» » Pengertian Dinamika Partikel, Hukum-Hukum Newton, Jenis-Jenis Gaya, Penerapan Hukum Newton

Pengertian Dinamika Partikel, Hukum-Hukum Newton, Jenis-Jenis Gaya, Penerapan Hukum Newton

Pengertian Dinamika Partikel, Hukum-Hukum Newton, Jenis-Jenis Gaya, Penerapan Hukum Newton



Halo sahabat perangkatajar.com kali ini kita akan menjelaskan Pengertian Dinamika Partikel, Hukum-Hukum Newton, Jenis-Jenis Gaya, Penerapan Hukum Newton

Tujuan Pembelajaran

Anda dapat menerapkan hukum Newton sebagai prinsip dasar dinamika untuk gerak lurus, gerak vertikal, dan gerak melingkar beraturan.

Pernahkah Anda menyaksikan lomba dayung atau kano seperti gambar di atas? Untuk menjalankan perahu, para pendayung memanfaatkan hukum ketiga Newton. Pada waktu mengayunkan dayung, pendayung mendorong air ke

belakang. Gaya ke belakang pada air tersebut (aksi) menghasilkan gaya yang sama tetapi berlawanan arah (reaksi). Gaya (reaksi) ini menggerakkan perahu ke depan. Dapatkah Anda menganalisis mengapa dayung dibuat memiliki lengan yang panjang? (Petter Lafferty, 2000)

Kajian tentang gerak benda merupakan bagian penting dari penggambaran alam semesta. Sejak zaman dahulu manusia berusaha menyingkap rahasia tentang gerak benda. Mulai dari masa Aristoteles sampai masa Galileo dan Newton, pemahaman gerak mengalami perkembangan yang signifikan.

A. Hukum-Hukum Newton

Pembahasan tentang hukum-hukum Newton dan pemahaman konsep secara kualitatifnya telah Anda dapatkan di SMP. Hukum-hukum tersebut membahas tentang hubungan antara gerak benda dan gaya. Di sini Anda akan mengkaji kembali ketiga hukum Newton tersebut dan mengaplikasikannya pada persoalan-persoalan dinamika sederhana.

1. Hukum Newton I

Pada zaman dahulu, orang percaya bahwa alam ini bergerak dengan sendirinya. Tidak ada sesuatu pun yang menggerakkannya. Mereka menyebutnya dengan gerak alami. Di lain sisi, untuk benda yang jelas-jelas digerakkan, mereka menamakan gerak paksa. Teori yang dipelopori oleh Aristoteles ini terbukti salah saat Galileo dan Newton mengemukakan pendapat mereka. Galileo mematahkan teori Aristoteles dengan sebuah percobaan sederhana. Ia membuat sebuah lintasan lengkung licin yang digunakan untuk menggelindingkan sebuah bola. Satu sisi dari lintasan tersebut diubah- ubah kemiringannya. Setelah mengamati, Galileo menyatakan “ Jika gaya gesek pada benda tersebut ditiadakan, maka benda tersebut akan terus bergerak tanpa memerlukan gaya lagi”. Teori Galileo dikembangkan oleh Isaac Newton. Newton mengatakan bahwa “ Jika resultan gaya pada suatu benda sama dengan nol, maka benda yang diam akan tetap diam dan benda yang bergerak akan tetap bergerak dengan kecepatan tetap”. Kesimpulan Newton tersebut dikenal sebagai hukum I Newton. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.
Berdasarkan hukum I Newton, dapatlah Anda pahami bahwa suatu benda cenderung mempertahankan keadaannya. Benda yang mula-mula diam akan mempertahankan keadaan diamnya, dan benda yang mulamula bergerak akan mempertahank
an geraknya. Oleh karena itu, hukum I Newton juga sering disebut sebagai hukum kelembaman atau hukum inersia. Ukuran kuantitas kelembaman suatu benda adalah massa. Setiap benda memiliki tingkat kelembaman yang berbeda-beda. Makin besar massa suatu benda, makin besar kelembamannya. Saat mengendarai sepeda motor Anda bisa langsung memperoleh kelajuan besar dalam waktu singkat. Namun, saat Anda naik kereta, tentu memerlukan waktu yang lebih lama untuk mencapai kelajuan yang besar. Hal itu terjadi karena kereta api memiliki massa yang jauh lebih besar daripada massa sepeda motor.

