Seseorang yang telah berjasa dalam ilmu Fisika
terutama dinamika, yakni Sir 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.
Pengertian gaya
Gaya merupakan suatu besaran yang menyebabkan
benda bergerak. Ketika seseorang mendorong
mobil yang mogok, orang tersebut memberikan gaya pada mobil itu. Pada olah raga
bulu tangkis, sebuah gaya diberikan atlet pada bola sehingga menyebabkan bola
berubah arah gerak. Ketika sebuah mesin mengangkat lift, atau martil memukul
paku, atau angin meniup daun-daun pada sebuah pohon, berarti sebuah gaya sedang
diberikan. Kita katakan bahwa sebuah benda jatuh karena gaya gravitasi. Jadi,
gaya dapat menyebabkan perubahan pada benda, yaitu perubahan bentuk, sifat
gerak benda, kecepatan, dan arah gerak benda. Di sisi lain, gaya tidak selalu
menyebabkan gerak. Sebagai contoh, jika kalian mendorong tembok dengan sekuat
tenaga, tetapi tembok tetap tidak bergerak. Sebuah gaya memiliki nilai dan
arah, sehingga merupakan vektor yang mengikuti aturan-aturan penjumlahan vektor
yang telah dibahas sebelumnya Untuk mengukur besar atau kekuatan gaya, dapat
dilakukan dengan menggunakan neraca pegas.
1. Hukum Pertama Newton
Bagaimanakah hubungan antara gaya dan gerak? Aristoteles (384-322 SM)
percaya bahwa diperlukan sebuah gaya untuk menjaga agar sebuah benda tetap
bergerak sepanjang bidang horizontal. Ia mengemukakan alasan bahwa untuk
membuat sebuah buku bergerak melintasi meja, kita harus memberikan gaya pada
buku itu secara kontinu. Menurut Aristoteles, keadaan alami sebuah benda adalah
diam, dan dianggap perlu adanya gaya untuk menjaga agar benda tetap bergerak.
Lebih jauh lagi, Aristoteles mengemukakan, makin besar gaya pada benda, makin
besar pula lajunya. Kira-kira 2000 tahun kemudian, Galileo Galilei (1564- 1642)
menemukan kesimpulan yang sangat berbeda dengan pendapat Aristoteles. Galileo
mempertahankan bahwa sama alaminya bagi sebuah benda untuk bergerak horizontal
dengan kecepatan tetap, seperti saat benda tersebut berada dalam keadaan diam.
Bayangkan pengamatan yang melibatkan sebuah gerak horizontal berikut ini untuk
memahami gagasan Galileo. Untuk mendorong sebuah benda yang mempunyai permukaan
kasar di atas meja dengan laju konstan dibutuhkan gaya dengan besar tertentu.
Untuk mendorong benda lain yang sama beratnya tetapi mempunyai permukaan yang
licin di atas meja dengan laju yang sama, akan memerlukan gaya lebih kecil.
Jika selapis minyak atau pelumas lainnya dituangkan antara permukaan benda dan
meja, maka hampir tidak diperlukan gaya sama sekali untuk menggerakkan benda
itu. Pada urutan kasus tersebut, gaya yang diperlukan makin kecil. Sebagai
langkah berikutnya, kita bisa membayangkan sebuah situasi di mana benda
tersebut tidak bersentuhan dengan meja sama sekali, atau ada pelumas yang
sempurna antara benda itu dan meja, dan mengemukakan teori bahwa sekali
bergerak, benda tersebut akan melintasi meja dengan laju yang konstan tanpa ada
gaya yang diberikan. Sebuah bantalan peluru baja yang bergulir pada permukaan
horizontal yang keras mendekati situasi ini. Demikian juga kepingan pada meja
udara, di mana lapisan udara memperkecil gesekan sehingga hampir nol. Galileo membuat
kesimpulan hebatnya, bahwa jika tidak ada gaya yang diberikan kepada benda yang
bergerak, benda itu akan terus bergerak dengan laju konstan pada lintasan yang
lurus. Sebuah benda melambat hanya jika ada gaya yang diberikan kepadanya.
