Gaya Sentripetal (Dinamika Gerak Melingkar)

Kita telah membahas gerak melingkar beraturan sebelumnya dan kita memahami bahwa ketika sebuah partikel bergerak di sepanjang suatu lintasan yang melingkar dengan laju tetap, percepatan partikel tersebut selalu terarah menuju pusat lingkaran (tegak lurus dengan kecepatan sesaatnya). 

Gambar 1: Percepatan dan gaya total partikel pada gerak melingkar beraturan terarah menuju pusat lingkaran

Besar percepatan aradatau as(percepatan sentripetal) adalah tetap dan dinyatakan dalam laju dan jari-jari lingkaran R oleh 

Percepatan sentripetal as dapat juga dinyatakan dalam periode T, waktu yang diperlukan untuk bergerak 1 lingkaran penuh.

Dalam periode, asadalah

Gerak melingkar seperti halnya seluruh gerak partikel lainnya, diatur oleh hukum II Newton. Percepatan partikel tersebut menuju pusat lingkaran pasti disebabkan oleh sebuah gaya atau beberapa gaya, sedemikian rupa sehingga jumlah vektor ΣF merupakan sebuah vektor yang arahnya selalu ke pusat lingkaran, gambar 1. Besar percepatan ini tetap, sehingga Ftotal dari gaya radial ke dalam totalnya juga harus tetap. Jika seorang pemain ski es memutar pasangannya di dalam suatu lingkaran di atas es, ia harus secara konstan menarik pasangannya ke dalam menuju pusat lingkaran. Jika dia melepaskan pasangannya, maka gaya ke dalam ini tidak lagi bekerja, dan pasangnnya akan melayang keluar di dalam suatu garis lurus yang menyinggung lingkaran, gambar 2.

Gambar 2: Jika gaya radial tiba-tiba berhenti bekerja pada benda yang bergerak melingkar beraturan, benda akan terbang membentuk garis lurus dengan kecepatan konstan.

Besar percepatan radialnya (sentripetalnya) diberikan oleh as = v2/R, sehingga besarnya gaya Ftotal radial (sentripetal) ke dalam total Ftotal pada sebuah partikel dengan massa m haruslah

Gerak melingkar beraturan dapat diakibatkan oleh sebarang kombinasi gaya, sedemian rupa sehingga ΣF selalu terarah menuju titik yang sa di pusat lingkaran dan mempunyai besar yang tetap.

Gambar 3

PERHATIAN!!: Dalam menyelesaikan soal yang melibatkan gerak melingkar beraturan, kita mungkin saja tergoda untuk melibatkan gaya tambahan keluar yang besarnya m(v2/R) untuk menahan agar benda tersebut tetap berada di tempat atau menjaga agar benda tetap berada dalam keadaan setimbang. Gaya ke arah luar ini umumnya disebut gaya sentrifugal (centrifugal force), (sentrifugal berarti menjauh dari pusat), jangan tertipu oleh godaan ini!!!!, sebab, pendekatan ini 100% SALAH! Pertama, benda tersebut tidaklah tetap tinggal di sana, benda ini bergerak konstan mengelilingi lintasannya yang melingkar. Arah kecepatannya terus menerus berubah, sehingga benda ini bertambah cepat dan tidak berada dalam keadaan setimbang. Kedua, seandainya saja terdapat sebuah gaya tambahan ke luar (sentrifugal) sebagai penyeimbang gaya ke dalam, maka mungkin tidak aakan ada gaya total ke dalam untuk menyebabkan gerak melingkar, dan benda tersebut mungkin akan bergerak dalam suatu lintasan lurus, buka dalam suatu lingkaran, gambar 2. Ketiga, besaran m(v2/R) bukanlah sebuah gaya, besaran ini berhubungan dengan ruas ma dari persamaan ΣF = ma dan tidak muncul dalam ΣF.

Jelas benar bahwa seorang penumpang yang berada dalam sebuah mobil yang berjalan mengelilingi suatu lintasan melingkar pada suatu jalan yang rata cendrung akan meluncur keluar dari belokan tersebut, seakan-akan memberikan reaksi pada suatu gaya sentrifugal. Tetapi penumpang seperti itu berada dalam kerangka acuan non-inersial yang bertambah cepat. Hukum I Newton dan hukum II Newton tidaklah berlaku. Seperti yang telah dibahas sebelumnya, yang sebenarnya terjadi adalah penumpang itu cenderung tetap bergerak dalam suatu garis lurus, dan sisi luar dari mobil itu menubruk penumpang ketika mobil membelok, gambar 3c. Dalam suatu kerangka acuan inersia tidak ada yang namanya gaya sentrifugal yang bekerja pada benda.