Gaya gesek statis dan gaya gesek kinetik

Gesekan merupakan salah satu gaya penting dalam kehidupan sehari-hari. Oli pada mesin mobil mengurangi gesekan antara komponen-komponen mesin yang bergerak, tetapi tanpa adanya gesekan antara ban dengan jalan maka kita tidak dapat mengemudikan atau membelokan sepeda motor atau mobil. Gaya gesekan yang diberikan udara dapat membuat parasut berfungsi. Tanpa gesekan paku-paku akan terlepas dengan mudahnya, bola-bola lampu mungkin akan jatuh dengan mudah dan bersepeda munkin akan menjadi pekerjaan yang sia-sia.

Mari kita tinjau suatu benda yang meluncur melintasi suatu permukaan. Ketika Anda mencoba menarik/mendorong sebuah kotak berat yang berisi buku-buku melintasi lantai kotak tersebut tidak akan bergerak kecuali Anda mendorongnya dengan gaya minimum tertentu. Kemudian kotak tersebut mulai bergerak dan gaya yang Anda perlukan agar kotak tetap bergerak biasanya lebih kecil dibandingkan dengan gaya yang Anda permukan untuk membuatnya mulai bergerak. Jika bebrapa buku Anda keluarkan, Anda membutuhkan gaya yang lebih kecil dari yang sebelumnya Anda butuhkan untuk membuat kotak mulai bergerak atau menjaganya agar tetap bergerak.
Pernyataan umum apakah yang dapat kita buat mengenai fenomena ini???
Pertama, ketika suatu benda diam atau meluncur pada suatu permukaan, kita selalu dapat mengatakan gaya kontak yang diberikan oleh permukaan pada benda tersebut dalam komponen-komponen gaya yang tegak lurus dan sejajar dengan permukaan tersebut. Kita sebut komponen vektor yang tegak lurus sebagai gaya normal, N, (Normal merupakan sinonim dari tegak lurus). Komponen vektor yang sejajar permukaan adalah gaya gesekan (friction force), dilambangkan oleh f. Berdasarkan definisi, N dan f selalu saling tegak lurus.
Jadi gaya normal dan gaya gesekan itu merupakan gaya kontak, jika tidak ada gesekan maka gaya kontak itu hanyalah gaya normal, gaya gesekannya sama dengan nol, f = 0.
Tetapi permukaan yang tanpa gesekan merupakan permukaan yang ideal yang tidak perna kita temukan, tetapi kita juga menganggap bahwa suatu permukaan tanpa gesekan itu atau efek gesekannya kita abaikan karena efek gesekannya sangat kecil.
Jenis gesekan yang bekerja ketika sebuah benda sedang meluncur/bergerak di atas suatu permukaan disebut gaya gesekan kinetik (kinetic friction force) f_k. Besarnya gaya gesekan kinetik meningkat ketika gaya normalnya juga meningkat. Gaya gaya dipermukan untuk mendorong sebuah kotak yang penuh dengan buku-buku lebih besar daripada gaya untuk mendorong kotak yang sama tetapi kosong. Prinsip ini juga digunakan pada sistem rem mobil. Bila pedal rem ditekan semakin keras, akan dihasilkan efek pengereman yang semakin besar pada cakram rem yang sedang berputar.
Dalam banyak kasus, besarnya gaya gesek kinetik f_k diperoleh secara ekperimen sebagai kurang lebih sebanding dengan besarnya gaya normal N. Dalam kasus-kasus seperti itu kita dapat menuliskan,
di mana μ_k adalah suatu konstanta yang disebut koefisien gesek kinetik (coeffisient of kinetic friction). Permukaan yang lebih licin akan mempunyai koefisien gesekan kinetik yang lebih kecil. Karenanya merupakan suatu hasil bagi kedua besar dari gaya, μ_k merupakan sebuah bilangan murni tanpa gesekan.
PERHATIAN: Ingat, gaya gesekan dan gaya normal selalu tegak lurus. Persamaan di atas bukan suatu persamaan vektor, tetapi suatu relasi skalar antara besar dari kedua gaya yang saling tegak lurus.

Gambar 1

Persamaan (1) hanya merupakan suatu representasi pendekatan dari suatu fenomena yang kompleks. Pada skala mikroskopis, gaya gesekan dan gaya normal merupakan hasil dari gaya-gaya yang intermolekuler (listrik dasar di alam) antara dua permukaan yang kasar pada titik-titik di mana keduanya bertemu. Lus kontak aktual biasanya jauh lebih kecil daripada luas permukaan toalnya. Pada saat suatu kotak meluncur di atas lantai, terjadi membentukan dan pemutusan pada ikatan-ikatan antara kedua permukaan tersebut, dan jumlah total ikatan-ikatan tersebut bervariasi karena itu gaya gesekan kinetik tidak seratus persen konstan. Memperhalus permukaan-permukaan tersebut sebenarnya dapat memperbesar gesekan karena lebih banyak molekul-molekul yang dapat berinteraksi dan berikatan. Minyak pelumas bekerja karena suatu lapisan oli yang bekerja di antara dua permukaan (seperti piston dan dinding-dinding silinder pada mesin mobil) mencegah kontak langsung antara kedua permukaan tersebut.
Tabel di bawah ini merupakan harga μ_k untuk beberapa benda. Walaupun harga koefisien diberikan dalam dua angka signifikan, tetapi nilai-nilai itu hanya merupakan nilai pendekan saja karena gaya-gaya gesekan dapat juga bergantung pada laju benda tersebut relatif terhadap permukaannya. Kita akan mengabaikan efek ini dan mengasumsikan bahwa μ_k dan f_k­ tidak bergantung pada laju sehingga kita berkonsentrasi pada kasus-kasus yang paling sederhana.
Gaya-gaya gesekan dapat juga bekerja ketika tidak terdapat gerak relatif. Jika Anda mencoba meluncurkan sebuah kotak yang berisi buku-buku di atas lantai, kotak itu mungkin saja tidak bergerak sama sekali karena lantai memberikan suatu gaya gesekan yang besarnya sama dengan arah yang berlawanan pada kotak. Gaya ini disebut gaya gesekan statis (statis friction force) f_s.



