Hukum Newton tentang Gerak - Materi Fisika

Ilmuwan yang sangat berjasa dalam mempelajari hubungan antara gaya dan gerak adalah Isaac Newton, seorang ilmuwan Inggris. Newton mengemukakan tiga buah hukumnya yang dikenal dengan Hukum Newton I, Newton II dan Hukum Newton III

1. Pengertian Gaya

Dalam kehidupan sehari-hari, tiap orang sebenarnya punya konsep dasar tentang gaya. Misalnya pada waktu kita menarik atau mendorong suatu benda atau kita menendang bola, kita mengatakan bahwa kita mengerjakan suatu gaya pada benda itu.

Gaya dapat mengubah arah gerak suatu benda, gaya dapat mengubah bentuk suatu benda serta gaya juga dapat mengubah ukuran suatu benda dengan syarat gaya yang kita berikan cukup besar.

Gaya menyebabkan percepatan. Arah gaya searah dengan arah percepatan. Dari sini dapat disimpulkan bahwa gaya adalah besaran yang mempunyai besar dan arah. Ini berarti, gaya dapat digolongkan sebagai sebuah vektor.

Satuan gaya adalah Newton , satu Newton adalah besarnya gaya yang diperlukan untuk menimbulkan percepatan 1 m.s^-2 pada benda bermassa 1 kg. Disamping Newton, satuan gaya sering ditulis juga dalam bentuk kg m/s² . 1 Newton = 1 kg m/s² Dalam sistern satuan lain seperti cgs, satuan gaya dinyatakan dalam 1 dyne 1 dyne = 1 gr cm/s².

Gambar 1 Gaya satu Newton

Hubungan antara dyne dan Newton adalah :

1 Newton = 10⁵ dyne

Newton sering disingkat dengan N.

2. Hukum Newton I

Benda yang diam akan bergerak jika diberi gaya. Benda yang sudah bergerak dengan kecepatan tertentu, akan tetap bergerak dengan kecepatan itu jika tidak ada gangguan (gaya). Hal diatas merupakan dasar dari Hukum Newton I yang dapat dituliskan sebagai berikut:

“ Jika gaya total yang bekerja pada benda itu sama dengan nol, maka benda yang sedang diam akan tetap diam dan benda yang sedang bergerak lurus dengan kecepatan tetap akan tetap bergerak lurus dengan kecepatan tetap.”

Secara sederhana Hukum Newton I mengatakan bahwa perecepatan benda nol jika gaya total (gaya resultan) yang bekerja pada benda sama dengan nol. Secara matematis dapat ditulis.

( 1.0 )

Sebenarnya pernyataan hukum Newton I di atas sudah pernah diucapkan oleh Galileo beberapa tahun sebelum Newton lahir Galileo mengatakan:

“Kecepatan yang diberikan pada suatu benda akan tetap dipertahankan jika semua gaya penghambatnya dihilangkan.”

3. Hukum Newton II

Hukum Newton II akan membicarakan keadaan benda jika resultan gaya yang bekerja tidak nol. Bayangkan anda mendorong sebuah benda yang gaya F dilantai yang licin sekali sehingga benda itu bergerak dengan percepatan a. Menurut hasil percobaan, jika gayanya diperbesar 2 kali ternyata percepatannya menjadi. 2 kali lebih besar. Demikian juga jika gaya diperbesar 3 kali percepatannya lebih besar 3 .kali lipat. Dan sini kita simpulkan bahwa percepatan sebanding dengan resultan gaya yang bekerja.

Sekarang kita lakukan percobaan lain. Kali ini massa bendanya divariasi tetapi gayanya dipertahankan tetap sama. Jika massa benda diperbesar 2 kali, ternyata percepatannya menjadi 1⁄2 kali. Demikian juga jika massa benda diperbesar 4 kali, percepatannya menjadi 1⁄4 kali percepatan semula. Dan sini kita bisa simpulkan bahwa percepatan suatu benda berbanding terbalik dengan massa benda itu.

