Saturday, 22 January 2011

Hukum Newton tentang gerak

GAYA DAN HUKUM-HUKUM NEWTON TENTANG GERAK A. Hukum I Newton tentang Gerak Dalam kehidupan sehari-hari, kita sering mengamati bahwa benda yang diam akan cenderung diam. Misalnya, sebuah buku yang terletak di atas meja akan tetap di temapt jika tidak ada gaya lain yang mempengaruhinya. Mengapa demikian? Hal ini telah dijawab oleh Newton berdasarkan pengamatanpengamatannya pada benda-benda yang mengalami gaya seimbang atau resultan gaya yang bekerja padanya sama dengan nol. Sebagian dari hukum I Newton menyatakan bahwa suatu benda yang dalam keadaan diam akan tetap diam jika tidak terdapat resultan gaya yang bekerja pada benda”. Jadi, jika sebuah buku berada di atas meja, buku akan mengerjakan gaya pada meja sebesar beratnya. Meja mengimbangi gaya berat itu dengan gaya normal yang besarnya sama dan arahnya berlawanan dengan gaya berat. Akhirnya resultan gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol. Karena itu buku tetap diam selama tidak ada resultan gaya lain yang mempengaruhinya. Bagaimana dengan perilaku benda yang bergerak? Pakar fisika sebelum Newton menyatakan bahwa benda yang bergerak cenderung menuju diam sehingga benda memerlukan gaya terus-menerus agar tetap bergerak. Pernyataan ini nampaknya sesuai dengan pengalaman sehari-hari, tetapi Newton memiliki pemikiran yang lain. Penjelasan Newton adalah sebagai berikut. Perhatikan Gambar 5.1 di bawah. Gambar 5.1 Gaya yang Bekerja pada Sebuah Benda yang Bergerak dengan Kelajuan V Sebuah balok bergerak dengan kelajuan v ke kanan. Pada sumbu vertikal, terdapat dua buah gaya, yaitu gaya berat W dan gaya normal bidang N. Keduanya mempunyai besar yang sama, tetapi arahnya berlawanan sehingga Ilmu Pengetahuan Alam 2 Paket 5 Hukum-hukum Newton Tentang Gerak 5 - 8 resultan atau jumlah gaya pada sumbu vertikal sama dengan nol. Σ Fy = 0. Jadi, tidak terdapat gerakan pada sumbu vertikal. Pada sumbu horisontal terdapat gaya gesekan yang arahnya melawan gerak benda dan tidak ada yang mengimbanginya. Gaya inilah yang menyebabkan benda semakin lama kelajuannya semakin rendah dan akhirnya diam. Dalam kehidupan sehari-hari, sangat sulit menunjukkan benda yang tidak mengalami gaya gesekan sama sekali karena udarapun ternyata menghasilkan gaya gesekan (Gambar 5.2). Namun, jika gaya gesekan tidak terjadi benda akan terus-menerus bergerak dengan kelajuan yang konstan. Karena itu Hukum I Newton menyatakan bahwa, jika tidak terdapat resultan gaya yang bekerja pada benda, benda akan bergerak dengan kecepatan konstan. Jadi Hukum I Newton secara keseluruhan dapat dinyatakan bahwa sebuah benda akan tetap diam atau bergerak dengan kecepatan konstan jika tidak terdapat resultan gaya yang bekerja padanya. Gambar 5.2 Jika Gaya Gesekan Kecil, Benda Akan Cenderung terus Bergerak Hukum I Newton terkait erat dengan konsep kelembaman. Kelembaman adalah sifat materi yang mempertahankan dari perubahan gerak. Jadi, sebuah benda yang diam cenderung tetap diam dan benda yang bergerak cenderung untuk terus-menerus bergerak. Kelembaman sebuah benda berhubungan dengan massanya. Semakin besar massa benda, akan semakin besar kelembamannya (Gambar 5.3). Artinya, jika benda diam sulit untuk digerakkan, sedangkan jika sudah bergerak sulit dihentikan. Kelembaban sering kita alami ketika kita berada di dalam mobil. Jika mulamula mobil diam dan kemudian dijalankan secara tiba-tiba, kita akan tersentak ke belakang. Hal ini terjadi karena tubuh kita cenderung mempertahankan Ilmu Pengetahuan Alam 2 Paket 5 Hukum-hukum Newton