Gaya Gesek: Pengertian – Rumus dan Contoh Soal

Kita tentu pernah mendengar terjadinya kecelakaan lalu lintas yang disebabkan oleh ban yang gundul.

Ban seperti ini ketika bersentuhan dengan permukaan jalan yang kasar akan terjadi slip dan kecelakaan pun tidak dapat dihindarkan.

Slip bisa terjadi karena gaya gesek yang timbul akibat bertemunya permukaan ban gundul dengan jalan kasar tidak besar atau bahkan kecil. Inilah contoh gaya gesek yang merugikan. Lantas, apakah gaya gesek itu?

Pengertian Gaya Gesek

Gaya gesek adalah gaya yang timbul akibat bersentuhannya dua permukaan benda.

Arah gaya gesek selalu berlawanan arah dengan arah gerak benda. Gaya gesek ini secara matematis dirumuskan sebagai berikut.

f = μ N

dengan :
f = gaya gesek (N)
μ = koefisien gesekan
N = gaya normal (N)

Besarnya koefisien gesekan tergantung pada sifat permukaan antara bidang dengan permukaan benda.

Gaya gesek ada yang merugikan dan ada yang menguntungkan.

Gaya gesek disebut merugikan manakala menimbulkan dampak negatif.

Misalnya, gesekan yang terjadi antara piston dengan dinding silinder yang berlangsung terus menerus dapat menimbulkan keausan hingga efisiensi energi gerak yang dihasilkan menjadi rendah.

Adapun gaya gesek disebut menguntungkan manakala memberikan dampak positif seperti menimbulkan rasa aman.

Misalnya, landasan pesawat di bandara dibuat dengan panjang dan kekerasan tertentu agar pesawat dapat take off dan landing secara aman.

Jenis-jenis Gaya Gesek

Terdapat berbagai macam gaya gesek, di antaranya adalah gaya gesek statis dan gaya gesek kinetik.  

1. Gaya Gesek Statis (f_s)

Yang dimaksud dengan gaya gesek statis adalah gaya gesek pada benda diam atau benda yang tepat akan bergerak.

Nilai gaya gesek statis bervariasi antara nol hingga nilai maksimalnya.

Gambar di atas menunjukkan bahwa benda bermassa m dikenai sebuah gaya sebesar F.

Gaya ini belum dapat menggerakkan benda karena adanya gaya gesek (f_s) yang berlawanan dengan gaya F tersebut.

Benda tersebut masih tetap diam jika gaya F yang bekerja pada benda tersebut diperbesar yang menyebabkan gaya gesek f_s juga ikut membesar.

Namun jika besarnya gaya F lebih diperbesar maka benda tersebut akan mulai bergerak. 

Hal ini menunjukkan bahwa gaya gesek f_s memiliki nilai maksimum sehingga dapat mempertahankan benda agar tetap diam.

Gaya inilah yang disebut dengan gaya gesek statis.

Ketika gaya gesek statis ini membuat benda tepat akan bergerak maka disebut dengan gaya gesek statis maksimum.

Besarnya gaya gesek statis maksimum (f_{s maks}) secara matematis ditulis sebagai berikut.

fs maks = μs N

Keterangan :
f_{s maks} = gaya gesek statis (N)
μ_s = koefisien gesek statis
N = besar gaya normal (N)

Dari persamaan tersebut dapat dikatakan bahwa besarnya gaya gesek statis maksimum hanya dipengaruhi oleh koefisien gesekan statis μ_s yang berkaitan dengan tingkat kekasaran permukaan benda.

Semakin kasar permukaan suatu benda maka gaya gesek statis juga akan semakin besar.

Adapun gaya normal (N) sangat dipengaruhi oleh posisi permukaan benda. Jika sebuah benda berada pada bidang datar maka gaya normal hanya dipengaruhi oleh massa benda (m) dan percepatan gravitasi (g).

Berikut adalah persamaannya:

N = w = m g

Untuk benda yang berada pada bidang miring dengan sudut sebesar α, gaya bormal (N) dipengaruhi oleh massa benda (m), percepatan gravitasi (g), dan sudut kemiringan α.

Persamaannya adalah sebagai berikut:

N = w cos α atau N = mg cos α 

Perlu dipahami bahwa gaya normal (N) tidak selalu sama dengan berat benda (w).

Ketika benda tersebut tepat saat akan bergerak, maka koefisien gesekan statis antara benda dan bidang miring adalah sebagai berikut:

μs = tan α

2. Gaya Gesek Kinetik (fₖ)

Adapun yang dimaksud dengan gaya gesek kinetik adalah gaya gesek yang timbul pada benda yang sedang bergerak.

Dalam hal ini, gaya F yang bekerja pada benda lebih besar dibandingkan gaya gesek statis maksimum f_{s maks}.

