Fisika Sekolah Dasar dan Menengah Pertama · Grades 1–9
13Keseimbangan dan Kesetimbangan
Sebuah jungkat-jungkit tergantung mendatar dengan seorang anak di tiap ujungnya. Menara balok berdiri — tambah satu balok, dan ia runtuh. Seorang akrobat berjalan di atas tali yang lebih tipis daripada sepatunya. Ketiganya sedang memainkan permainan yang sama dan dalam: permainan keseimbangan, tempat gaya saling meniadakan dan tidak ada yang bergerak.
13.1 Diam pun sebuah keseimbangan
Definisi 13.1 (Kesetimbangan)
Sebuah benda berada dalam kesetimbangan — kita juga mengatakan benda itu setimbang — ketika dorongan dan tarikan padanya saling meniadakan, sehingga ia tetap persis seperti keadaannya. Pita tarik tambang yang diam di antara dua regu yang perkasa: itulah kesetimbangan. Bukan dunia tanpa gaya — melainkan dunia tempat gaya sedang bermain seri sempurna.
Contoh 13.2 (Buku di atas meja)
Sebuah buku tergeletak di atas meja, diam sempurna. Membosankan? Amatilah lebih dekat dengan mata bab yang lalu. Bumi menarik buku itu ke bawah — jadi mengapa ia tidak jatuh? Karena meja mendorongnya ke atas, tepat sekuat tarikan Bumi ke bawah. Dua anak panah, sama besar dan berlawanan arah: seri. Singkirkan mejanya dan serinya pecah: buku itu pun jatuh.
Catatan 13.3 (Diam bukan berarti tanpa gaya)
Sebelum bab ini, “tidak ada yang terjadi pada buku itu” tampak sudah jelas. Sekarang kamu tahu lebih baik: dua gaya bekerja padanya setiap saat. Di sekelilingmu, kursi, lampu, rumah, dan gunung ditahan dalam seri yang tenang antara tarikan dan dorongan. Kediaman bukanlah kekosongan — kediaman adalah keseimbangan.
13.2 Jungkat-jungkit
Contoh 13.4 (Seri di halaman bermain)
Dua teman yang kira-kira sama besar duduk di kedua ujung jungkat-jungkit: papannya tergantung mendatar — seri. Sekarang Ayah duduk di satu ujung: ia turun, dan si anak terlempar naik. Supaya permainannya adil, Ayah bergeser ke arah tengah: makin dekat ia duduk ke titik tumpu, makin lemah sisinya menekan — sampai, pada tempat yang tepat, papannya tergantung mendatar lagi. Berat yang besar di dekat tengah dapat berseri dengan berat yang kecil jauh di ujung.
Proposisi 13.5 (Aturan jungkat-jungkit)
Berat yang sama pada jarak yang sama dari titik tumpu akan seimbang. Penunggang yang lebih berat memiringkan jungkat-jungkit — kecuali kalau penunggang yang lebih berat itu bergeser mendekat ke titik tumpu, atau yang lebih ringan bergeser menjauh. Berat dan jarak sama-sama menentukan.
Catatan 13.6 (Sebuah janji)
Seberapa dekat tepatnya Ayah harus bergeser? Ada aturan yang indah dan persis bersembunyi di dalam jungkat-jungkit — dengan bilangan sungguhan di dalamnya. Aturan itu menantimu tahun depan, pada bab tentang tuas dan neraca; permainan jungkat-jungkit hari ini adalah latihan yang sempurna untuknya.
13.3 Tumbang dan titik seimbang
Contoh 13.7 (Menara yang miring terlalu jauh)
Bangunlah menara balok, setiap balok menjorok sedikit lebih jauh daripada balok di bawahnya. Menara itu berdiri, berdiri… dan tiba-tiba runtuh. Benda yang miring akan tumbang ketika ia miring terlalu jauh melewati alasnya sendiri. Itulah sebabnya piramida balok beralas lebar begitu sukar dirobohkan, sedangkan satu tiang tinggi jatuh oleh embusan napas: kaki yang lebar membuat menara yang kukuh.
Definisi 13.8 (Titik seimbang)
Setiap benda punya titik seimbang: tempat istimewa yang membuatnya dapat ditahan mendatar — seolah-olah seluruh beratnya berkumpul di sana. Penggaris membawa titik seimbangnya di tengah; palu menyembunyikannya di dekat kepala yang berat. Ditahan tepat di bawah titik seimbangnya, benda apa pun akan bertumpu mendatar di atas satu jari.
Metode 13.9 (Menemukan titik seimbang)
Untuk menemukan titik seimbang penggaris, sapu, atau sendok kayu:
- letakkan bendanya melintang di atas dua jari telunjuk yang terentang, satu di dekat tiap ujung;
- geserkan kedua jarimu pelan-pelan saling mendekat;
- keduanya akan bertemu — selalu dengan bendanya tetap seimbang — pada satu tempat: titik seimbangnya.
Cobalah dengan sapu: jarimu bertemu jauh dari tengah, di sisi sapu yang berat. Titik seimbang menyukai sisi yang berat.
Contoh 13.10 (Galah sang akrobat)
Mengapa pejalan tali membawa galah panjang yang melengkung itu? Galah itu pembantu keseimbangannya: ketika ia mulai miring ke satu sisi, galah yang panjang membuat kemiringan itu pelan dan malas, bukan cepat, dan memberinya waktu untuk bergeser kembali ke atas talinya. Kamu memakai tipuan yang sama dengan lengan telanjang ketika berjalan di atas tepi trotoar — lengan terentang, goyangan melambat, keseimbangan terselamatkan.
13.4 Latihan
Latihan 13.1 ★
Sebuah lampu berdiri diam di atas meja belajar. Sebutkan dua gaya yang bekerja padanya dan katakan mengapa lampu itu tidak bergerak.
Solusi
Solusi Latihan 13.1.
Bumi menarik lampu itu ke bawah; meja belajar mendorongnya ke atas, tepat sekuat itu. Kedua gaya berseri — kesetimbangan — sehingga lampunya tetap di tempat.
Latihan 13.2 ★
Dalam tarik tambang, kapan pita berada dalam kesetimbangan? Apa yang memecahkan serinya?
Solusi
Solusi Latihan 13.2.
Ketika kedua regu menarik sama kuat ke arah berlawanan: kedua tarikan saling meniadakan. Serinya pecah begitu satu regu menarik lebih kuat daripada yang lain.
Latihan 13.3 ★
Dua anak kembar yang sama duduk di jungkat-jungkit pada jarak yang sama. Apa yang dilakukan papannya? Salah satu kembar bergeser mundur, lebih jauh dari titik tumpu — sisi mana yang turun sekarang?
Solusi
Solusi Latihan 13.3.
Papannya tergantung mendatar — berat sama pada jarak sama. Ketika salah satu kembar bergeser menjauh, sisi kembar itulah yang turun: jarak pun ikut menentukan.
Latihan 13.4 ★
Ayah jauh lebih berat daripada Lina, namun jungkat-jungkit mereka tergantung mendatar. Di mana Ayah pasti duduk? Sebutkan aturan yang menyelamatkan permainan itu.
Solusi
Solusi Latihan 13.4.
Dekat dengan titik tumpu, sementara Lina jauh di ujung sisinya. Aturannya: penunggang yang lebih berat di dekat tengah dapat berseri dengan penunggang yang lebih ringan jauh di ujung — berat dan jarak sama-sama menentukan.
Latihan 13.5 ★
Di mana titik seimbang sebuah penggaris? Dan sebuah palu — ke arah ujung gagangnya atau ke arah kepala yang berat? Bagaimana kamu dapat memeriksanya dengan satu jari?
Solusi
Solusi Latihan 13.5.
Titik seimbang penggaris ada di tengahnya; titik seimbang palu ada di dekat kepalanya yang berat. Cara memeriksanya: letakkan keduanya di atas satu jari lalu carilah tempat yang membuatnya terbaring mendatar.
Latihan 13.6 ★
Lakukan tipuan dua jari pada Metode 13.9 dengan sebuah sapu. Di sisi mana jarimu bertemu, dan apa yang diberitahukannya kepadamu?
Solusi
Solusi Latihan 13.6.
Keduanya bertemu dekat dengan sapunya — ujung yang berat. Titik seimbang terletak ke arah sisi yang berat pada sebuah benda.
Latihan 13.7 ★
Mana yang berdiri lebih kukuh, dan mengapa: piramida balok beralas lebar, atau menara selebar satu balok dengan tinggi yang sama?
Solusi
Solusi Latihan 13.7.
Piramida yang lebar: ia dapat miring jauh sebelum beratnya menggantung di luar alasnya yang lebar. Menara yang sempit tumbang pada kemiringan sekecil apa pun.
Latihan 13.8 ★
Mengapa pejalan tali membawa galah yang panjang? Apa yang kamu lakukan dengan lenganmu ketika berjalan di tepi trotoar, dan mengapa itu menolong?
Solusi
Solusi Latihan 13.8.
Galah itu memperlambat setiap goyangan, sehingga pejalannya sempat bergeser kembali ke atas tali. Di tepi trotoar kamu merentangkan lengan karena alasan yang sama: goyangan lebih lambat, lebih mudah diselamatkan.
Latihan 13.9 ★
Berdirilah dengan bahu kanan dan kaki kananmu menempel pada dinding, lalu cobalah mengangkat kaki kirimu. Kamu tidak bisa — tanpa jatuh! Jelaskan dengan menara pada Contoh 13.7: apa yang harus dilakukan tubuhmu untuk seimbang di atas kaki kanan, dan apa yang dilarang oleh dinding itu?
Solusi
Solusi Latihan 13.9.
Untuk berdiri di atas kaki kanan saja, tubuhmu harus miring ke kanan, sehingga beratmu berada di atas kaki itu — seperti menara yang menjaga beratnya tetap di atas alasnya. Dinding itu berada persis di tempat yang kamu perlukan untuk miring: ia melarang gerakan itu, beratmu tetap menggantung di atas tempat kosong kaki yang terangkat, dan kamu pun oleng.
Latihan 13.10 ★★
Sebuah derek di lokasi pembangunan mengangkat beban berat pada lengan depannya yang panjang — namun ia tidak terguling. Di lengan belakangnya yang pendek duduk balok beton yang besar. Jelaskan derek itu dengan aturan jungkat-jungkit pada Proposisi 13.5: siapa kedua penunggangnya, dan mengapa lengan belakangnya pendek?
Solusi
Solusi Latihan 13.10.
Derek itu adalah jungkat-jungkit raksasa dengan menaranya sebagai titik tumpu. Penunggang pertama: bebannya, jauh di ujung lengan depan yang panjang. Penunggang kedua: balok beton — jauh lebih berat, sehingga boleh duduk dekat, di lengan belakang yang pendek. Yang berat-dekat berseri dengan yang ringan-jauh, persis aturan jungkat-jungkit; lengan belakangnya pendek karena penunggangnya sang kelas berat.