Gaya Dan Hukum-Hukum Newton tentang Gerak

Konsep Gaya Dan Massa

GayaDalam penggunaan sehari-hari, gaya adalah gaya dorong dan gaya tarikBeberapa gaya berkenaan dengan gaya tidak-kontak atau gaya yang bekerja jarak jauh. Contoh gaya tidak kontak adalah seorang penerjun payung yang tertarik ke arah bumi karena adanya gaya gravitasi.Gaya merupakan kuantitas vektor yang berarti memiliki besar dan arah.

MassaMassa merupakan ukuran kuantitatif dari inersia suatu benda.Beberapa benda besar sukar untuk dipindahkan atau cukup sulit untuk menghentikannya ketika benda tersebut sedang bergerak. Massa merupakan kuantitas skalar.

Massa Dan GayaPada abad ke tujuhbelas, Isaac Newton, mengembangkan pekerjaan yang ditinggalkan Galileo, merumuskan tiga hukum penting yang berkaitan dengan gaya dan massa.Kumpulan ketiganya dikenal dengan Hukum-Hukum Newton tentang Gerak dan memberikan dasar untuk mengetahui pengaruh gaya terhadap sebuah benda.

Hukum I NewtonSebuah benda akan selalu dalam keadaan diam atau akan selalu bergerak dengan laju tetap sepanjang garis lurus, kecuali dipaksa untuk mengubah keadaannya dengan memberikan resultan gaya eksternal.Resultan gaya eksternal adalah jumlahan vektor dari semua gaya eksternal yang bekerja.

Inersia Dan MassaJumlah resultan gaya yang diperlukan untuk merubah kecepatan suatu benda berbeda satu dengan yang lainnya. Secara kuantitatif, inersia dari suatu benda dapat diukur melalui massa benda tersebut.

Definisi Dari Inersia Dan MassaInersia merupakan kecenderungan dasar dari sebuah benda untuk tetap dalam keadaan diam atau tetap bergerak dengan laju konstan sepanjang garis lurus. Massa merupakan ukuran kuantitatif dari inersia.Satuan SI dari Massa: : kilogram (kg)Massa and berat merupakan konsep yang berbeda.

Applikasi dari inersiaInersia memainkan peranan penting dalam mekanisme sabuk pengaman. Bagian abu-abu dari gambar bekerja apabila mobil dalam keadaan diam atau bergerak dengan kecepatan konstan. Bagian yang berwarna dari gambar menunjukkan yang terjadi ketika mobil tiba-tiba melambat, ketika kalau terjadi kecelakaan.

Kerangka Acuan InersiaDEFINISISebuah kerangka acuan inersia adalah kerangka acuan dimana hukum Newton berlaku.Percepatan dari kerangka acuan inersia adalah nol, sehingga kerangka acuan tersebut bergerak dengan kecepatan konstan.

Kerangka Acuan InersiaSemua hukum Newton tentang gerak berlaku di kerangka acuan inersia dan ketika kita mengaplikasikan hukum tersebut, kita harus mengasumsikan bahwa kita bekerja di kerangka acuan tersebut. Dalam hal khusus, bumi sendiri merupakan aproksimasi yang bagus dari kerangka acuan inersia.

Hukum II NewtonKetika resultan gaya eksternal F bekerja pada sebuah benda yang bermassa m, percepatan a muncul secara langsung berbanding lurus dengan gaya total dan memiliki besar yang berbanding terbalik dengan massa F = ma.Arah dari percepatan sama dengan arah dari resultan gaya. Satuan SI dari Gaya: kgm/s2 = newton (N)

Hukum II Newton tentang GerakYang termasuk resultan gaya hanya gaya-gaya dari lingkungan yang mempengaruhi gerak benda. Gaya ini disebut dengan gaya eksternal.

Satuan Untuk Massa, Percepatan, Dan Gaya

Contoh: Mendorong Mobil mogokDua orang sedang mendorong mobil yang mogok, seperti gambar. Massa dari mobil adalah 1850 kg. Orang pertama memberikan gaya 275 N kepada mobil dan yang lainnya memberikan gaya sebesar 395 N. Kedua gaya ini bekerja dengan arah yang sama. Gaya ketiga 560 N juga bekerja pada mobil tetapi dengan arah yang berlawanan dengan gaya yang diberikan oleh kedua orang tadi. Gaya ini muncul akibat gesekan yang bekerja berlawanan dengan gerak dari roda. Tentukanlah percepatan dari mobil tersebut?