Dengan demikian, Galileo menganggap gesekan sebagai gaya yang sama dengan
dorongan atau tarikan biasa. Sebagai contoh, mendorong sebuah buku melintasi
meja dengan laju tetap dibutuhkan gaya dari tangan kalian, hanya untuk
mengimbangi gaya gesek. Jika sebuah buku bergerak dengan laju konstan, gaya
dorong kalian sama besarnya dengan gaya gesek, tetapi kedua gaya ini memiliki
arah yang berbeda, sehingga gaya total pada benda (jumlah vektor dari kedua
gaya) adalah nol. Hal ini sejalan dengan sudut pandang Galileo, karena benda
bergerak dengan laju konstan ketika tidak ada gaya total yang diberikan
padanya.
Berdasarkan penemuan ini, Isaac Newton
(1642-1727), membangun teori geraknya yang terkenal. Analisis Newton tentang
gerak dirangkum dalam “tiga hukum gerak”-nya yang terkenal. Dalam karya
besarnya, Principia (diterbitkan tahun 1687), Newton menyatakan terima
kasihnya kepada Galileo. Pada kenyataannya, hukum pertama Newton tentang gerak
sangat dekat dengan kesimpulan Galileo. Hukum I Newton menyatakan bahwa:
Setiap benda tetap berada
dalam keadaan diam atau bergerak dengan laju tetap sepanjang garis lurus,
kecuali jika diberi gaya total yang tidak nol.
Kecenderungan sebuah benda untuk mempertahankan
keadaan diam atau gerak tetapnya pada garis lurus disebut inersia
(kelembaman). Sehingga, Hukum I Newton sering disebut Hukum Inersia.
Hukum I Newton tidak selalu berlaku pada setiap kerangka acuan. Sebagai contoh,
jika kerangka acuan kalian tetap di dalam mobil yang dipercepat, sebuah benda
seperti cangkir yang diletakkan di atas dashboard mungkin bergerak ke
arah kalian (cangkir tersebut tetap diam selama kecepatan mobil konstan).
Cangkir dipercepat ke arah kalian tetapi baik kalian maupun orang atau benda
lain memberikan gaya kepada cangkir tersebut dengan arah berlawanan. Pada kerangka
acuan yang dipercepat seperti ini, Hukum I Newton tidak berlaku. Kerangka acuan
di mana Hukum I Newton berlaku disebut kerangka acuan inersia. Untuk
sebagian besar masalah, kita biasanya dapat menganggap bahwa kerangka acuan
yang terletak tetap di Bumi adalah kerangka inersia (walaupun hal ini tidak
tepat benar, karena disebabkan oleh rotasi Bumi, tetapi cukup mendekati).
Kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan konstan (misalnya sebuah mobil)
relatif terhadap kerangka inersia juga merupakan kerangka acuan inersia.
Kerangka acuan di mana hukum inersia tidak berlaku, seperti kerangka acuan yang
dipercepat di atas, disebut kerangka acuan noninersia. Bagaimana kita
bisa yakin bahwa sebuah kerangka acuan adalah inersia atau tidak? Dengan
memeriksa apakah Hukum I Newton berlaku. Dengan demikian Hukum I Newton
berperan sebagai definisi kerangka acuan inersia.
2. Hukum Kedua Newton
Hukum I Newton menyatakan bahwa jika tidak ada
gaya total yang bekerja pada sebuah benda, maka benda tersebut akan tetap diam,
atau jika sedang bergerak, akan bergerak lurus beraturan (kecepatan konstan).
Selanjutnya, apa yang terjadi jika sebuah gaya total diberikan pada benda
tersebut? Newton berpendapat bahwa kecepatan akan berubah. Suatu gaya total
yang diberikan pada sebuah benda mungkin menyebabkan lajunya bertambah. Akan
tetapi, jika gaya total itu mempunyai arah yang berlawanan dengan gerak benda,
gaya tersebut akan memperkecil laju benda. Jika arah gaya total yang bekerja
berbeda arah dengan arah gerak benda, maka arah kecepatannya akan berubah (dan
mungkin besarnya juga). Karena perubahan laju atau kecepatan merupakan
percepatan, berarti dapat dikatakan bahwa gaya total dapat menyebabkan
percepatan. Bagaimana hubungan antara percepatan dan gaya?
Pengalaman sehari-hari dapat menjawab pertanyaan
ini. Ketika kita mendorong kereta belanja, maka gaya total yang terjadi
merupakan gaya yang kita berikan dikurangi gaya gesek antara kereta tersebut
dengan lantai. Jika kita mendorong dengan gaya konstan selama selang waktu
tertentu, kereta belanja mengalami percepatan dari keadaan diam sampai laju
tertentu, misalnya 4 km/jam. Jika kita mendorong dengan gaya dua kali lipat
semula, maka kereta belanja mencapai 4 km/jam dalam waktu setengah kali
sebelumnya. Ini menunjukkan percepatan kereta belanja dua kali lebih besar.