Tentang Gerak 5 - 9 kedudukannya. Sebaliknya, ketika mobil sedang melaju kencang dan direm secara tiba-tiba, kita akan tersentak ke depan. Hal ini juga didisebabkan tubuh kita mempertahankan gerakannya pada kelajuan tertentu. Gambar 5.3 Karena Massanya yang Besar, jika telah Bergerak, Kereta Api Sulit untuk Dihentikan Contoh Soal Sebuah balok diam di atas lantai yang kasar. Massa balok 100 kg dan percepatan gravitasi bumi 9,8 m/s2. Jika balok didorong dengan gaya 50 N dan balok dalam keadaan diam, berapakah gaya gesek lantai dengan balok? Jawab: Gaya-gaya yang bekerja pada balok dapat digambarkan sebagai mana Gambar 5.4 berikut. Gambar 5.4 Gaya-gaya yang Bekerja pada Sebuah Balok Karena benda diam, resultan gaya besarnya sama dengan nol. Pada sumbu Y, gaya berat diimbangi oleh gaya nornal. Pada sumbu X gaya dorong diimbangi oleh gaya gesekan lantai pada benda. Jadi gaya gesekan lantai sama dengan gaya dorong yakni 50 N. B. Hukum II Newton tentang Gerak Hukum I Newton yang telah kita pelajari sebelumnya membahas tentang benda-benda yang resultan gayanya sama dengan nol. Benda yang resultan gayanya sama dengan nol akan berhenti atau bergerak dengan kecepatan Ilmu Pengetahuan Alam 2 Paket 5 Hukum-hukum Newton Tentang Gerak 5 - 10 tetap. Pada Hukum II Newton, akan dibahas benda yang resultan gaya yang bekerja padanya tidak sama dengan nol atau bekerja gaya-gaya yang tidak seimbang. Benda dengan resultan gaya tidak sama dengan nol akan mengalami perubahan gerak. Untuk lebih memahami Hukum II Newton, kita dapat melakukan eksperimen tentang hubungan antara resultan gaya, massa benda dan percepatan benda. Untuk mendapatkan hasil yang baik, disarankan eksperimen dilakukan pada tempat yang gaya gesekan dapat diminimalkan, misalnya pada permukaan licin. Benda diletakkan di atas lantai licin dan dikenai gaya untuk diketahui percepatannya. Pengaruh gaya pada percepatan untuk massa yang konstan adalah sebagai Gambar 5.5 berikut. Gambar 5.5 Benda Didorong dengan Gaya yang Berbeda Dari beberapa eksperimen ini dapatlah disimpulkan bahwa jika resultan gaya (ΣF) bekerja pada benda bermassa m, benda akan mengalami percepatan sebesar a dengan hubungan matematis: Resultan gaya = massa x percepatan ΣF= m.a (7) Hukum II Newton dapat diungkapkan dengan kata-kata sebagai berikut. “Resultan gaya yang bekerja pada suatu benda akan menyebabkan benda dipercepat searah dengan arah gaya. Besar percepatan bergantung pada besar gaya dan massa benda. Semakin besar gaya akan semakin besar percepatan benda. Semakin besar massa benda diperlukan gaya yang lebih besar untuk mendapatkan percepatan yang sama”. Contoh Soal Dua buah balok dihubungkan dengan sebuah tali ringan melalui sebuah katrol yang tanpa gesekan. Benda 50 kg terletak di atas lantai licin sementara benda 30 kg tergantung di udara. Berapakah percepatan sistem benda? Jawab Sketsa gaya-gaya yang bekerja pada sistem benda dapat digambarkan sebagai berikut (Gambar 5.6). Ilmu Pengetahuan Alam 2 Paket 5 Hukum-hukum Newton Tentang Gerak 5 - 11 Gambar 5.6 Gaya-gaya yang Bekerja pada Sebuah Benda dan Diagram Gayanya Karena tidak ada gesekan antara balok 1 dan lantai, berlaku rumus: m .a = T 1 Pada m2, berlaku rumus: m .g T m .a 2 2 − = Jika dua buah persamaan tersebut disubtitusikan, akan didapatkan: Jadi percepatan sistem benda adalah 3,7 m/s2. C. Hukum III Newton tentang Gerak Ketika kita menendang bola, kita dapat merasakan bahwa bola juga melakukan gaya pada kaki kita, ketika berenang kita memberi gaya pada air dan sebaliknya air akan mendorong kita. Roket mendorong udara dan sebaliknya udara mendorong roket sehingga roket dapat meluncur (Gambar 5.7). Newton telah mengamati berbagai fenomena ini dan menyimpulkannya dalam Hukum III Newton. 