Contoh: Mendorong Mobil mogok

SolusiBerdasarkan hukum II Newton, percepatan adalah resultan gaya dibagi dengan massa dari mobil. Untuk menentukan resultan gaya, gunakan diagram benda bebas pada gambar b. Pada diagram ini, mobil direpresentasikan sebagai benda titik, dan gerak mobil sepanjang sumbu +x.

Resultan gaya adalah:Percepatan dapat ditentukan dengan:Tanda plus menunjukkan bahwa percepatan berarah ke sumbu +x, searah dengan arah resultan gaya.Solusi

Sifat Vektor dari Hukum II Newton tentang GerakResultan gaya F dalam hukum II Newton mempunyai komponen Fx and Fy, sehingga percepatan a juga mempunyai komponen ax and ay.

Contoh: Penggunaan Hukum II Newton dengan menggunakan komponennyaSeseorang kandas diatas rakit (massa dari orang dan rakit = 1300 kg) seperti pada gambar. Dengan menggunakan dayung, orang tersebut menyebabkan gaya rata-rata P sebesar 17 N bekerja pada rakit dengan arah timur (arah +x). Angin juga menyebabkan gaya sebesar A pada rakit. Gaya ini besarnya 15 N dan memiliki arah 67 ke seperti gambar. Abaikan hambatan dari air, tentukan komponen x dan y dari percepatan rakit tersebut.

Contoh: Penggunaan Hukum II Newton dengan menggunakan komponennya

SolusiKomponen gaya:

Tanda plus menunjukkan bahwa Fx dalam arah sumbu +x dan Fy dalam arah sumbu +y.Komponen percepatan arah x dan y searah dengan arah Fx dan Fy, sehingga dapat dihitung dengan:Solusi

Hukum III Newton tentang GerakKetika benda pertama memberikan gaya pada benda kedua, maka benda kedua akan memberikan gaya yang besarnya sama tetapi memiliki arah yang berbeda kepada benda pertama tadi.

Contoh: Percepatan yang Dihasilkan Gaya Aksi ReaksiAndaikan massa dari sebuah pesawat angkasa dalam gambar di samping adalah ms = 11.000 kg dan massa dari astronot mA = 92 kg. Asumsikan bahwa astronot mengerjakan gaya P = + 36 N pada pesawat. Tentukanlah percepatan dari pesawat dan astronot tersebut.

SolusiBerdasarkan hukum III Newton, ketika astronot mengerjakan gaya P = +36 N kepada pesawat maka pesawat akan memberikan gaya reaksi P=-36 N kepada astronot. Meskipun gaya aksi dan reaksi memiliki besar yang sama, tetapi astronot dan pesawat tersebut tidak memiliki percepatan yang sama besarnya, karena keduanya memiliki massa yang berbeda.Berdasarkan hukum II Newton, astronot yang memiliki massa lebih kecil akan mengalami percepatan yang lebih besar dibandingkan dengan pesawat.Dalam mengaplikasikan hukum II Newton, resultan gaya yang bekerja pada pesawat adalah F = P, dan resultan gaya yang bekerja pada astronot adalah F = -P.

Percepatan dari pesawat adalah: Percepatan dari astronot adalah:Solusi

Macam-macam Gaya

Sekilas tentang KonsepKetiga hukum Newton tentang gerak membuat jelas gaya yang berperan penting dalam gerak suatu benda.Konsep gaya yng paling penting adalah bahwa hukum II Newton selalu berlaku, tidak peduli gaya-gaya apa saja yang bekerja pada benda tsb.

Gaya-Gaya FundamentalGaya GravitasiGaya inti kuatGaya inti lemahGaya ElektromagnetikPada saat ini kita lebih memfokuskan kepada gaya ini!

