PERTEMUAN KETIGA nagian pertama

Hukum Newton, Berat, Gaya Normal, Tegangan Tali, Gaya Gesekan, Dinamika Gerak

1:08 AM

PENGANTAR : Mengapa kita harus pelajari ini, karena dalam kontruksi mesin kita akan menemukan gaya gaya dari berbagai macam sumber, ada translasi, rotasi, ada juga translasi dan rotasi. Coba perhatikan hal sederhana misalnya mesin sepeda motor, ada yg dibuat lurus saja mendatar, ada yang mengarah keatas menyudur, ada yang lurus ke atas vertikal. adakah hubungannya dengan gaya gravitasi ...

Hukum Newton, Berat, Gaya Normal, Tegangan Tali, Gaya Gesekan, Dinamika Gerak - Pada bab ini, Anda akan diajak untuk dapat menerapkan konsep dan prinsip kinematika dan dinamika benda titik dengan cara menerapkan Hukum Newton sebagai prinsip dasar dinamika untuk gerak lurus, gerak vertikal, dan gerak melingkar beraturan. Pernahkah Anda melihat sebuah roket yang akan terbang ke luar angkasa? Mengapa sebuah roket ketika meluncur membutuhkan tenaga yang sangat besar? Sebuah roket memiliki gas panas yang dipancarkan dari ruang pembakaran dan pancaran ini menyebabkan timbulnya gaya reaksi pada roket tersebut. Gaya tersebut akan mengangkat serta mempercepat roket sehingga dapat terbang ke luar angkasa.

Seseorang yang telah berjasa dalam ilmu Fisika terutama dinamika, yakni Isaac Newton, mengungkapkan tiga hukumnya yang terkenal tentang gerak. Hingga saat ini, penemuannya tentang gaya dan gerak masih digunakan dalam kehidupan sehari-hari, terutama dalam bidang teknologi modern yang semakin pesat.

Mungkin Anda dapat menemukan contoh dari dinamika dalam kehidupan sehari-hari, seperti pada alat menimba air di dalam sumur ketika Anda akan mengambil air. Sistem yang digunakan dalam alat tersebut adalah katrol, yang membantu Anda dalam menarik ember yang berisi air dengan menggunakan tali. Semua bahasan tersebut akan dibahas dalam materi dinamika berikut ini.

Apa yang Anda lakukan ketika hendak memindahkan atau menggeser sebuah benda? Anda akan mendorongnya atau menariknya, bukan? Demikian pula ketika Anda hendak menghentikan benda yang sedang bergerak, Anda harus menahan gerak benda tersebut. Ketika Anda mendorong, menarik, atau menahan benda, dikatakan Anda tengah mengerahkan gaya pada benda tersebut. Selain itu, Anda juga harus mengerahkan gaya untuk mengubah bentuk benda. Sebagai contoh, bentuk balon atau bola akan berubah bentuk ketika Anda tekan. Dengan demikian, gaya adalah suatu besaran yang dapat mengakibatkan gerak atau bentuk benda menjadi berubah. Pada bab ini,

Anda akan mempelajari gerak dengan memperhatikan gaya penyebabnya. ilmu ini disebut dinamika. Perlu diingat bahwa penulisan besaran vektor pada contoh soal ditulis sebagai besaran skalar saja, sedangkan pada penurunan rumusnya ditulis sebagai vektor.

A. Hukum Newton

Coba dorong sebuah benda di rumah Anda yang menurut Anda berat, Apa yang Anda rasakan? Jika Anda mendorongnya, mungkin akan terasa berat. Akan tetapi, jika teman-teman Anda membantu untuk mendorong benda tersebut, mungkin akan terasa lebih ringan. Mengapa bisa terjadi?

Gambar 1. Seseorang mendorong sebuah piano.

Semakin besar gaya yang diberikan maka semakin mudah Anda mendorongnya. Semua yang Anda lakukan tersebut terjadi karena terdapat gaya yang bekerja pada benda. Teori mengenai dinamika gerak ini diterangkan oleh seorang ilmuwan Fisika yang bernama Isaac Newton.

Dalam bab ini, Anda akan mempelajari hukum gerak Newton secara berurutan. Hukum pertama, memperkenalkan konsep kelembaman yang telah diusulkan sebelumnya oleh Galileo. Hukum kedua, menghubungkan percepatan dengan penyebab percepatan, yakni gaya. Hukum ketiga, merupakan hukum mengenai aksi-reaksi. Newton menuliskan ketiga hukum geraknya dalam sebuah buku yang terpenting sepanjang sejarah, yakni Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, yang dikenal sebagai principia.