5.7 Gejala Aksi Reaksi dalam Kehidupan Sehari-hari Hukum III Newton dapat dinyatakan sebagai berikut. “Jika benda pertama memberikan gaya pada benda kedua, benda yang kedua juga akan memberikan gaya pada benda pertama dengan besar yang sama dan arahnya berlawanan dengan arah gaya dari benda pertama”. Dengan kata 2 1 2 2 3,7 ( ) . s m m m a m g = + = Ilmu Pengetahuan Alam 2 Paket 5 Hukum-hukum Newton Tentang Gerak 5 - 12 lain, dapat dinyatakan bahwa. Setiap ada gaya aksi selalu ada gaya reaksi yang besarnya sama dan arahnya berlawanan. Perlu diketahui bahwa gaya aksi dan gaya reaksi bekerja pada dua benda yang berbeda. Jadi meskipun terdapat dua gaya yang sama besarnya dan arahnya berlawanan, gaya-gaya itu belum tentu gaya aksi reaksi. Untuk lebih jelasnya, perhatikan contoh pada Gambar 5.8 berikut. Gambar 5.8 Gaya-gaya pada Sistem Benda Diam Sebuah balok terletak di atas meja. Karena balok mempunyai massa, balok menderita gaya berat W yang besarnya sama dengan massa (m) kali percepatan gravitasi (g). Karena gaya berat inilah, balok memberikan gaya pada meja sebesar W’ yang besarnya sama dengan W. W’ adalah gaya aksi. Menurut Hukum III Newton meja akan memberikan gaya reaksi N yang besarnya sama dengan W’ dan arahnya berlawanan pada balok. Jadi, dalam hal ini pasangan aksi-reaksi adalah N dan W’. Perlu diingat bahwa W’ dan N bukanlah gaya-gaya seimbang karena keduanya bekerja pada benda yang berbeda. Gaya-gaya seimbang adalah antara W dengan N yang keduanya bekerja pada benda yang sama yaitu balok. Gayagaya yang bekerja pada balok dapat digambarkan seperti diagram benda bebas Gambar 5.9 berikut: Gambar 5.9 Diagram benda bebas Resultan gaya yang bekerja pada balok sama dengan nol, sehingga balok diam di atas meja. Dengan Hukum III Newton ini, kita dapat menjelaskan mengapa seseorang yang memakai sepatu roda dan mendorong tembok akan terdorong ke belakang. Ketika orang mendorong tembok, tembok akan Ilmu Pengetahuan Alam 2 Paket 5 Hukum-hukum Newton Tentang Gerak 5 - 13 memberikan reaksi mendorong orang dengan gaya yang sama. Jadi baik tembok maupun orang mengalami gaya yang besarnya sama. Karena tembok lebih lembam, maka tembok akan cenderung diam, sedangkan orang yang relatif kurang lembam cenderung terdorong ke belakang. Latihan 1. Sebuah balok meluncur di atas lantai yang licin sempurna dengan kecepatan awal 10m/s. Lima detik kemudian berapakah kecepatan balok? 2. Sebuah gaya 100 Newton bekerja pada sebuah benda yang massanya adalah 10 kg. Benda terletak di atas lantai, yang gaya gesekan lantai dengan benda adalah 40 N. Bagaimana gerakan benda? Jelaskan! Rangkuman 1. Hukum I Newton menyatakan bahwa sebuah benda akan tetap diam atau bergerak dengan kecepatan konstan jika tidak terdapat resultan gaya yang bekerja padanya. 2. Hukum II Newton menyatakan bahwa resultan gaya yang bekerja pada suatu benda akan menyebabkan benda dipercepat searah dengan arah gaya. Besar percepatan bergantung pada besar gaya dan massa benda. Semakin besar gaya akan semakin besar percepatan benda dan semakin besar massa benda diperlukan gaya yang lebih besar untuk mendapatkan percepatan yang sama. 3. Hukum III Newton menyatakan bahwa setiap ada gaya aksi selalu ada gaya reaksi yang besarnya sama dan arahnya berlawanan. 4. Permasalahan gerak dalam kehidupan sehari-hari dapat dijelaskan dengan menggunakan Hukum-hukum Newton tentang Gerak.