,66
= 25663,19169
Titik C # Pс = tс
jumlah ayunan
=
9,93
10
= 0,993
# Iс =
Pс² . mglс
4²
= (0,993)² . 306 .1000. 17,5
4 . (3,14)²
= 5280292,395
39,4384
= 133887,0845
# Ipmс = Ic – m (lc)²
= 133887,0845 – 306 . (17,5)²
= 133887,0845 – 93712,5
= 40174, 5845
Titik D # Pᴅ = tᴅ
jumlah ayunan
= 8,66
10
= 0,886
# Iᴅ = Pᴅ² . mglᴅ
4²
= (0,866)² . 306 . 1000 . 10,5
4 . (3,14)²
= 2409608,628
39,4384
= 61098,03207
# Ipmᴅ = Iᴅ - m (lᴅ)²
= 61098,03207 – 306 .
(10,5)²
= 61098,03207 – 33736,5
= 27361,53207
Ipm tot = Ipmᴀ + Ipmв + Ipmс + Ipmᴅ
n
= 29745,6486 + 25663,19169
+ 40174,5845 + 37361,53207
4
= 122944,9569
4
= 30736,23922
II. Menentukan momen
inersia secara matematis
dalam hal ini :
m₁ = ac m
½ a (b+c) - . R²
=
17 . 14 . 306
½ . 17 . (26,5 + 14) – 3,14 .
(3,15)²
= 238 . 306
½ . 17 . 40,5 – 3,14 . 9,9225
= 238
. 306
313,09335
= 0,7601566753 . 306
= 232,6079426 gram
m₂
= a (b+c) . m
a (b+c) - 2 . R²
= 17
(26,5 + 14) .
306
17 (26,5 + 14) – 2 . 3,14 . (3,15)²
= 17 .40,5 . 306
17 . 40,5 – 2 . 3,14 . 9,9225
= 688,5 . 306
688,5 – 62,3133
=
688,5 . 306
626,1867
= 1,099512334 . 306
= 336,4507742 gram
m₃ = . R² . m
½ a (b+c) - . R²
=
3,14 . (3,15)² .
306
½ . 17 . (26,5 + 14) – 3,14 .
(3,15)²
= 31,15665 . 306
344,25 – 31,15665
=
31,15665 . 306
313,09335
= 0.09951233394 . 306
= 30,45077419 gram
jawab :
a. Untuk benda persegi panjang
Ipm₁ = ⅟12 m₁ (a² + b²)
= ⅟12 . 232,6079426 . (17² +
26,5²)
= ⅟12 .232,6079426 . 991,25
= 19214,38526
b. untuk benda lingkaran
Ipm₃ = ½ m₃ r²
= ½ . 30,45077419 . (3,15)²
= 151,0739035
c. untuk benda segitiga
Ipm₂ = ⅟18 m₂ (a² +b²)
= ⅟18 . 336,4507742 . (17² +
26,5²)
= ⅟18 .336,4507742 . 991,25
= 18528,15722
d. untuk benda trapesium
Ipm = Ipm₁ + Ipm₂ + Ipm₃ + m₁ (l₁²) + m₂ (l₂²) - m₃ (l₃²)
= 19214,38526 + 18528,15722 +
151,0739035 + 232,6079426 . (4,4²) + 336,4507742 .
(9²) – 30,45077419 . (4,5²)
= 19214,38526 + 18528,15722 +
151,0739035 +4503,289769 + 27252,51271 –
616,6281773
= 69649,41886 – 616,6281773
= 69032,79069
III. Perbandingan perhitungan momen inersia secara
matematis dan fisis :
Benda
|
Ipm
matematis
|
Ipm
fisis
|
Kesalahan
|
|
69032,79069
|
30736,23922
|
69032,79069 – 30736,23922 x 100
69032,79069
= 38296,55147 x 100
69032,79069
= 0,5547588485 x 100
= 55,47 %
|
Rumus
kesalahan = Ipm matematis – Ipm fisis x 100
Ipm matematis
IV. Menentukan jari-jari
girasi
Dari rumus : K = Ipm
m
Benda
|
K matematis
|
K fisis
|
Kesalahan
|
|
K = 69032,79069
306
= 225,5973552
= 15,01989864
|
K = 30736,23922
306
= 100,4452262
= 10,02223659
|
15,01989864 – 10,02223659 x 100
15,01989864
= 4,79753274 x 100
15,01989864
= 0,319411792 x 100
= 31,941 %
|
Rumus kesalahan : K matematis – K fisis x 100
K matematis
V. Analisa percobaan
Pada percobaan kali
ini, kita menentukan letak pusat massa benda tegar dan menghitung momen inersia
benda tegar. Dalam hal ini, kita memakai benda trapesium berlubang.
Kesalahan-kesalahan yang terjadi dapat berupa kesalahan kita saat mengukur
besaran-besaran pada benda trapesium berlubang atau kesalahan kita saat
mengayunkan trapesium berlubang dan mencocokkannya dengan stopwatch. Lalu saat
kita menghitung m₃ pada trapesium berlubang menggunakan tanda kurang (-), bukan
positif (+). Hal ini dikarenakan bahwa momen inersia trapesium dikurang dengan
sebuah lubang berbentuk lingkaran, dengan kata lain kita tidak menghitung Ipm
trapesium sepenuhnya karena trapesium tersebut tidak utuh melainkan berlubang.
Maka dari itu, kita harus benar-benar teliti saat melakukan percobaan dan juga
saat membuat laporan akhir.
VI. Kesimpulan
Dalam percobaan
menentukan momen kelembaman (inersia) Ibenda tegar tergantung pada bentuk benda
tersebut, massa benda dan juga pada letak sumbu putar. Apabila bentuk benda
tidak beraturan, maka digunakan besaran lain. Rumus yang digunakan untuk
menghitung benda yang satu dan yang lainnya pun berbeda. Tetapi rumus yang
berbeda tersebut hanya digunakan saat kita menentukan momen inersia suatu benda
secara matematis.
Saran
Dalam percobaan menentukan momen
kelembaman (inersia) benda tegar ini terdapat kesalahan-kesalahan tertentu yang
menyebabkan ketidakcocokan antara mengayun benda mencocokkan/menghitung waktu
benda saat diayun menggunakan stopwatch. Selain itu kesalahan juga dapat
terjadi saat kita menentukan/mengukur besaran-besaran pada benda tersebut
menggunakan penggaris. Maka dari itu, percobaan ini perlu ketelitian dan juga
kesungguhan pada saat melakukan percobaan. Hal tersebut perlu agar
kesalahan-kesalahan yang terjadi tidak terlampau jauh.