Adapun persamaan gaya gesek kinetik adalah sebagai berikut.

fk = μk N

Keterangan:
f_k = gaya gesek kinetik (N)
μ_k = koefisien gesekan kinetik
N = gaya normal (N)

Umumnya, μ_k N < μ_s N. Pada saat benda tersebut mulai bergerak, benda akan mengalami percepatan.

Berdasarkan Hukum Newton, adapun untuk benda yang bergerak dan tidak mengalami percepatan, benda tersebut akan terus bergerak dengan kecepatan konstan dengan besar f_k = F.

Untuk benda yang berada pada bidang miring kasar yang memiliki kemiringan α terhadap horisontal, koefisien gesek kinetik adalah sebagai berikut.

Dari rumus di atas dapat dikatakan bahwa koefisien gesek kinetik dapat diukur melalui percepatan yang dialami oleh benda.

Sebaliknya, jika koefisien gesek kinetik diketahui, besarnya percepatan benda adalah sebagai berikut.

a = g (sin α - μk cos α) 

Contoh Gaya Gesek

Banyak sekali contoh gaya gesek dalam kehidupan sehari-hari, di antaranya adalah sebagai berikut:

• Mengasah pisau, mata bor atau gunting dengan gerinda
• Jalan tol dibuat tidak licin agar kendaraan yang melintas tidak mudah slip
• Gesekan antara peterjun dan parasutnya dengan udara membuat peterjun dapat mengatur kecepatannya turun dan mendarat di bumi
• Bagian bawah sepatu tidak dibuat mendatar dan licin agar tidak mudah jatuh ketika berjalan di atas lantai
• Rem cakram pada kendaraan bermotor membuat kendaraan dapat direm dengan baik saat bergerak di turunan.

Contoh Soal dan Pembahasannya

1. Koefisien gesekan statis antara sebuah lemari kayu dan lantai kasar suatu bak truk sebesar 0,75. Berapa percepatan maksimum yang masih boleh dimiliki truk agar lemari tetap tidak bergerak terhadap bak tersebut?

A. 0,5 m/s²
B. 2,5 m/s²
C. 5,5 m/s²
D. 7,5 m/s²
E. 9,5 m/s²

Jawaban : D

Penyelesaian :

Benda yang semula diam akan tetap diam pada saat dikenai gaya, asalkan gaya yang bekerja pada benda belum melampaui gaya gesek statis maksimum (f_{s maks}) dari benda tersebut.

Jadi agar lemari tetap tidak bergerak, keadaan seimbang antara gaya tarik truk terhadap lemari dan gaya gesek lemari terhadap truk harus tetap terjaga sehingga,

Fmaks = flemari 
=> m amaks = μs N 
=> m amaks = μs m g 
=> amaks = μ g = (0,75) (10)  
=> amaks = 7,5 m/s²

Jadi, percepatan maksimum yang masih boleh dimiliki truk agar lemari tetap tidak bergerak terhadap bak tersebut adalah 7,5 m/s².

2. Sebuah balok yang beratnya w ditarik sepanjang permukaan mendatar dengan kelajuan konstan v oleh gaya F yang bekerja dengan arah membentuk sudut θ terhadap bidang horizontal.

Besar gaya normal yang bekerja pada balok oleh permukaan adalah …

A. w + F cos θ
B. w + F sin θ
C. w – F sin θ
D. w – F cos θ
E. w

Jawaban : C

Penyelesaian :

Gaya tarik F jika diuraikan atas komponen searah sumbu x dan sumbu y adalah sebagai berikut.

• Fy = F sin θ
• Fx = F cos θ

Besar gaya normal adalah sebagai berikut.

ΣFy = 0, maka:

• F sin θ + N = w
• N = w – F sin θ

Jadi besar gaya normal adalah N = w – F sin θ.

3. Berikut adalah beberapa contoh gaya gesekan yang merugikan, kecuali …

A. Gesekan antara sepatu pemain bola dengan rumput lapangan bola
B. Gesekan antara mobil dengan udara
C. Gesekan  antara air hujan dengan tanah yang tandus di lereng gunung
D. Gesekan pada mesin kendaraan
E. Gesekan antara ban motor balap dengan aspal sirkuit

Jawaban : A

Pembahasan :

• Gesekan antara sepatu pemain bola dengan rumput lapangan bola membuat pemainnya tidak akan mudah jatuh karena pada bagian bawah sepatu bola terdapat paku-paku yang membuat pemain tidak mudah tergelincir ketika berlari
• Gesekan antara mobil dengan udara membuat mobil tidak dapat bergerak dengan kecepatan maksimal
• Gesekan antara air hujan dengan tanah tandus di lereng gunung menyebabkan erosi tanah, banjir, dan tanah longsor
• Gesekan pada mesin kendaraan secara terus menerus menyebakan mesin menjadi cepat aus
• Gesekan antara ban motor balap dengan aspal sirkuit dapat membuat ban motor menjadi panas, cepat aus, dan mudah pecah.