Materi Fisika Kelas X : Dinamika Gerak

IPA-Area; Pernahkah Anda melihat sebuah roket yang akan terbang ke luar angkasa? Mengapa sebuah roket ketika meluncur membutuhkan tenaga yang sangat besar? Sebuah roket mempunyai gas panas yang dipancarkan dari ruang pembakaran dan pancaran ini menimbulkan timbulnya gaya reaksi pada roket tersebut. Gaya tersebut akan mengangkat serta mempercepat roket sehingga sanggup terbang ke luar angkasa.

Seseorang yang telah berjasa dalam ilmu Fisika terutama dinamika, yakni Sir Isaac Newton, mengungkapkan tiga hukumnya yang populer perihal gerak. Hingga ketika ini, penemuannya perihal gaya dan gerak masih dipakai dalam kehidupan sehari-hari, terutama dalam bidang teknologi modern yang semakin pesat.

Mungkin Anda sanggup menemukan pola dari dinamika dalam kehidupan sehari-hari, ibarat pada alat menimba air di dalam sumur ketika Anda akan mengambil air. Sistem yang dipakai dalam alat tersebut yaitu katrol, yang membantu Anda dalam menarik bejana yang berisi air dengan memakai 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 yaitu suatu besaran yang sanggup menjadikan gerak atau bentuk benda menjadi berubah. 

A Hukum Newton

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

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

Terdapat beberapa Hukum yang dikemukakan oleh Isaac Newton. Hukum pertama, memperkenalkan konsep kelembaman yang telah diusulkan sebelumnya oleh Galileo. Hukum kedua, menghubungkan percepatan dengan penyebab percepatan, yakni gaya. Hukum ketiga, merupakan aturan mengenai aksi-reaksi. Newton menuliskan ketiga aturan geraknya dalam sebuah buku yang terpenting sepanjang sejarah, yakni Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, yang dikenal sebagai principia.

1. Hukum Pertama Newton

Banyak insiden lain yang memperlihatkan bahwa setiap benda cenderung untuk mempertahankan keadaannya. Ketika Anda berada di dalam kendaraan beroda empat yang sedang melaju, tiba-tiba kendaraan beroda empat direm secara mendadak, Anda akan terdorong ke depan. Demikian juga ketika kendaraan beroda empat dari keadaan diam, tibatiba akan bergerak ke depan pada ketika Anda menginjak gas, Anda akan mencicipi bahwa tubuh Anda menekan kepingan belakang daerah duduk Anda. Contoh lainnya yaitu ketika kendaraan beroda empat yang Anda tumpangi melintasi tikungan, Anda seakan-akan akan terlempar ke sisi luar tikungan.

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

Setiap benda tetap dalam keadaan membisu 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 membisu atau bergerak dengan kelajuan konstan dalam garis lurus, disebut kelembaman atau inersia. Oleh lantaran itu, Hukum Pertama Newton disebut juga sebagai aturan Kelembaman.

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 kalau resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut tidak sama dengan nol? Hasil eksperimen Newton memperlihatkan bahwa gaya yang diberikan pada benda akan menimbulkan 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, kalau resultan gaya yang bekerja pada benda tidak sama dengan nol, benda akan bergerak dengan suatu percepatan.

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

Massa yaitu 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 membisu atau menghentikannya dari keadaan bergerak. Sebagai contoh, sebuah kendaraan beroda empat lebih lembam dan memerlukan gaya yang besar untuk mengubah geraknya dibandingkan dengan sebuah sepeda motor. Dengan demikian, kendaraan beroda empat mempunyai massa lebih besar daripada sepeda motor. Hubungan antara resultan gaya, massa, dan percepatan secara matematis sanggup dituliskan sebagai berikut.

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.

3. Hukum Ketiga Newton

Gaya selalu muncul berpasangan. Ketika Anda memukul pasak kayu memakai palu, pasak akan menawarkan gaya kepada palu. Demikian pula, ketika Anda berjalan di atas lantai, Anda menawarkan gaya pada lantai melalui telapak kaki atau ganjal sepatu Anda maka lantaipun menawarkan gaya pada telapak kaki atau ganjal sepatu Anda sebagai reaksi terhadap gaya yang Anda berikan. Dengan kata lain, ketika suatu benda menawarkan gaya pada benda lainnya, benda kedua akan menawarkan 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.

B. Berat, Gaya Normal, dan Tegangan Tali

Berat yaitu 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 sanggup ditulis

dengan: 

w = berat benda (N),

m = massa benda (kg), dan

g = percepatan gravitasi bumi (m/s2).

(Arah dari gaya gravitasi selalu menuju ke sentra bumi (tegak lurus bidang datar)).

Ketika benda berada pada suatu bidang, bidang tersebut akan menawarkan 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. pada gambar dibawah memperlihatkan beberapa arah gaya normal (dibandingkan dengan gaya gravitasi yang arahnya selalu tegak lurus permukaan bumi). Arah gaya normal selalu tegak lurus bidang daerah benda itu berada.

Gaya tegangan tali yaitu gaya pada tali ketika tali tersebut dalam keadaan tegang. Arah gaya tegangan tali bergantung pada titik atau benda yang ditinjau. Pada Gambar (a), gaya tegangan tali T yang bekerja pada benda m berarah ke atas, dan sebaliknya, gaya tegangan tali T' pada daerah tali digantungkan berarah ke bawah. Pada Gambar (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).

C. Gaya Gesekan

Coba Anda lakukan acara berikut. Doronglah meja yang terletak di atas lantai datar dengan arah dorongan sejajar meja. Ketika Anda melakukannya, apakah meja eksklusif bergerak? Ketika meja sudah bergerak, apakah Anda mencicipi gaya dorong yang Anda berikan menjadi lebih kecil (terasa ringan)? Selanjutnya, pada ketika meja bergerak, apa yang terjadi ketika dorongan pada meja Anda lepaskan?