Hukum Newton tentang GravitasiSetiap partikel di alam semesta ini menimbulkan suatu gaya tarik terhadap partikel lainnya.Untuk dua partikel yang memiliki massa m1 dan m2 serta terpisah sejauh r, sehingga gaya yang dirasakan oleh partikel satu terhadap partikel lainnya diberikan oleh:

Simbol G menyatakan konstanta gravitasi universal, G = 6.672 59 10-11 Nm2/kg2Nilai dari G pertama kali diukur dalam suatu eksperimen oleh ilmuwan Inggris Henry Cavendish (17311810), lebih dari seabad sesudah Newton menyatakan teorinya tentang gravitasi universal.Hukum Newton tentang Gravitasi

BeratDEFINISIBerat sebuah benda di bumi disebabkan pengaruh gaya gravitasi bumi terhadap benda tersebut.Berat selalu mengarah ke bawah, menuju pusat dari bumi.SI Unit of Weight: newton (N)

Hubungan antara Massa dengan BeratMassa adalah ukuran kuantitatif dari inersia suatu benda. Massa merupakan sifat intrinsik dari bahan dan tidak berubah apabila benda tersebut dipindahkan dari satu lokasi le lokasi yang lain. Berat adalah pengaruh bekerjanya gaya gravitasi terhadap sebuah benda dan dapat berubah-ubah, tergantung kepada berapa jauh benda tersebut berada di atas permukaan bumi.

Hubungan antara berat W dan massa m dapat dituliskan sebagai berikut:

Berat suatu benda yang bermassa m bergantung kepada nilai dari konstanta gravitasi universal G, massa bumi ME dan jarak benda r.Nilai spesifik dari g = 9.80 m/s2 dipakai apabila jika jarak r sama dengan jari-jari bumi RE.Hubungan antara Massa dengan Berat

DEFINISIGaya normal FN adalah sebuah komponen dari gaya yang bekerja pada suatu benda yang mengalami kontak dengan permukaan bidang, dinamakan seperti itu karena komponen ini tegak lurus pada permukaan.Gaya Normal

Hukum III Newton, memainkan peranan penting dalam hubungan dengan gaya normal. Seperti pada gambar di depan, untuk sesaat, balok memberikan suatu gaya di atas meja dengan menekan meja tersebut ke bawah. Konsisten dengan hukum III Newton, maka meja akan memberikan gaya dengan arah berlawananyang memiliki besar yang sama kepada balok tersebut. Reaksi meja ini yang disebut sebagai gaya normal. Besarnya gaya normal menyatakan seberapa kuat dua buah benda menekan satu dengan lainnya.Gaya Normal

Jika sebuah benda diam di atas permukaan horisontal dan tidak ada gaya vertikal yang bekerja, kecuali berat benda dan gaya normal, besarnya kedua gaya ini adalah sama, FN = W.Jika besarnya kedua gaya ini tidak sama, maka akan ada resultan gaya yang bekerja pada balok dan balok akan dipercepat ke atas maupun ke bawah, sesuai dengan hukum II Newton.Gaya Normal

Gaya Gesek Statik Dan KinetikKetika suatu benda bersentuhan dengan suatu permukaan, maka ada sebuah gaya yang bekerja pada benda tersebut.Jika gaya yang tegak lurus permukaan dikenal dengan gaya normal, ketika benda bergerak, maka ada gaya yang bekerja sejajar dengan permukaan, gaya ini dikenal sebagai gaya gesek atau gesekan.

DEFINISIBesarnya fs gaya gesek statik dapat memiliki nilai antara nol samapi dengan nilai maksimum fsMAX, bergantung kepada besarnya gaya yang bekerja.Dengan kata lain fs fsMAX. fsMAX = msFNdengan ms adalah koefisien gesekan statik dan FN adalah besarnya gaya normal.Gaya Gesek Statik

Besarnya fk yang merupakan gaya gesek kinetik diberikan oleh: fk = mkFNdengan mk adalah koefisien gesek kinetik dan FN adalah besarnya gaya normal.Gaya Gesek Kinetik

Gaya Tegangan TaliGaya biasanya dikerjakan pada sebuah kabel atau tali untuk menarik suatu benda (seperti gambar).Biasanya massa tali diabaikan (m = 0)

*******************************************