Pada gambar 2a kotak yang diam dalam keadaan setimbang akibat kerja dari beratnya sendiri, w dan normal N ke atas yang diberikan lantai pada kotak yang besarnya sama dengan berat kotak tersebut.
Sekarang misalkan seutas tali yang diikatkan pada kotak tersebut, gambar 2b dan tegangan T pada tali berangsur-angsur diperbesar. Pada awalnya kotak tetap diam karena ketika tegangan T bertambah, gaya gesekan statis juga bertambah (masih sama dengan besarnya T).

Pada suatu ketika, T menjadi lebih besar dibandingkan dengan gaya gesekan statis maksimum, f_s,maks yang diberikan permukaan. Kemudian kotak tersebut hilang keseimbangan (tegangan T mampu memutus ikatan-ikatan molekul di permukaan kotak dan lantai) dan mulai meluncur. Gambar 2c adalah diagram gaya ketika T berada pada nilai kritisnya. Jika T melampaui nilai ini, kotak tidak lagi berada dalam keadaan setimbang. Untuk sepasang permukaan-permukaan tertentu yang diberikan, nilai maksimum dari f_s bergantung pada gaya normalnya.
Dari percobaan didapat bahwa  dalam banyak kasus nilai maksimum dari f_s,_maks, mendekati sebanding dengan normal. Kita menyebut μ_s sebagai koefisien gesek statis (coefficient of static friction). Beberapa nilai μ_s ditunjukkan pada tabel 1 di atas. Dalam situasi tertentu, gaya gesekan statis actual dapat mempunyai besar berapapun antara nol (bila tidak terdapat gaya lain yang sejajar dengan permukaan) dan nilai maksimum yang diberikan oleh  μ_sN.
Peridaksamaan ini merupakan hubungan antara besar bukan hubungan antara vektor. Tanda sama dengan hanya berlaku ketika gaya yang diberikan T sejajar dengan permukaannya, telah mencapai nilai kritisnya di mana pada keadaan ini gerakan akan dimulai.  Ketika T lebih kecil dari nilai ini (gambar 2b) maka tanda tidak sama dengan berlaku. Jika demikian, kita harus menggunakan kondisi-kondisi kesetimbangan (ΣF = 0) untuk mencari f_s. Jika tidak terdapat gaya terapan (T = 0) seperti gambar 2a, maka tidak terdapat gaya gesekan statis (f_s = 0).

Segera setelah kotak mulai meluncur (gambar 2d), gaya gesekan biasanya lebih mudah mempertahankan kotak tersebutagar tetap bergerak dari pada membuat agar kotak tersebut mulai bergerak. Oleh karena itu, koefisien gesek kinetik biasanya lebih kecil daripada koefisien gesek statis untuk semua jenis pasangan permukaan seperti yang ditunjukkan pada tabel 1. Jika kita mulai tanpa memberikan gaya (T = 0) pada waktu t = 0 dan secara berangsur-angsur meningkatkan gaya ini, maka gaya gesekan sedikit berubah seperti yang ditunjukkan pada gambar 2e.
Dalam beberapa situasi, permukaan-permukaan tersebut akan menempel (gesekan statis) dan menggelincir (gesekan kinetik) secara bergantian. Hal inilah yang menyebabkan bunyi berdecit yang mengilukan yang dikeluarkan kapur tulis. Fenomena menempel-tergelincir (static-slip) terjadi juga pada bunyi berderit yang dikeluarkan oleh bilah-bila wiper ketika permukaan kaca mobil hamper kering, demikian pula dengan bunyi berdecit yang menggangu yang dikeluarkan oleh ban-ban mobil yang meluncur di jalan beraspal. Sebuah contoh yang positif adalah gerakan tongkat biola ketika ketika menggesek senar biola.
Ketika suatu benda meluncur  di atas suatu lapisan gas, gesekan dapat dibuat sangat kecil. Pada landasan udara linear yang digunakan di laboratorium fisika, peluncur-peluncurnya ditopang atas sebuah bantalan udara. Gaya gesekan bergantung pada kecepatan. Tetapi pada laju-laju yang tipikal koefisien gesek efektifnya memiliki orde 0,001. Sebuah peralatan yang mirip adalah meja udara, di mana cakram-cakramnya (puck) didukung oleh sederet jet-jet udara kecil yang terpisah dalam jarak 2 cm.