HUKUM GERAK-CHAPTER 5


5.1 Konsep Gaya
5.2 Hukum Pertama Newton dan Kerangka Inersia
5.3 Massa
5.4 Hukum Kedua Newton
5.5 Gaya gravitasi dan Berat
5.6 Hukum Ketiga Newton
5.7 Model Analisis Menggunakan Hukum Kedua Newton
5.8 Gaya Gesek

Dalam Bab 2 dan 4, kita menggambarkan gerak suatu objek dalam hal posisi, kelajuan, dan percepatan tanpa mempertimbangkan apa yang mungkin mempengaruhi gerak itu. Sekarang kita mempertimbangkan pengaruh itu: Mengapa gerakan sebuah objek berubah? Apa yang mungkin menyebabkan suatu objek untuk tetap diam dan objek lain  mengalami percepatan? Mengapa umumnya lebih mudah untuk memindahkan benda kecil dari pada sebuah benda besar? Dua faktor utama yang perlu kita perhatikan adalah gaya yang bekerja pada suatu benda dan massa benda. Dalam bab ini, kita mulai pelajaran kita tentang dinamika dengan membahas tiga hukum dasar gerak, yang berhubungan dengan gaya dan massa dan dirumuskan lebih dari tiga abad yang lalu oleh Isaac Newton.

5.1 Konsep Gaya

Setiap orang memiliki pemahaman dasar tentang konsep gaya dari pengalaman sehari-hari. Ketika Anda mendorong piring kosong makan malam Anda, Anda mengerahkan gaya padanya. Demikian pula, Anda mengerahkan gaya pada bola ketika Anda melempar atau menendangnya. Dalam contoh ini, kata gaya mengacu pada interaksi dengan obyek melalui aktivitas otot dan beberapa perubahan dalam kelajuan objek. Gaya tidak selalu menyebabkan gerak. Misalnya, ketika Anda sedang duduk, gaya gravitasi bekerja pada tubuh Anda, namun Anda tetap diam. Sebagai contoh kedua, Anda dapat mendorong (dengan kata lain, mengerahkan gaya) pada sebuah batu besar dan tidak dapat memindahkannya.

Apakah gaya (jika ada) yang menyebabkan Bulan yang mengorbit Bumi? Newton menjawab ini dan mengaitkan pertanyaan dengan menyatakan bahwa gaya adalah apa yang menyebabkan perubahan dalam kelajuan sebuah benda. Perubahan kelajuan Bulan dalam arah seperti ini bergerak dalam orbit mendekati bentuk lingkaran di sekitar Bumi. Perubahan dalam kelajuan disebabkan oleh gaya gravitasi yang diberikan oleh Bumi pada Bulan.

Ketika pegas melingkar ditarik, seperti pada Gambar 5.1a, terjadi peregangan pegas. Ketika keranjang stasioner ditarik, seperti pada Gambar 5.1B, gerobak bergerak. Ketika bola ditendang, seperti pada Gambar 5.1c, keduanya berubah arah dan bergerak. Situasi ini merupakan contoh dari bagian gaya yang disebut gaya kontak. Artinya, mereka melibatkan kontak fisik antara dua benda. Contoh lain dari gaya kontak adalah gaya yang diberikan oleh molekul gas pada dinding wadah dan gaya yang diberikan oleh kaki Anda pada lantai.

Bagian lain dari gaya, yang dikenal sebagai gaya medan, tidak melibatkan kontak fisik antara dua benda. Gaya ini bekerja melalui ruang kosong. Gaya gravitasi tarik-menarik antara dua benda dengan massa, diilustrasikan pada Gambar 5.1d, adalah contoh dari bagian gaya ini. Gaya gravitasi membuat benda terikat pada Bumi dan planet-planet di sekitar Matahari. Gaya medan umum yang lain adalah gaya listrik yang suatu muatan diberikan kepada muatan listrik yang lain (Gambar 5.1e), seperti muatan elektron dan proton yang membentuk atom hidrogen. Contoh ketiga dari gaya medan adalah gaya sebuah magnet diberikannya pada sepotong besi (Gambar 5.1f).