2. Hukum II Newton

Hukum I Newton hanya membahas benda yang tidak dikenai gaya dari luar, artinya benda tidak mengalami percepatan. Bagaimana jika suatu benda mendapat gaya dari luar atau pada benda tersebut bekerja beberapa gaya yang resultannya tidak sama dengan nol? Pada kondisi ini benda mengalami perubahan percepatan. Misalkan Anda mendorong sebuah kotak di atas lantai licin (gaya gesek diabaikan) dengan gaya F, ternyata di- hasilkan percepatan sebesar a. Saat gaya dorong terhadap kotak Anda perbesar menjadi dua kali semula (2F), ternyata percepatan yang dihasilkan juga dua kali semula (2a). Ketika gaya dorong Anda tingkatkan menjadi tiga kali semula (3F), ternyata percepatan yang dihasilkan juga menjadi tiga kali semula (3a). Jadi, dapat disimpulkan bahwa percepatan berban- ding lurus dengan besarnya resultan gaya yang bekerja pada suatu benda (a ~ f)


Sekarang, taruhlah sebuah kotak (dengan massa sama) di atas kotak yang tadi Anda dorong (massa kotak menjadi 2 kali semula (2m)). Ternyata dengan gaya F dihasilkan percepatan yang besarnya setengah per- cepatan semula ( a). Kemudian tambahkan lagi sebuah kotak (dengan massa sama) di atas
kotak yang tadi Anda dorong (massa menjadi 3 kali semula). Ternyata dengan gaya F dihasilkan percepatan yang besarnya sepertiga percepatan semula ( 1 3 a). Jadi, dapat disimpulkan bahwa percepatan berbanding terbalik dengan massa benda 


Berdasarkan dua kesimpulan tersebut Newton menggabungkannya menjadi sebuah pernyataan, yang dikenal dengan hukum II Newton, yaitu “Percepatan yang dihasilkan oleh resultan gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding lurus dengan resultan gaya, dan berbanding terbalik dengan massa benda”.  Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.
Baca Juga

Perhatikan Gambar 4.3! Berkerutnyamuka atlet tersebut menunjukkan bahwa suatu kegiatan dapat melibatkangaya yang besar meskipuntidak ada gerak. Gaya yang dikeluarkan atlet untuk mengangkat beban ke atas menyebabkan timbulnya gaya ke bawah. Gaya ke bawah tersebut diteruskan ke lantai  melalui tubuh atlet. Lantai yang mendapatkan gaya tekan, membalas dengan menekan ke atas dengan gaya yang besarnya sama. Seandainya lantai memberikan gaya ke atas lebih kecil daripada gaya yang diterimanyamaka si atlet akan terperosok melalui lantai tersebut.lantai memberikan gaya yang lebih besar daripada gaya yang diterimanya, maka atlet tersebut akan terangkat ke udara (Petter Lafferty, 2000).Kejadian-kejadian seperti Gambar 4.3 diperhatikan betul oleh New- ton. Newton menyatakan bahwa suatu gaya yang bekerja pada sebuah benda selalu berasal dari benda lain. Artinya, tidak ada gaya yang hanya melibatkan satu benda. Gaya yang hadir sedikitnya membutuhkan dua= benda yang saling berinteraksi. Pada interaksi ini gaya-gaya selalu berpasangan. Jika A mengerjakan gaya pada B (aksi), maka B akan mengerjakan gaya pada A (reaksi). Pasangan gaya inilah yang terkenal dengan pasangan aksi reaksi.

Isaac Newton


Sir Isaac Newton adalah ilmuwan terbesar sepanjang abad. Newton adalah seorang ahli matematika, astronomi, fisika, filsafat, guru besar, dan banyak gelar lainnya. Ia menemukan hukum gravitasi, hukum gerak, kalkulus, teleskop pantul, dan spektrum. Bukunya yang terkenal berju- dul Principa dan Optika.Newton lahir di kota Woolsthorpe pada tahun 1643. Masa kecil Newton cukup menyedihkan. Beberapa bulan sebelum ia lahir, ayahnya meninggal. Ayahnya adalah seorang petani. Pada umur 22
tahun, Newton dapat menyelesaikan kuliahnya dan berhasil mendapat gelar Sarjana Muda. Pada suatu hari Newton berjalan-jalan di kebun sambil berpikir mengapa bulan bergerak mengelilingi bumi. Kemudian ia beristirahat di bawah pohon apel. Tak lama berselang ia melihat buah apel jatuh dari pohonnya. Setelah mengamati jatuhnya buah apel, Newton sadar bahwa gaya gravitasi yang menariknya buah apel tersebut, dan gaya itu jugalah yang menarik bulan sehingga tetap dalam
orbitnya mengelilingi bumi. Hukum gravitasi universal pun terungkap, hukum tersebut berbunyi “Besarnya gaya gravitasi antara dua massa ber-banding lurus dengan hasil kali kedua massa dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara pusat-pusat kedua massa itu”.

