Hukum Gerak Newton

1. HukumGerak Newton

2. TujuanPembelajaran • Menjelaskansecarafisikakonsepgayadangayasebagaivektor. • Menentukanpentingnyagayanettopadabendadanpengaruhnyajikagayanetto nol. • Menyelesaikanhubunganantaragayanetto, massadanpercepatan. • Menganalisagayapadaduabenda yang salingberhubungan.

3. Bab yang akandipelajari • Gaya danInteraksi • Hukum Newton I • Hukum Newton II • Hukum Newton III • Diagram Gaya Bebas

4. Pendahuluan • Denganmengetahuibagaimanapersamaangeraksuatubendakitadapatmengetahuisaattertentudimanaposisibendaberada, berapabesarkecepatandanpercepatanbenda. • Namundemikian, kinematikatidakmemberikaninformasimengenaipenyebabbendabergerak. • Padababinikitaakanmempelajaritentanggeraksecaraumum yang tidakhanyafokusgerakanbendasajamelainkanjugapenyebabbendatersebutbergerak.

5. Secaraalamiah, hampirsetiapbenda yang kitalihatsehari-haricenderungberadadalamkeadaan diam. Misalnyabatu yang adadisungai, mejadankursi yang adadiruangan • Demikianjugadengan air yang mengalir. Ketika air yang mengalirtersebuttelahsampaipadasuatumuaradimanasudahtidakadalagi “tempat yang lebihrendah” makaalirannya pun akanberhenti. • Jikasecaraalamiahbenda-bendacenderungmemilihuntukberadadalamkeadaandiamberartiuntukmengubahkeadaanbendatersebut agar bergeraktentunyadiperlukansesuatuuntukmengubahkeadaannyatersebut.

6. Sebagaicontoh, kitainginmemindahkanlemaridarisatutempatketempat lain didalamsebuahruangan. Kita biasanyamendorongmejatersebutataumenariknya.

7. Padaprosespemindahanlemari, kitatelahmelakukan “sesuatu” terhadaplemaritersebutsehinggalemaribergerakdanberpindahtempat. • Dalamterminologi yang lebihumum, “sesuatu” tersebutdikenaldengangaya. • Gaya inilah yang bertanggungjawabterhadapdinamikabenda-bendadisekitarkita, apakahbenda-bendatersebutberadadalamkeadaandiamataubergerak. • Gaya dapatmenyebabkanbenda-benda yang semulaberadadalamkeadaandiammenjadibergerak. • Gaya jugadapatmenyebabkanbenda-benda yang semulaberadadalamkeadaanbergerakmenjadi diam.

8. Konsepgayaterangkumdalamtigahukum yang sangattermahsyur, yang dicetuskanolehseorangilmuwanbrilian, Sir Isaac Newton, padatahun 1687. Tigahukumtersebutdikenaldengannamahukum Newton. • Konsephukum Newton dapatkitaterapkanuntukmenganalisagerakbenda. • Namundemikian, hukum Newton tidakdapatkitaterapkanuntukbenda-bendaberskalaatomik

9. Gaya danInteraksi • Secarakonseptualgayadidefinisikansebagaisuatupengaruh yang bekerjapadasuatubenda yang dapatmengubahkeadaanbendatersebut.

10. Beban yang terlalubesarmenyebabkankudaterangkatkeataskarenakudatidakdapatmenahanbebantersebut.

11. Mengapapenambahanbebandapatmenyebabkankudaterangkatkeatas? Hal inidikarenakansemakinbanyakjumlahbeban yang dimasukkandalamgerobakmakasemakinbesar pula beratbeban yang harusditanggungolehkuda. • Padakeadaandimanakudasudahtidakmampumempertahankankesetimbangannyamakakudatersebutterangkatkeatas. • Peristiwainimiripdenganpermainanjungkat-jungkitdimanajikabebantidakseimbangmakasalahsatusisiakanterangkatkeatassedangkansisi yang lain akanturunkebawah.

12. Sesuatu yang menyebabkankudaterangkatkeatasdangerobaktempatmeletakkanbarang-barangterdorongkebawahdisebutsebagaigaya. • Dalamhalinigaya yang bekerjaadalahgayagravitasiyaitugaya yang timbulkarenainteraksiantarabendadenganpercepatangravitasibumi. • Secaraumumgayamerupakantarikanataudorongan yang bekerjapadasuatubenda yang menyebabkanperubahankeadaanbendatersebut.