Jelajah Fisika :

Buku Principia

Ini adalah halaman judul dari buku Newton yang paling penting, yakni Principia. Newton mengikuti jejak Galileo, yakni menjelaskan alam ini secara matematis. Bagian pertama Principia menjelaskan bahwa ada tiga hukum dasar yang mengatur gerak benda-benda. Setelah itu, Newton memberikan teorinya mengenai gravitasi, yakni gaya yang menarik turun benda yang sedang jatuh. Dengan menggunakan hukum-hukumnya, Newton menunjukkan bahwa gaya gravitasilah yang membuat planet-planet bergerak pada orbitnya pada saat mengelilingi matahari. (Sumber: Jendela Iptek, 1997))

1. Hukum Pertama Newton

Sebelum Anda mempelajari mengenai Hukum Pertama Newton, ada baiknya Anda lakukan percobaan berikut ini.

Percobaan Fisika Sederhana 1 :

Memahami Konsep Kelembaman

Alat dan Bahan :

1. Sebungkus korek api yang penuh dengan isinya
2. Uang logam

Prosedur :

1. Selipkan uang logam di antara bagian dasar wadah batang korek dalam dan luar dengan posisi seperti diperlihatkan pada Gambar 2.
2. Kemudian, pukul-pukul secara perlahan bagian atas wadah korek 20 - 30 kali.
3. Perhatikan apa yang terjadi?
4. Apa yang dapat Anda simpulkan?
5. Diskusikan hasilnya bersama teman dan guru Anda dan presentasikan hasilnya di depan kelas.

Pada eksperimen di atas, Anda akan mendapati bahwa uang logam tersebut tidak jatuh, tetapi keluar dari bagian atas wadah korek api. Mengapa bisa terjadi demikian? Peristiwa ini menunjukkan bahwa benda, dalam hal ini uang logam, cenderung mempertahankan keadaannya. Ketika wadah korek api dipukul-pukul secara perlahan, wadah korek ini bergerak ke bawah.

Gambar 2. Uang logam yang berada di dalam korek api cenderung diam ketika di pukul-pukul.

Akan tetapi, gerakan korek api tidak disertai gerakan uang logam. Uang logam sendiri tetap diam pada posisinya. Hal ini menyebabkan posisi uang logam pada wadah korek api menjadi bergeser ke bagian atas (sebenarnya yang bergeser adalah wadah korek api, ke bawah). Jika pukulan dilakukan terus-menerus secara perlahan-lahan, lama kelamaan uang logam itu akan muncul dari bagian atas wadah korek api.

Banyak peristiwa lain yang menunjukkan bahwa setiap benda cenderung untuk mempertahankan keadaannya. Ketika Anda berada di dalam mobil yang sedang melaju, tiba-tiba mobil direm secara mendadak, Anda akan terdorong ke depan. Demikian juga ketika mobil dari keadaan diam, tiba-tiba akan bergerak ke depan pada saat Anda menginjak gas, Anda akan merasakan bahwa badan Anda menekan bagian belakang tempat duduk Anda. Contoh lainnya adalah ketika mobil yang Anda tumpangi melintasi tikungan, Anda seolah-olah akan terlempar ke sisi luar tikungan.

Pada prinsipnya, benda yang diam akan tetap diam sebelum ada gaya yang menarik atau mendorongnya sehingga dapat bergerak. Demikian juga pada benda yang sedang bergerak dengan kecepatan konstan akan tetap bergerak dengan kecepatan konstan dan akan dapat berhenti jika ada gaya yang melawan gerak tersebut. Keadaan ini disimpulkan oleh Newton sebagai berikut.

Setiap benda tetap dalam keadaan diam atau bergerak dengan kelajuan konstan pada garis lurus kecuali ada resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut. Pernyataan di atas dikenal sebagai Hukum Pertama Newton. Kecenderungan benda mempertahankan keadaannya, yaitu diam atau bergerak dengan kelajuan konstan dalam garis lurus, disebut kelembaman atau inersia. Oleh karena itu, Hukum Pertama Newton disebut juga sebagai hukum Kelembaman.