Kunjungi Juga

Gaya merupakan dorongan atau tarikan yang akan mempercepat atau memperlambat gerak suatu benda. Pada kehidupan seharihari gaya yang Anda kenal biasanya adalah gaya langsung. Artinya, sesuatu yang memberi gaya berhubungan langsung dengan yang dikenai gaya. Selain gaya langsung, juga ada gaya tak langsung. Gaya tak langsung merupakan gaya yang bekerja di antara dua benda tetapi kedua benda tersebut tidak bersentuhan. Contoh gaya tak langsung adalah gaya gravitasi. Pada subbab ini Anda akan mempelajari beberapa jenis gaya, antara lain, gaya berat, gaya normal, gaya gesekan, dan gaya sentripetal.=

1. Gaya Berat

Pada kehidupan sehari-hari, banyak orang yang salah mengartikan antara massa dengan berat. Misalnya, orang mengatakan “Doni memiliki  berat 65 kg”. Pernyataan orang tersebut keliru karena sebenarnya yang dikatakan orang tersebut adalah massa Doni. Anda harus dapat membedakan antara massa dan berat.Massa merupakan ukuran banyaknya materi yang dikandung oleh suatu benda. Massa (m) suatu benda besarnya selalu tetap dimanapun benda tersebut berada, satuannya kg. Berat (w) merupakan gaya gravitasi bumi yang bekerja pada suatu benda. Satuan berat adalah Newton (N). Hubungan antara massa dan berat dijelaskan dalam hukum II Newton. Misalnya, sebuah benda yang bermassa m dilepaskan dari ketinggian tertentu, maka benda tersebut akan jatuh ke bumi. Jika gaya hambatan udara diabaikan, maka gaya yang bekerja pada benda tersebut hanyalah gaya gravitasi (gaya berat benda). Benda tersebut akan mengalami gerak jatuh bebas dengan percepatan ke bawah sama dengan percepatan gravitasi. Jadi, gaya berat (w) yang dialami benda besarnya sama dengan perkalian antara massa (m) benda tersebut dengan percepatan gravitasi (g) di tempat itu. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.

Keterangan :
w : gaya berat (N)
m : massa benda (kg)
g : percepatan gravitasi (ms-2 )

2. Gaya Normal

Anda ketahui bahwa benda yang dilepaskan pada ketinggian tertentu akan jatuh bebas. Bagaimana jika benda tersebut di letakkan di atas meja, buku misalnya? Mengapa buku tersebut tidak jatuh? Gaya apa yang menahan buku tidak jatuh Gaya yang menahan buku agar tidak jatuh adalah gaya tekan meja pada
buku. Gaya ini ada karena permukaan buku bersentuhan dengan permukaan meja dan sering disebut gaya normal. Gaya normal (N) adalah gaya yang bekerja pada bidang yang bersentuhan antara dua permukaan benda, yang arahnya selalu tegak lurus dengan bidang sentuh. Jadi, pada buku terdapat dua gaya yang bekerja, yaitu gaya normal (N) yang berasal dari meja dan gaya berat (w). Kedua gaya tersebut besarnya sama tetapi berlawanan arah, sehingga membentuk keseimbangan pada buku. Ingat, gaya normal selalu tegak lurus arahnya dengan bidang sentuh. Jika bidang sentuh antara dua benda adalah horizontal, maka arah gaya normalnya adalah vertikal. Jika bidang sentuhnya vertikal, maka arah gaya normalnya adalah hori- zontal. Jika bidang sentuhya miring, maka gaya normalnya juga akan miring. 

3. Gaya Gesekan

Jika Anda mendorong sebuah almari besar dengan gaya kecil, maka almari tersebut dapat dipastikan tidak akan bergerak (bergeser). Jika Anda mengelindingkan sebuah bola di lapangan rumput, maka setelah menempuh jarak tertentu bola tersebut pasti berhenti. Mengapa hal-hal tersebut dapat terjadi? Apa yang menyebabkan almari sulit di gerakkan dan bola berhenti setelah menempuh jarak tertentu? Gaya yang melawan gaya yang Anda berikan ke almari atau gaya yang menghentikan gerak bola adalah gaya gesek. Gaya gesek adalah gaya yang bekerja antara dua permukaan benda yang saling bersentuhan. Arah gaya gesek berlawanan arah dengan kecenderungan arah gerak benda. Untuk benda yang bergerak di udara, gaya geseknya bergantung pada luas permukaan benda yang bersentuhan dengan udara. Makin besar luas bidang sentuh, makin besar gaya gesek udara pada benda tersebut sedangkan untuk benda padat yang bergerak di atas benda padat, gaya geseknya tidak tergantung luas bidang sentuhnya.