13. Duaberuangsedangbermaindorong-dorongan. Apa yang dilakukanberuangtersebutadalahcontohdarigayadorong.

14. Padapermainansepak bola, menendangdanmenyundulbola bisajugadiartikandenganmendorong bola.

15. Gaya dapatbekerjaterhadapbendamelaluiduamekanismeinteraksiyaituinteraksilangsungdantidaklangsung. • Contohinteraksilangsungyaituinteraksiantara kaki dengan bola yang akanditendangataupadasaatmendoronglemari • Contohinteraksitidaklangsungsepertiinteraksiantarabuahapeldenganpercepatangravitasi yang menyebabkanapeljatuhdaridahanpohonatauinteraksi yang terjadipadasaatmendekatkan magnet dengansebuahpakubesi

16. Ketikagayabekerjapadasuatubendamakabendatersebutakanbergesermengikutiarahtarikanataudorongangaya. Dapatdisimpulkanbahwagayamerupakanbesaranvektoryaitubesaran yang memilikibesardanarah. • Gaya disimbolkandenganhurufF. Satuangayadalam SI adalah Newton. Gaya jugadapatdinyatakandalamsatuan dyne. 1 N = 105 dyne. • Gaya dangerakmerupakanduakonsep yang salingberkaitansatusama lain. Konsepgayadangerakinimerupakanintidaridinamikagerakbenda. • Gerakbendaberhubungandenganperubahanposisibendadimanaperubahantersebutdapatterjadijikaadagaya yang yangbekerjapadabendatersebut.

17. Hukum Newton 1 • Suatuketikakamumungkinpernahnaikkendaraanumumataubiskuning. Seringterjadiperistiwadimanakendaraandiremsecaramendadakdimanapadasaatituparapenumpangada yang jatuhataubergeserdaritempatdiadudukatauberdiri. • Penjelasanmengapapenumpangtersungkurkedepanpadasaatkendaraandiremmendadakmerupakansalahsatukonsep fundamental dalambidangilmufisika. • Konseptersebutberkaitandenganinersia. Apaituinersia? Inersiaadalahkecenderunganbendauntukmempertahankankeadaannya. Inersiadisebutjugakelembaman.

18. PadaGambarterlihatsebuahboneka yang menyerupaimanusiadigunakanuntukmensimulasikanperistiwatabrakandanpengeremanmendadak.

19. Dalamhalinipengeremanmerupakanbentukgaya yang diberikan agar keadaanmobilberubahyaitudarikeadaanbergerakmenjadi diam. • KeadaanAndapadasaatituadalahbergerakbersama-samamobiltetapikarenaadagaya yang bekerja (yaitupengereman) tubuhAndaberusahamempertahankankeadaanbergeraknyasehinggapadasaatmobiltiba-tibaberhentiAndamerasaterdorongkedepan. Efeksemacaminilah yang disebutdenganinersia.

20. Hukum I Newton berkaitaneratdenganinersia. SecarasederhanaHukum I Newton dapatdinyatakansebagaiberikut: “Sebuahbendaakantetappadakeadaanawalnya (diamataubergerakdengankecepatantetap) kecualiterdapatgayaeksternalnetto yang bekerjapadabendatersebut” • Untuklebihjelasnyamarikitabahasbeberapacontohsederhanaberikutini!

21. Gaya bekerjapadabenda yang beradadalamkeadaandiam • Sebuahminiaturbumi (globe) diletakkandiujungjaridanberadadalamkeadaansetimbang (tidakjatuh). Globe dipengaruhiolehgayagravitasibumi yang arahnyakebawah. Namunkarenaterdapatgayareaksi yang mengimbangikeatasmakajumlahgayapadaarahvertikaladalah nol. Demikianjugagayapadaarahhorisontal. Karena total gaya yang bekerjapada globe nolmaka globe tidakjatuh.

22. Gaya bekerjapadabenda yang beradadalamkeadaandiam • Keadaankesetimbanganseperti globe padagambardisampingdisebutkesetimbanganlabildimana, pemberiangaya yang kecilsajadapatmenyebabkankesetimbangan globe terganggusehingga globe dapatterjatuh.

