Diagram gaya bebas

Dalam bidang fisika dan teknik, diagram gaya bebas atau disingkat DGB (bahasa Inggris: free body and force diagram ^[1]) adalah ilustrasi grafis yang digunakan untuk memvisualisasikan gaya, momen, dan reaksi yang dihasilkan pada benda/sistem dalam kondisi tertentu. DGB menggambarkan suatu benda atau keterhubunggan benda dengan semua gaya, momentum, dan reaksi yang bekerja pada sekeliling benda tersebut atau disebut total gaya pada sebuah benda.

Tujuan

Untuk menghindari kesalahan dalam menghitung gaya-gaya yang bekerja pada benda, kita akan sangat tertolong apabila terlebih dahulu melukis diagram gaya bebas yang bekerja pada benda. Diagram gaya bebas adalah gambaran semua gaya yang berasal dari luar sistem yang bekerja pada sistem. Gaya luar inilah yang menghasilkan percepatan pada sistem/benda.^[2] Diagram ini sering digunakan antara lain untuk menentukan beban komponen struktural benda dan juga untuk menghitung gaya internal didalam benda. Selain itu DGB digunakan sebagian besar disiplin ilmu teknik mulai Biomekanika hingga Teknik Struktural.^[3]^[4] Dalam lingkungan pendidikan seperti mata pelajaran fisika atau mata kuliah fisika dasar, belajar menggambar diagram gaya bebas merupakan langkah penting untuk memahami topik tertentu dalam fisika, seperti fisika statis, dinamika, dan bentuk mekanika klasik lainnya.

Melukis diagram gaya bebas

Diagram gaya bebas bukanlah diagram berskala. Ada seni dan fleksibilitas dalam prosesnya. Ikonografi diagram gaya bebas, tidak hanya bagaimana ia digambar tetapi juga bagaimana ia ditafsirkan, serta bergantung bagaimana benda itu dimodelkan.^[5]

diagaram gaya bebas terdiri dari:

Sebuah sistem atau benda yang divisualisasikan ke dalam bentuk kotak.
Gaya ditampilkan sebagai panah lurus yang menunjuk ke arah mana gaya tersebut bekerja.
Momentum ditampilkan dalam panah melengkung
Sebuah sistem kordinat
Reaksi yang sering terjadi pada gaya yang diterapkan digambarkan sebagai garis putus-putus pada batang panah.

Analisis

Diagram gaya bebas dianalisis dengan menjumlahkan semua gaya, sering kali dilakukan dengan menjumlahkan gaya di setiap arah sumbu. Ketika gaya total nol, benda harus diam atau bergerak dengan kecepatan konstan (kecepatan dan arah konstan), menurut hukum pertama Newton. Jika gaya totalnya bukan nol, maka benda mengalami percepatan ke arah tertentu menurut hukum kedua Newton.

Gaya pada bidang miring

Menentukan total gaya sangat mudah jika semua gaya sejajar dengan sumbu kerangka koordinat, tetapi akan lebih rumit jika beberapa gaya tidak sejajar atau berada pada bidang miring. Seringkali lebih mudah untuk menganalisis komponen gaya, dalam hal ini simbol ΣFx dan ΣFy digunakan sebagai pengganti ΣF. Gaya yang menunjuk pada suatu sudut ke sumbu koordinat diagram dapat dipecah menjadi dua bagian (atau tiga, untuk masalah tiga dimensi) —setiap bagian diarahkan sepanjang salah satu sumbu — secara horizontal (Fx) dan vertikal (Fy).

Contoh: Sebuah balok pada bidang miring

Diagram gaya bebas sederhana, yang ditunjukkan gambar di atas, dari balok di bidang miring menggambarkan beberapa hal:

Semua penyangga dan struktur eksternal telah digantikan oleh gaya yang mereka hasilkan. Ini termasuk:
- mg: hasil kali massa balok dan konstanta percepatan gravitasi: w = mg atau disebut berat balok.
- N: gaya normal balok.
- F_f: gaya gesekan balok.
Vektor gaya menunjukkan arah dan titik penerapan serta diberi label dengan besarannya.
Berisi sistem koordinat yang dapat digunakan saat mendeskripsikan vektor.
Beberapa kehati-hatian diperlukan dalam menafsirkan diagram.