Kedua kesimpulan yang diperoleh dari eksperimen tersebut dapat diringkaskan dalam Hukum Newton II :

“Percepatan suatu benda sebanding dengan resultan gaya yang bekerja dan berbanding terbalik dengan massanya.”

Secara matematis hukum Newton II dapat ditulis sebagai berikut :

( 1.2 )

ΣF = resultan gaya yang bekerja

m = massa benda

a = percepatan yang ditimbulkan

jika dalam bentuk vektor maka penulisannya adalah :

Σf_x = m.a_x

Σf_y = m.a_y

Σf_z = m.a_z

4. Hukum Newton III

Hukum Newton III berbunyi :

“Jika suatu benda mengerjakan gaya pada benda lain, maka benda yang kedua ini mengerjakan gaya pada benda yang pertama yang besarnya sama dengan gaya yang diterimatapi arahnya berlawanan.”

( 1.3 )

F_aksi = gaya yang bekerja pada benda

F_reaksi = gaya yang bereaksi akibat gaya aksi

Hukum ketiga menyatakan bahwa tidak ada gaya timbul di alam semesta ini, tanpa keberadaan gaya lain yang sama dan berlawanan dengan gaya itu. Jika sebuah gaya bekerja pada sebuah benda (aksi) maka benda itu akan mengerjakan gaya yang sama besar namun berlawanan arah (reaksi). Dengan kata lain gaya selalu muncul berpasangan. Tidak pernah ada gaya yang muncul sendirian!

5. Macam – macam gaya

a. Gaya berat

Gaya berat (W) adalah gaya gravitasi bumi yang bekerja pada suatu benda. Gaya berat selalu tegak lurus kebawah dimana pun posisi benda diletakkan, apakah dibidang horizontal, vertical ataupun bidang miring

 Arah vektor gaya berat

b. Gaya Normal

Gaya normal adalah gaya yang bekerja pada bidang sentuh antara dua prmukaan yang bersentuhan, dan arahnya selalu tegak lurus bidang sentuh.

Arah vektor gaya normal

c. Gaya Gesek

Gaya gesek termasuk gaya normal gaya ini muncul jika permukaan dua benda bersentuhan secara lansung secara fisik. Arah gesekan searah dengan permukaan bidang sentuh dan berlawanan dengan arah kecendrungan gerak. Gaya gesek ada dua macam yaitu gaya gesek statis dan gaya gesek statis. Bila bidang sentuh tidak licin, maka gaya kontak mempunyai komponen sepanjang bidang sentuh yang disebut gaya gesekan statik, dan gaya gesekan untuk benda dalam keadaan bergerak disebut gaya gesekan kinetik. Arah gaya gesekan ini selalu sepanjang bidang sentuh dan berusaha melawan gerak relatif bidang sentuhnya.

Besar gaya gesek statik mempunyai batas maksimum, nilai maksimumnya sebanding dengan gaya normal N dan konstanta perbandingan = μ_s disebut koefisien gesekan statik f_smax = μ_s N.

Arah vektor gaya gesek

d. Gaya tegang tali

Gaya tegangan tali disebut juga tegangan tali adalah gaya yang bekerja pada ujung-ujung tali karena tali itu tegang. Jika tali dianggap ringan maka gaya tegangan tali pada kedua ujung tali yang sama dianggap sama besarnya.

Gaya Tegangan Tali

6. Inersia (Kelembaman)

Inersia adalah kecenderungan suatu benda untuk tetap diam atau tetap bergerak lurus dengan kecepatan tetap. (bergerak lurus beraturan) Hukum Newton I sering disebut Hukum Inersia karena hukum Newton I ini menyatakan bahwa suatu benda cenderung tetap diam atau tetap bergerak dengan kecepatan tetap, asalkan tidak ada gaya yang rnengganggunya.