Contoh sederhana tersebut menawarkan citra bahwa untuk menggerakkan benda dari keadaan membisu diharapkan gaya minimum. Ketika gaya yang Anda berikan pada meja lebih kecil daripada suatu nilai, meja akan tetap diam. Akan tetapi, ketika gaya yang Anda kerahkan diperbesar, suatu ketika meja tersebut sanggup bergerak. Selain itu, Anda juga akan mendapat bahwa ketika gaya dorong Anda pada meja dilepaskan, meja akan segera berhenti. Mengapa sanggup terjadi demikian?

Pertanyaan di atas sanggup Anda terangkan dengan memakai hukum-hukum Newton perihal gerak. Untuk itu, perhatikan Gambar dibawah ini.

Misalkan, gaya yang Anda kerahkan pada meja besarnya F dengan arah sejajar lantai. Jika meja tetap dalam keadaan diam, sesuai dengan Hukum Pertama Newton, berarti resultan gaya pada meja sama dengan nol. Hal Ini memperlihatkan bahwa ada gaya lain yang besarnya sama dan berlawanan arah dengan gaya F yang Anda berikan. Gaya ini tidak lain yaitu gaya tabrakan yang terjadi antara meja dan lantai. Gaya tabrakan pulalah yang menimbulkan meja menjadi berhenti sesaat sehabis Anda melepaskan gaya dorong Anda terhadap meja yang sudah bergerak.

Hubungan antara gaya tabrakan fges dan gaya F yang sejajar bidang pada sebuah benda ditunjukkan pada Gambar diatas. Grafik tersebut memperlihatkan bahwa ketika benda belum diberi gaya atau F = 0, gaya tabrakan belum bekerja atau fges = 0. Ketika besar gaya F dinaikkan secara perlahan-lahan, benda tetap membisu sampai dicapai keadaan di mana benda sempurna akan bergerak. Pada keadaan ini, gaya tabrakan selalu sama dengan gaya yang diberikan atau secara matematis fges = F. Gaya tabrakan yang bekerja ketika benda dalam keadaan membisu disebut gaya tabrakan statis.

Pada keadaan benda sempurna akan bergerak, besar gaya F sempurna sama dengan gaya tabrakan statis maksimum. Besar gaya tabrakan statis maksimum sebanding dengan gaya normal antara benda dan bidang. Konstanta kesebandingan antara besar gaya tabrakan statis maksimum dan gaya normal disebut koefisien tabrakan statis. Dengan demikian, secara matematis besar gaya tabrakan statis maksimum memenuhi persamaan

dengan: 

µs  = koefisien tabrakan statis, dan

N   = gaya normal.

Perhatikan bahwa Persamaan tersebut hanya berlaku ketika benda sempurna akan bergerak. Persamaan ini juga memperlihatkan bahwa selama gaya F yang diberikan pada benda lebih kecil daripada atau sama dengan gaya tabrakan statis (F = fs,maks), benda tetap dalam keadaan diam. Pada keadaan ini berlaku

Selanjutnya, ketika gaya F yang diberikan lebih besar daripada besar gaya tabrakan statis maksimum, F > fs,maks, benda akan bergerak. Pada keadaan bergerak ini, gaya tabrakan yang bekerja disebut gaya tabrakan kinetik. Gaya tabrakan ini besarnya konstan dan memenuhi persamaan

dengan: 

µk  = koefisien tabrakan kinetik, dan

N   = gaya normal.

Persamaan tersebut juga memperlihatkan bahwa gaya tabrakan kinetik besarnya lebih kecil daripada gaya tabrakan statis maksimum. Hal ini memperlihatkan bahwa koefisien tabrakan kinetik selalu lebih kecil daripada koefisien tabrakan statis ( k µ > s µ ). Itulah sebabnya mengapa Anda perlu mengerahkan gaya yang lebih besar ketika mendorong benda dari keadaan membisu dibandingkan dengan ketika benda sudah bergerak. Selain itu, besarnya gaya yang harus Anda kerahkan bergantung pada keadaan dua permukaan bidang yang bergesekan. Hal ini disebabkan besarnya koefisien tabrakan bergantung pada sifat alamiah kedua benda yang bergesekan, di antaranya kering atau basahnya dan berangasan atau halusnya permukaan benda yang bergesekan.

D. Dinamika Gerak Melingkar

sebelumnya  telah dijelaskan tentang  kinematika gerak melingkar. Anda telah tahu bahwa pada benda yang bergerak melingkar selalu ada percepatan yang arahnya menuju ke sentra bundar yang disebut percepatan sentripetal. Besar percepatan tersebut dituliskan sebagai

dengan: 

v = laju linear benda (m/s),

ω = laju sudut benda (rad/s), dan

R = jari-jari lintasan benda (m).

Pada dinamika gerak melingkar Anda akan mempelajari gerak melingkar dengan memperhatikan penyebabnya. Sesuai dengan aturan Newton, penyebab benda sanggup bergerak dengan suatu percepatan yaitu gaya. Nah, dalam hal ini, gaya yang menimbulkan adanya percepatan sentripetal disebut gaya sentripetal dan besarnya ditulis sebagai berikut.

Gaya sentripetal bukanlah gaya yang bangun sendiri. Gaya ini intinya merupakan resultan gaya yang bekerja pada benda dengan arah radial. 

acuan :

aip Saripudin, dkk. (2009). Mudah Belajar fisika untuk kelas x sekolah menengah atas. Jakarta: Pusat perbukuan depdiknas.

Sumber http://ipa-area.blogspot.com

Share this post