4. Gaya Sentripetal


Arah percepatan sentripetal selalu menuju ke pusat lingkaran dan tegak lurus dengan vektor kecepatan. Menurut hukum II Newton, percepatan ditimbulkan karena adanya gaya. Oleh karena itu, percepatan sentripetalada karena adanya gaya yangmenimbulkannya,  yaitu gaya sentripetal. Pada hukum II Newton dinyatakan bahwa gaya merupakan perkalian antara massa benda dan percepatan yang dialami benda tersebut. Sesuai hukum tersebut, hubungan antara percepatan sentripetal, massa benda, dan gaya sentripetal dapat dituliskan sebagai berikut
.

Keterangan:
Fs: gaya sentripetal (N)
m : massa benda (kg)
v : kecepatan linear (m/s)
r : jari-jari lingkaran (m)
: kecepatan sudut

Pada kehidupan sehari-hari Anda pasti dapat menemui contoh penerapan hukum-hukum Newton. Dalam subbab ini Anda akan membahas beberapa contoh penerapan hukum-hukum Newton. Misalnya pada  gerak lurus, gerak vertikal, dan gerak melingkar beraturan. Untuk menyelesaikan permasalahan yang menggunakan hukum I dan II Newton pada suatu benda, ada beberapa catatan. Pertama, gambarlah diagram secara terpisah yang menggambarkan semua gaya yang bekerja pada benda tersebut (gambar diagram bebas). Kedua, gaya yang searah dengan perpindahan benda dianggap positif, sedangkan gaya yang berlawanan arah dengan perpindahan benda dianggap negatif.

1. Gerak Benda pada Bidang Datar

Perhatikan Gambar diatas Sebuah benda yang terletak di atas bidang datar licin ditarik horizontal dengan gaya  F. Ternyata benda tersebut bergerak dengan percepatan a. Karena benda bergerak pada sumbu X (horizontal), maka gaya yang bekerja pada benda tersebut dapat dituliskan sebagai berikut.
Bagaimana jika gaya tarik F membentuk sudut (Gambar 4.8 (b))? Komponen yang menyebabkan benda bergerak di atas bidang datar licin adalah komponen horizontal F, yaitu F . Oleh karena itu, persamaannya dapat ditulis sebagai berikut. 
Sesuai dengan hukum II Newton, percepatan benda adalah sebagai berikut.

Bagaimana jika bidang datar tempat benda berada kasar? Untuk sebuah benda yang berada di atas bidang kasar, Anda harus memperhitungkan gaya gesek antara benda dan bidang datar tersebut.

2. Gerak Dua Benda yang Bersentuhan

Misalkan dua benda ma dan m bersentuhan dan diletakkan pada bidang datar licin (perhatikan Gambar 4.9). Jikabenda m  didorong dengan gaya F , maka besarnya gaya kontak antara benda mdan m b adalah F ab  dan F ba b a . Kedua gaya tersebut sama besar tetapi arahnya berlawanan. Menurut hukum II Newton permasalahan tersebut dapat Anda tinjau sebagai berikut. Gaya   yang   bekerja   pada  benda   pertama  adalah  F  = m . a  atau F – N ab atau  N  = m ba a  . a. Gaya yang bekerja pada benda kedua adalah  .  = m a  . a. Karena N ab  dan N merupakan pasangan aksi reaksi, maka besar keduanya sama. Sehingga Anda juga dapat menuliskan persamaan N ab  = m a  ba . a. Berdasarkan persamaan-persamaan tersebut, Anda dapatkan persamaan sebagai berikut


Dengan demikian persamaan gaya kontak antara benda m adalah sebagai berikut. 

3. Gerak Benda pada Bidang Miring

Anda telah mengetahui bahwa  sebuah benda yang diletakkan di atas meja tidak akan jatuh. Hal itu karena adanya gaya lain yang bekerja pada benda selain gaya berat, yaitu gaya normal. Ingat, arah gaya normal selalu tegak lurus dengan bidang sentuh. Misalnya, sebuah benda yang bermassa m diletakkan pada bidang miring licin yang membentuk sudut  terhadap bidang horizontal.

Jika diambil sumbu X sejajar bidang miring dan sumbu Y tegak lurus dengan bidang miring, maka komponen-komponen gaya beratnya adalah sebagai
berikut.
Komponen gaya berat pada sumbu X adalah W
Komponen gaya berat pada sumbu Y adalah Wxy = mg sin   = mg cos  Gaya-gaya yang bekerja pada sumbu Y adalah sebagai berikut.