Hukum Newton I hanya berlaku pada suatu kerangka acuan yang disebut kerangka inersia. Kerangka inersia didefinisikan sebagai suatu kerangka acuan yang tidak dipercepat. Kerangka inersia ini dapat berupa kerangka diam atau kerangka yang bergerak beraturan dengan kecepatan tetap. Semua hukum Fisika yang berlaku dalam suatu kerangka inersia berlaku gaya pada kerangka inersia yang lain.

7. Massa

Misalkan kita mempunyai 2 benda berukuran sama dalam keadaan diam. Yang satu terbuat Besi dan yang lain dari kayu. Jika kita ingin menggerakkan benda ini, kita membutuhkan gaya yang lebih besar untuk besi dibandingkan kayu.

Dua benda yg berbeda jenis

Hal ini disebabkan besi mempunyai inersia (kecenderungan untuk tetap diam) yang besar dibandingkan kayu. Dengan kata lain besi lebih sulit digerakkan dibandingkan kayu. Semakin besar inersia suatu benda semakin cenderung benda ini ingin mempertahankan posisi diamnya, akibatnya untuk menggerakkan benda yang lebih besar inersianya dibutuhkan gaya yang lebih besar. (Catatan: pengertian inersia sebenarnya bukan untuk benda yang diam saja, tapi juga untuk benda yang bergerak dengan kecepatan tetap). Massa inersia (atau lebih dikenal dengan massa) didefinisikan sebagai ukuran inersia. Massa suatu benda menunjukkan berapa besar kecenderungan suatu benda untuk tetap diam atau bergerak lurus beraturan. Satuan massa dalam SI adalah kg. Dari definisi massa kita boleh mengatakan bahwa lebih sulit mempercepat benda yang bermassa besar bandingkan benda yang bermassa kecil. Dengan gaya yang sama kita mampu mempercepat benda yang massanya 6 kg dua kali lebih besar dibandingkan dengan benda yang massanya 3 kg.

Benda dengan massa m

Massa suatu benda dapat ditentukan dengan membandingkan percepatan yang dihasilkan oleh suatu gaya pada benda-benda yang berbeda. Anggap suatu gaya bekerja pada suatu benda (kita anggap massanya m₁). Percepatan yang dihasilkan adalah a₁ . Anggap gaya yang sama bekerja pada benda lain (yang massanya kita anggap m₂) dan percepatan yang dihasilkan adalah a₂. Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa perbandingan kedua massa merupakan perbandingan terbalik dari besarnya percepatan kedua benda itu.

( 1.4 )

Jika massa dari salah satu benda diketahui (misalnya massa standard, 1 kg) maka massa benda yang lain dapat diketahui.

8. Berat

Berat adalah gaya yang dilakukan oleh bumi terhadap sebuah benda. Jika bumi kita anggap bulat arah gaya ini adalah ke pusat bumi. Definisi yang lebih tepat mengenai berat : Berat suatu benda adalah resultan gaya gravitasi pada benda itu akibat benda-benda di alam semesta ini.

Jadi berat benda sesungguhnya tidak hanya tergantung pada gaya gravitasi bumi saja. juga gravitasi dari bintang dan planet-planet. Namun dalam perhitungan, berat benda di bumi kita cukup menghitung gaya gravitasi akibat tarikan bumi saja. Kontribusi gaya akibat tarikan bintang-bintang sangat kecil karena jarak bintang sangat jauh.

Kita sudah pelajari bahwa benda yang jatuh bebas mengalami percepatan jatuh bebas g. Dengan menggunakan definisi berat diatas dan menggunakan hukum Newton II a = g, kita peroleh :

( 1.5 )

karena berat, W tergantung pada g maka berat suatu benda tergantung pada dimana benda itu berada. Ini berbeda dengan massa. Massa benda seiaiu sama. manapun benda itu diletakkan.