23. Gaya yang bekerjapadabenda yang beradadalamkeadaanbergerakdengankecepatankonstan

24. Gaya yang bekerjapadabenda yang beradadalamkeadaanbergerakdengankecepatankonstan • Mobil bergerakdengankecepatankonstandijalan yang lurus. Ketikamobilakanberbelokatauberhentikarenalampumerahmenyalamakamobilharusmengeremuntukmengurangilajunya. Dalamkeadaansepertiinipemberiangayaberupa “pengereman” menyebabkanmobilmengalamiperubahankecepatanyaitumenjadisemakinlambat. • Jikamobiltidakdiremmakamobilakanterusbergerakdengankecepatan yang sama. Hal iniberartijikatidakterdapatsuatugaya yang mengubahkeadaannyamakamobilakantetapbertahanpadakeadaanawalnya.

25. Gaya-gaya yang bekerjapadasuatubendaterkadangtidakselaluberjumlah nol. Jikajumlah total gaya yang bekerjapadasuatubendatidaknolmakabendaakanbergerakdenganpercepatantertentudimanapercepatantersebutmerupakanperbandinganantarabesargaya yang bekerjadenganmassabenda. • Dinamikagerakbenda yang disebabkanolehsuatugayatertentumerupakansalahsatudaripenerapanHukum Newton selanjutnyayaituHukum II Newton.

26. Hukum Newton 2 • PerhatikanGambar, seoranggadismenarikgerobaknyadengantali yang membentuksudutθ. GadistersebutmenarikgerobaknyadengangayasebesarF.Gerobakbergeraksearahdenganarahtarikangadisitu.

27. Hukum II Newton merupakankonsep fundamental yang menerangkanketerkaitanantaragaya yang bekerjapadasuatubendadanfenomenagerak yang terjadipadabendaakibatgayatersebut. Hukum II Newton secarasederhanadapatdinyatakansebagaiberikut: “Gaya total yang bekerjapadasuatubenda yang memilikimassatertentuakanmenyebabkanbendabergerakdenganpercepatan yang besarnyasebandingdengangayadibagimassabenda”

28. SecaramatematikHukum II Newton dinyatakandenganpersamaan:

29. Gaya total menunjukkanpenjumlahansemuagaya yang bekerjapadabenda. • Dalamsistemkoordinat Cartesian, gayadapatbekerjapadaarahx, y, danz.

30. Kita telahmempelajaribahwapercepatan yang dialamibendamenyebabkankecepatanbendatersebutberubah, makapersamaansebelumnyamenjadi:

31. Kita dapatmengaplikasikanhukum II Newton untukmengetahuibagaimanadistribusigayadanpercepatan yang dialamiolehgerobak θ

32. Walaupungaya yang bekerjapadagerobakterdiridariduakomponennamungerobakhanyabergerakpadaarahmendatarsajayaituarahx. • Gerobaktidakbergerakdalamarahydikarenakangayatersebuttidakcukupmengimbangigayagravitasi yang bekerjapadabenda. • komponengaya yang menyebabkangerobakbergerakadalahgayaF = F cosθ. • Gaya tersebutadalahsatu-satunyagaya yang bekerjapadabendadalamarahx yang menyebabkangerobakbergerak.

33. Percepatangerakbalokdengandemikianadalah: • Percepatangerobaksearahdenganarahgaya total yang bekerjapadagerobakyaitupadaarahx. • Denganmenggunakankonseptersebut, analisaterhadapsistem yang didalamnyabekerjasejumlahgayadapatdilakukandenganlebihmudah.

34. Sebagaiilustrasisederhanaperhatikansebuahkotak yang ditarikdengantigagayadimanaarahdanbesarnyaditunjukkanpadaGambar.Berapakahpercepatan total yang dialamikotaktersebut?

35. Jadigayanetto yang bekerjapadakotakadalahsebesar 80 N padasumbux (–) dan 80 N padasumbuy (+). • Percepatankotakadalah: • Percepatan total (aT) yang dimilikikotakadalah:

36. Kotakbergeraksesuaidenganarahgaya total

37. Massa danBerat • Massa danberatmerupakanduakuantitas yang berbedanamunberhubungansatusama lain. • Massa merupakansifatintrinsik yang dimilikiolehsebuahbenda yang menyatakantingkatresistensinyaterhadappercepatan yang bekerjapadabendatersebut. • Dalamkehidupansehari-harikitaseringmendengarorangmengatakan, misalnya, “beratbadansaya 60 kg”. BagiAnda yang memahamiperbedaanantaraberatdanmassamakapernyataantersebutakanterasajanggal. • Mengapademikian? Karenasatuandaribesaranberatbukanlah kg melainkan Newton (N). Besaran yang memilikisatuan kg adalahmassa. Massa danberatadalahduabesaran yang berbeda.

38. Untukmengetahuimassasuatubendamakadigunakanalatukur yang bekerjaberdasarkanprinsipperbandinganduamassa yang berbeda yang dikenaiolehsatugaya yang sama. • Karenagaya yang bekerjapadabendasamamaka m1a1 = m2a2ataudalambentuk yang eksplisitdapatkitanyatakansebagai:

39. Alatukur yang bekerjaberdasarkanprinsipperbandinganduamassa

40. Beratmenyatakanukuranbesarnyagayagravitasi yang bekerjaterhadapsuatubenda yang memilikiukuranmassatertentu. • Beratbendadi planet Mars lebihkecildibandingjikabendatersebutberadadiBumikarenapercepatangravitasi Mars lebihkecildibandingpercepatangravitasiBumi. • Arahpercepatangravitasibumiselalumenujukepusatbumi. Beratbenda, disimbolkandenganhurufwdanmerupakanbesaranvektor, dapatditentukandenganpersamaanberikut:

41. Hukum Newton 3 • Ketikakitadudukdisebuahkursi, beratbadankitamemberikangayaterhadapkursitersebut. Walaupunkitamemberikangayaterhadapkursiakantetapikursitidakmengalamiperubahankedudukan.

42. Menuruthukum II Newton, gaya yang bekerjapadakursiadalahnolkarenakursitidakmengalamiperubahankedudukan. • Hal tersebutmenjadimungkin, jumlah total gayanol, jikagaya yang kitaberikandiimbangigaya lain yang memilikibesar yang samanamunarahnyaberlawanandenganarahgaya yang kitaberikan.

43. Gaya yang dihasilkanuntukmengimbangigayaeksternal, beratbadandangayadorong, munculketikagayaeksternaltersebutdiberikannamunketikagayaeksternaldilepaskan, gayapenyeimbangtersebuttidakmuncul. • Dengandemikiandapatdisimpulkanbahwagayapenyeimbangtersebutmunculjikaterdapatgayaeksternal yang bekerjapadabenda.

44. Gaya yang bekerjapadabendadiistilahkansebagaigayaaksidangayapenyeimbang yang dihasilkanolehbendadisebutgayareaksi. Di alam, gayaselalumunculsecaraberpasangan. Newton kemudianmemformulasikansifatgayatersebutdalamsebuahkonsep yang secaragarisbesardapatdinyatakansebagai: “Jikasuatubendadikenaigayasebesar F makabendatersebutakanmemberikanreaksisebesar F juganamunpadaarah yang berlawanandenganarahgaya yang mengenainya”

45. Pernyataantersebutdikenaldenganhukum III Newton. Secaramatematik, hukum III Newton dapatditulisdalampersamaan: • Tanda minus padapersamaandiatasmenunjukkanbahwakeduagayatersebutmemilikiarahkerja yang berlawanansatusama lain.

46. PadaGambargaya normal disimbolkandenganFtm. • Gaya normal didefinisikansebagaigaya yang tegaklurusdenganbidangdimanagayatersebutdihasilkan.

47. Seoranganakdiamdiatassepedasehinggapercepatansistemyaituanakdansepedatersebut nol. Gaya total yang bekerjapadasistemdapatditentukandenganhukum II Newton.

48. Contoh lain dariberlakunyahukum III Newton adalahgerakroket. • Padasaatroketdiluncurkan, semburan gas menghasilkangayaaksikebawah. Roketmenghasilkangayareaksi yang menyebabkanroketterdorongkeatas.

49. Diagram Gaya Bebaspada Benda • PerhatikanGambar, seoranganakkecilmenarikmobilmainannyadengansebuahtali.

50. Hukum II Newton diterapkanpadamobilmainankarenamobilmainantersebutdikenaigayaolehanakkecil. • Setelahmengidentifikasibendaapa yang dikenaigaya, langkahselanjutnyaadalahmenganalisasecaraspesifikbendatersebut.