Jadi, percepatan sebuah benda berbanding lurus dengan gaya total yang
diberikan. Selain bergantung pada gaya, percepatan benda juga bergantung pada
massa. Jika kita mendorong kereta belanja yang penuh dengan belanjaan, kita
akan menemukan bahwa kereta yang penuh memiliki percepatan yang lebih lambat.
Dapat disimpulkan bahwa makin besar massa maka akan makin kecil percepatannya,
meskipun gayanya sama. Jadi, percepatan sebuah benda berbanding terbalik dengan
massanya. Hubungan ini selanjutnya dikenal sebagai Hukum II Newton, yang
bunyinya sebagai berikut:
Percepatan sebuah benda
berbanding lurus dengan gaya total yang bekerja padanya dan berbanding terbalik
dengan massanya. Arah percepatan sama dengan arah gaya total yang bekerja
padanya.
Hukum II Newton tersebut dirumuskan secara
matematis dalam persamaan:
ΣF = m.a
dengan:
a = percepatan (m/s2) m =
massa benda (kg)
ΣF = resultan gaya (N)
Satuan gaya menurut SI adalah newton (N). Dengan
demikian, satu newton adalah gaya yang diperlukan untuk memberikan percepatan
sebesar 1 m/s2 kepada massa 1 kg. Dari definisi tersebut, berarti 1
N = 1 kg.m/s2. Dalam satuan cgs, satuan massa adalah gram (g).
Satuan gaya adalah dyne, yang didefinisikan sebagai besar gaya yang diperlukan
untuk memberi percepatan sebesar 1 cm/s2 kepada massa 1 g. Dengan
demikian, 1 dyne = 1 g.cm/s2. Hal ini berarti 1 dyne = 10-5
N.
3. Hukum Ketiga Newton
Hukum II Newton menjelaskan secara kuantitatif
bagaimana gaya-gaya memengaruhi gerak. Tetapi kita mungkin bertanya, dari mana
gaya-gaya itu datang? Berdasarkan pengamatan membuktikan bahwa gaya yang
diberikan pada sebuah benda selalu diberikan oleh benda lain. Sebagai contoh,
seekor kuda yang menarik kereta, tangan seseorang mendorong meja, martil
memukul/ mendorong paku, atau magnet menarik paku. Contoh tersebut menunjukkan
bahwa gaya diberikan pada sebuah benda, dan gaya tersebut diberikan oleh benda
lain, misalnya gaya yang diberikan pada meja diberikan oleh tangan.
Newton menyadari bahwa hal ini tidak sepenuhnya
seperti itu. Memang benar tangan memberikan gaya pada meja. Tetapi meja
tersebut jelas memberikan gaya kembali kepada tangan. Dengan demikian, Newton
berpendapat bahwa kedua benda tersebut harus dipandang sama. Tangan memberikan
gaya pada meja, dan meja memberikan gaya balik kepada tangan. Hal ini merupakan
inti dari Hukum III Newton, yaitu:
Ketika suatu benda memberikan
gaya pada benda kedua, benda kedua tersebut memberikan gaya yang sama besar
tetapi berlawanan arah terhadap benda pertama.
Hukum III Newton ini kadang dinyatakan sebagai
hukum aksi-reaksi, “untuk setiap aksi ada reaksi yang sama dan berlawanan
arah”. Untuk menghindari kesalahpahaman, sangat penting untuk mengingat bahwa
gaya “aksi” dan gaya “reaksi” bekerja pada benda yang berbeda. Kebenaran Hukum
III Newton dapat ditunjukkan dengan contoh berikut ini. Perhatikan tangan
kalian ketika mendorong ujung meja. Bentuk tangan kalian menjadi berubah, bukti
nyata bahwa sebuah gaya bekerja padanya. Kalian bisa melihat sisi meja menekan
tangan kalian. Mungkin kalian bahkan bisa merasakan bahwa meja tersebut
memberikan gaya pada tangan kalian; rasanya sakit! Makin kuat kalian mendorong
meja itu, makin kuat pula meja tersebut mendorong balik. Perhatikan bahwa
kalian hanya merasakan gaya yang diberikan pada kalian, bukan gaya yang kalian
berikan pada benda-benda lain.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar