Cara Kerja Tuas: Titik Tumpu, Torsi, dan Keuntungan Mekanis

Dari apa sebuah tuas dibuat.

Setiap tuas memiliki tiga bagian yang sama:

• titik tumpu, titik tetap tempat batang berputar,
• gaya kuasa, dorongan atau tarikan yang kamu berikan, dan
• beban, benda yang ingin kamu gerakkan atau tahan.

Jarak dari titik tumpu ke tempat gaya kuasa bekerja disebut lengan kuasa. Jarak dari titik tumpu ke beban disebut lengan beban. Hampir semua hal tentang cara kerja tuas ditentukan oleh perbandingan kedua panjang ini.

Tuas tidak menciptakan energi. Tuas memungkinkan kamu menggunakan jumlah usaha yang sama dengan gaya dan jarak yang berbeda, sehingga terasa lebih mudah atau lebih cepat, tetapi tidak pernah keduanya sekaligus.

Torsi dan aturan keseimbangan

Sebuah gaya memutar batang dengan lebih efektif jika bekerja lebih jauh dari titik tumpu. Efek putar itu disebut torsi, dan untuk gaya yang tegak lurus terhadap batang, rumusnya adalah

torque = force × arm length

Sebuah tuas berada dalam keadaan seimbang ketika torsi yang berusaha memutarnya ke satu arah sama dengan torsi yang berusaha memutarnya ke arah lain:

effort × effort arm = load × load arm

Berikut contoh singkat dengan angka rekaan. Beban 600 g berada 15 cm dari titik tumpu. Untuk menyeimbangkannya dengan gaya pada jarak 30 cm di sisi lain, gaya yang diperlukan hanya setengah dari beban karena lengannya dua kali lebih panjang. Kamu juga bisa menyeimbangkan beban yang sama dengan dorongan yang lebih kuat jika dorongan itu diberikan lebih dekat ke titik tumpu.

Jika disusun ulang, rumusnya menghasilkan keuntungan mekanis, yaitu rasio beban terhadap gaya:

MA = effort arm ÷ load arm

Jika lengan gaya tiga kali lebih panjang daripada lengan beban, kamu bisa mengangkat beban sekitar tiga kali lebih berat daripada gaya yang kamu berikan.

Tidak ada yang gratis.

Keuntungan mekanis yang lebih dari 1 terdengar seperti keuntungan besar, tetapi ada harganya. Untuk mengangkat beban sejauh sedikit, ujung tuasmu harus bergerak sejauh yang jauh lebih besar. Jika titik tumpu digeser lebih dekat ke beban, kamu membutuhkan gaya yang lebih kecil, tetapi ujung tuas yang kamu dorong harus bergerak melalui busur yang lebih panjang.

Itulah aturan emas mesin: gaya yang lebih kecil selalu berarti jarak yang lebih jauh. Pada tuas ideal, gaya dikali jarak sama di kedua ujung, sehingga kerja yang kamu berikan sama dengan kerja yang dihasilkan. Tuas sungguhan kehilangan sedikit energi karena gesekan dan kelenturan, tetapi tidak bisa melampaui limit itu.

Menggeser titik tumpu juga merupakan cara memilih antara kekuatan dan kelajuan. Lengan gaya yang pendek berarti gerakan yang besar di ujung beban meskipun tanganmu hanya bergerak sedikit. Ini berguna ketika kelajuan atau jangkauan lebih penting daripada gaya.

Tiga kelas tuas

Tuas dikelompokkan berdasarkan apa yang berada di tengah.

Kelas pertama: titik tumpu di tengah

Kuasa dan beban berada di sisi yang berlawanan dari titik putar. Jungkat-jungkit, gunting, dan linggis adalah contohnya. Karena kamu bisa menggeser titik tumpu ke mana saja di antara kedua ujungnya, keuntungan mekanisnya bisa lebih dari 1, sama dengan 1, atau kurang dari 1.

Kelas kedua: beban di tengah

Beban berada di antara titik tumpu dan kuasa, jadi lengan kuasa selalu lebih panjang. Gerobak dorong dan pembuka botol bekerja dengan cara ini, dan keduanya selalu memperbesar gaya yang kamu berikan.

Kelas ketiga: kuasa di tengah

Kuasa diberikan di antara titik tumpu dan beban. Keuntungan mekanisnya kurang dari 1, jadi kamu harus mendorong lebih kuat daripada berat beban. Imbalannya, ujung beban bergerak lebih jauh dan lebih cepat. Pinset, joran, dan lengan bawah manusia semuanya adalah tuas kelas ketiga: ototmu menempel dekat siku, sehingga tanganmu bisa mengayun jauh dan cepat.

Kesalahan umum

• Measuring from the wrong place. Arms are measured from the fulcrum, not from the end of the bar.
• Thinking longer always wins. A long effort arm helps force, but only if the load arm stays short. It is the ratio that counts.
• Forgetting the angle. The balance rule above assumes the force is at right angles to the bar. A push at a slant has a smaller turning effect.
• Believing third-class levers are bad. They give up force on purpose to gain speed and range, which is just what a baseball bat or your arm needs.

Cara mempelajarinya di lab

Lab Mesin Sederhana memungkinkanmu memutar tuas sungguhan dan merasakan pengaruh perpindahan titik putar. Urutan yang baik untuk menjelajahi dunia pertama yang gratis:

1. Mulai dengan Apa Itu Tuas? untuk mengenal bagian-bagiannya.
2. Geser titik putar di Titik Tumpu dan amati pertukaran antara gaya dan jarak.
3. Bandingkan ketiga kelas: Tuas Kelas Pertama, Tuas Kelas Kedua, dan Tuas Kelas Ketiga.
4. Gunakan angka dalam Aksi Keseimbangan.

Lab ini adalah model sederhana dengan batang yang kaku dan tidak berbobot serta tanpa gesekan, sehingga hasil angkanya mudah dihitung. Alat sungguhan bisa melentur, aus, dan kehilangan sedikit energi, tetapi aturan keseimbangan tetap menjelaskannya dengan baik.