Contoh Soal 1 :

Jika resultan gaya yang bekerja pada sebuah benda sama dengan nol maka :

a. benda tidak akan dipercepat

b. benda selalu diam

c. perubahan kecepatan benda nol

d. benda tidak mungkin bergerak lurus beraturan

Pernyataan yang benar adalah...

a. (1), (2), dan (3)

b. (1) dan (3) saja

c. (2) dan (4) saja

d. (4) saja

e. (1), (2), (3), dan (4)

Kunci Jawaban :

Dari Hukum Pertama Newton, ΣF=0

• Nilai nol ini disebabkan karena tidak ada percepatan pada benda.

• Jika percepatannya nol, kecepatan benda adalah konstan.

• Jika percepatan benda bernilai nol, benda dapat berada dalam keadaan diam maupun bergerak.

• Jika kecepatan benda bernilai konstan, benda akan bergerak lurus beraturan.

Jawab: b

2. Hukum Kedua Newton

Seperti telah dikemukakan sebelumnya, setiap benda cenderung mempertahankan keadaannya selama tidak ada resultan gaya yang bekerja benda tersebut. Apa yang terjadi jika resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut tidak sama dengan nol? Hasil eksperimen Newton menunjukkan bahwa gaya yang diberikan pada benda akan menyebabkan benda tersebut mengalami perubahan kecepatan. Ketika gaya tersebut searah dengan gerak benda, kecepatannya bertambah dan ketika gaya tersebut berlawanan dengan gerak benda, kecepatannya berkurang. Dengan kata lain, jika resultan gaya yang bekerja pada benda tidak sama dengan nol, benda akan bergerak dengan suatu percepatan.

Hasil eksperimen Newton juga menunjukkan bahwa percepatan benda sebanding dengan resultan gaya yang diberikan. Akan tetapi, hubungan antara resultan gaya dan percepatan pada benda satu yang dihasilkan berbeda dengan benda lainnya. Kenyataan ini mengantarkan Newton pada konsep massa benda.

Massa adalah ukuran kelembaman suatu benda. Semakin besar massa benda, semakin sulit untuk mengubah keadaan geraknya. Dengan kata lain, semakin besar massa benda, semakin besar gaya yang harus diberikan untuk menggerakkannya dari keadaan diam atau menghentikannya dari keadaan bergerak. Sebagai contoh, sebuah mobil lebih lembam dan memerlukan gaya yang besar untuk mengubah geraknya dibandingkan dengan sebuah sepeda motor. Dengan demikian, mobil memiliki massa lebih besar daripada sepeda motor. Hubungan antara resultan gaya, massa, dan percepatan secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

  persamaan (1-1)

dengan : 

F = gaya (newton atau, disingkat, N),

m = massa benda (kg), dan

a = percepatan benda(m/s²).

Semakin besar resultan gaya yang diberikan pada benda, semakin besar percepatan yang dihasilkannya. Jadi, percepatan benda sebanding dengan resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut. Arah percepatan sama dengan arah resultan gayanya.

Gambar 3. Interaksi antara palu dan pasak yang menyebabkan timbulnya gaya aksi-reaksi.

3. Hukum Ketiga Newton

Gaya selalu muncul berpasangan. Ketika Anda memukul pasak kayu menggunakan palu, pasak akan memberikan gaya kepada palu. Demikian pula, ketika Anda berjalan di atas lantai, Anda memberikan gaya pada lantai melalui telapak kaki atau alas sepatu Anda maka lantaipun memberikan gaya pada telapak kaki atau alas sepatu Anda sebagai reaksi terhadap gaya yang Anda berikan. Dengan kata lain, ketika suatu benda memberikan gaya pada benda lainnya, benda kedua akan memberikan gaya yang sama dan berlawanan arah pada benda pertama. Pernyataan di atas dikenal sebagai Hukum Ketiga Newton. Sifat pasangan gaya aksi-reaksi besarnya selalu sama, segaris, saling berlawanan arah, dan bekerja pada benda yang berbeda.

Contoh Soal 2 :

Tiga buah gaya, F1 = 10 N dan F2 = 15 N, dan F3 = c N bekerja pada sebuah benda, seperti ditunjukkan pada gambar berikut. Jika benda tetap diam, berapakah nilai c?