Karena benda tidak bergerak pada sumbu y, maka   F y 0  atau cos Nmg Gaya-gaya yang bekerja pada sumbu x adalah sebagai berikut.

Karena benda bergerak pada sumbu X  (gaya yang menyebabkan benda bergerak adalah gaya yang sejajar dengan bidang miring), maka percepatan yang dialami oleh benda adalah sebagai berikut.

4. Gerak Benda yang Dihubungkan dengan Katrol



Perhatikan Gambar diatas Misalnya dua buah benda m a  dan m dihubungkan dengan seutas tali melalui sebuah katrol licin (tali dianggap tidak bermassa). Jika m b  , maka m  akan bergerak ke bawah (positif) dan m b a  bergerak ke atas (negatif) dengan percepatan sama. Untuk menentukan besarnya percepatan dan tegangan tali pada benda, Anda dapat lakukan dengan meninjau gaya-gaya yang bekerja pada masing-masing benda.

Karena Anda anggap tali tidak bermassa dan katrol licin, maka gesekan antara katrol dan tali juga diabaikan. Sehingga tegangan tali di manamana adalah sama. Oleh karena itu, dari persamaan-persamaan di atas Anda dapatkan persamaan sebagai berikut.

5. Gaya Tekan Kaki pada Lantai Lift

Pada gedung-gedung bertingkat banyak, tidaklah mungkin orang naik turun menggunakan tangga. Selain memerlukan waktu lama juga memerlukan energi yang tidak sedikit/melelahkan. Tentu Anda pernah menaiki lift. Apa yang Anda rasakan saat lift diam, naik, dan turun? Suatu hal aneh terjadi saat bobot seseorang yang sedang menaiki lift ditimbang. Bobot orang tersebut ternyata berbeda ketika lift diam, bergerak turun, dan bergerak naik.

6. Gerak Menikung di Jalan

Apakah Anda penggemar balap, baik balap mobil atau sepeda motor? Mengapa para pembalap Moto GP memiringkan badannya saat melewati tikungan? Mengapa pada belokan tajam lintasan balapan dibuat miring? Tujuan semua itu adalah agar para pembalap dapat menikung dengan kecepatan tinggi dengan lebih mudah dan aman.

7. Gerak Melingkar Vertikal


Pernahkan Anda berkunjung ke Dunia Fantasi Taman Impian Jaya Ancol, di Jakarta? Di sana banyak dijumpai permainan yang merupakan gerak melingkar vertikal seperti kora-kora (perahu ayun) dan kereta luncur. Gerak melingkar vertikal juga di alami oleh seseorang yang mengendarai mobil di daerah perbukitan yang naik turun atau pilot yang melakukan demonstrasi gerakan loop di langi

Misalnya, sebuah batu yang Anda ikat dengan seutas tali Anda putar secara vertikal. Anda pasti merasakan perbedaan tegangan tali saat benda di titik tertinggi, terendah, mendatar, dan sembarang titik yang membentuk sudut  . Pada gerak melingkar vertikal dapat dipilih acuan  sebagai berikut: Pertama, semua gaya yang menuju ke pusat lingkaran Anda beri nilai positif. Kedua, Gaya-gaya yang menjauhi pusat lingkaran Anda beri nilai negatif

Berdasarkan Gambar diatas, Anda dapat menentukan besarnya tegangan tali pada semua keadaan. Pada semua keadaan berlaku persamaan:
Saat benda di posisi A besarnya tegangan tali adalah sebagai berikut.
Sekarang, Anda akan mempelajari gerak melingkar vertikal pada kereta luncur. Kereta luncur merupakan contoh gerak melingkar vertikal pada sisi dalam lingkaran. Mengapa kereta luncur tidak jatuh ke bawah saat berada di titik tertinggi lintasan? = 
  2 1 v mgrg = 0,1 × 10 =  110 2 4 1 16 11 16 Saat kereta luncur berada di titik tertinggi lintasan dalam keadaan diam, maka resultan gaya ke bawah (N + mg) yang tidak nol akan menghasilkan percepatan ke bawah. Percepatan inilah yang menyebabkan kereta luncur akanjatuh ke bawah. Namun, jika  kereta bergerak dengan kelajuan tertentu, maka kereta akan menempuh  gerak melingkar vertikal. Gerak melingkar vertikal memerlukan gaya sentripetal. Pada kasus ini gaya sentripetal di berikan oleh resultan gaya N + mg. Karena alasan itulah kereta luncur yang bergerak dengan kelajuan tertentu tidak akan jatuh ke bawah