Kunci Jawaban :

Karena benda diam, sesuai dengan Hukum Pertama Newton,

ΣF = 0

F1 + F2 - F3 = 0

sehingga diperoleh

F3 = F1 + F2 = 10 + 15 = 25 N

Contoh Soal 3 :

Dua buah gaya masing-masing 100 N bekerja pada benda 50 kg, seperti terlihat pada gambar.

a. Tentukanlah resultan gaya tersebut.

b. Berapakah percepatannya?

Kunci Jawaban :

a. Gunakan aturan vektor dalam menjumlahkan gaya. Oleh karena F1 dan F2 saling tegak lurus maka sesuai dengan Dalil Pythagoras

b. m = 50 kg maka percepatannya

Catatan Fisika :

Gaya aksi-reaksi terjadi pada benda yang berbeda dan besarnya sama, tetapi arahnya berlawanan.

Contoh Soal 4 :

Tentukan resultan sebuah gaya yang diperlukan untuk menghentikan mobil 1.500 kg yang sedang bergerak dengan kelajuan 72 km/jam dalam jarak 50 m.

Kunci Jawaban :

Diketahui: m = 1.500 kg, v₀ = 72 km/jam = 20 m/s, da

n s = 50 m.

Dari konsep GLBB, v = v₀ + at, percepatan (perlambatan) yang diperlukan supaya mobil berhenti, v = 0, adalah

Dengan demikian, sesuai dengan Hukum Kedua Newton,

F = ma = (1.500 kg)(–4 ms²) = –6.000 N

Tanda negatif menunjukkan bahwa resultan gaya yang diberikan harus berlawanan arah dengan kecepatan awal benda. Jadi, besarnya resultan gaya yang harus diberikan adalah 6.000 N dan berlawanan arah dengan gerak benda.

Jelajah Fisika :

Lift dengan Sistem Kerek

Rancangan lift dengan tenaga air dari abad ke-19 menggunakan kerekan dengan dua arah. Kabel yang kuat meluncur dari atap lift ke atas roda kerekan dan ke bawah roda kerekan lainnya. Kabel itu diikat pada piston yang turun naik dalam tabung. Piston dijalankan oleh tekanan air di dalam tabung dari atas dan bawah. Tali yang melewati pasangan roda kerekan kedua memungkinkan lift membantu memutar katup di dasar lubang, mengarahkan air pada bagian atas atau bawah tabung, mendorong piston ke bawah atau ke atas untuk menaikan atau menurunkan lift. Konsep ini dapat dijelaskan oleh Hukum Ketiga Newton. (Sumber: Jendela Iptek, 1997)

B. Berat, Gaya Normal, dan Tegangan Tali

Berat adalah gaya gravitasi yang bekerja pada suatu benda. Akibat gaya ini, benda yang jatuh bebas akan memperoleh percepatan a = g (percepatan gravitasi bumi). Dengan demikian berat benda dapat ditulis :

w = mg            (1-2)

dengan : 

w = berat benda (N),

m = massa benda (kg), dan

g = percepatan gravitasi bumi (m/s²).

Arah dari gaya gravitasi selalu menuju ke pusat bumi (tegak lurus bidang datar). Ketika benda berada pada suatu bidang, bidang tersebut akan memberikan gaya pada benda tadi yang disebut gaya kontak. Jika gaya kontak ini tegak lurus permukaan bidang maka disebut gaya normal. Besar gaya normal bergantung pada besar gaya lain yang bekerja pada benda. Gambar 4. memperlihatkan beberapa arah gaya normal (dibandingkan dengan gaya gravitasi yang arahnya selalu tegak lurus permukaan bumi). Arah gaya normal selalu tegak lurus bidang tempat benda itu berada.

Gambar 3. Arah gaya normal.

Gaya tegangan tali adalah gaya pada tali ketika tali tersebut dalam keadaan tegang. Arah gaya tegangan tali bergantung pada titik atau benda yang ditinjau. Pada Gambar 5.(a), gaya tegangan tali T yang bekerja pada benda m berarah ke atas, dan sebaliknya, gaya tegangan tali T' pada tempat tali digantungkan berarah ke bawah. Pada Gambar 5.(b), gaya tegangan tali T1 pada m1 berarah ke kanan, sedangkan pada m2 bekerja T2 berarah ke kiri. Akan tetapi, meskipun arahnya berlawanan, besar gaya tegangan talinya sama (T = T' dan T1 = T2).

Gambar 4. Arah gaya tegangan tali.