Perbedaan antara gaya kontak dan medan gaya tidak sejauh yang mungkin Anda telah fahami dari pembahasan sebelumnya. Ketika diperiksa pada tingkat atom, semua gaya yang kita kelompokan sebagai gaya kontak ternyata disebabkan oleh listrik (medan) gaya dari jenis ini diilustrasikan pada Gambar 5.1e. Namun demikian, dalam mengembangkan model untuk fenomena makroskopik, akan lebih mudah untuk menggunakan kedua klasifikasi gaya. Satu-satunya dikenal gaya mendasar di alam adalah semua gaya medan: (1) gaya gravitasi antar obyek, (2) gaya elektromagnetik antar muatan listrik, (3) kekuatan gaya antara partikel-partikel subatomik, dan (4) gaya lemah yang timbul dalam proses peluruhan radioaktif tertentu. Dalam fisika klasik, kita hanya perhatikan gaya gravitasi dan elektromagnetik. Kita akan membahas gaya yang kuat dan lemah dalam Bab 46.

Vector Gaya Normal
Hal ini dimungkinkan untuk menggunakan deformasi (perubahan bentuk) pegas untuk mengukur gaya. Misalkan suatu gaya vertikal diterapkan untuk skala pegas yang memiliki ujung atas tetap seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.2a. Pegas memanjang ketika diberikan gaya, dan penunjuk pada skala baca pada pegas mengalami perpanjangan. Kita dapat mengkalibrasi pegas dengan mendefinisikan sumber gaya F1 sebagai gaya yang menghasilkan pembacaan skala 1,00 cm. Jika sekarang kita memberikan gaya ke bawah yang berbeda F2 yang besarnya dua kali lipat dari sumber gaya F1  seperti terlihat pada Gambar 5.2B, penunjuk skala bergerak ke 2,00 cm. Gambar 5.2c menunjukkan bahwa efek gabungan dari dua gaya tak searah adalah jumlah efek dari gaya individu.




Sekarang anggaplah dua gaya diterapkan bersamaan, dengan F1 ke bawah dan F2 horisontal seperti yang diilustrasikan pada Gambar 5.2d. Dalam hal ini, skala menunjukkan pada angka 2,24 cm. Satu gaya F yang akan menghasilkan bacaan yang sama adalah jumlah dari dua vektor F1 dan F2 seperti yang dijelaskan pada Gambar 5.2d. Artinya, |F1| == 2.24 satuan, dan arahnya adalah θ = tan-1 (-0,500) = 26,6 °. Karena gaya telah diverifikasi secara eksperimen untuk berperilaku sebagai vektor, Anda harus menggunakan aturan penjumlahan vektor untuk mendapatkan gaya total pada suatu benda.

5.2 Hukum Pertama Newton dan Kerangka Inersia

Kita mulai pelajaran kita tentang gaya dengan membayangkan beberapa situasi fisik yang melibatkan keping di atas meja hoki udara tingkat sempurna (Gambar 5.3). Anda berharap bahwa keping akan tetap diam ketika ditaruh lembut saat istirahat di atas meja. Sekarang bayangkan meja hoki udara Anda berada di kereta bergerak dengan kelajuan konstan di sepanjang jalur yang sangat halus. Jika keping ditempatkan di atas meja, keping tetap di mana ia ditempatkan. Jika kereta yang dipercepat, bagaimanapun, keping akan mulai bergerak sepanjang meja berlawanan arah dengan percepatan kereta, seperti satu set kertas pada dashboard Anda jatuh ke lantai mobil Anda ketika Anda menginjak pedal gas.



Seperti yang kita lihat dalam Bagian 4.6, objek bergerak dapat diamati dari sejumlah kerangka acuan. Hukum pertama Newton tentang gerak, kadang-kadang disebut hukum inersia, mendefinisikan satu set khusus dari kerangka acuan yang disebut kerangka inersia. Hukum ini dapat dinyatakan sebagai berikut:
"Jika suatu benda tidak berinteraksi dengan benda lain, adalah mungkin untuk mengidentifikasi kerangka acuan di mana objek memiliki nol percepatan "

Seperti sebuah kerangka acuan disebut kerangka acuan inersia. Ketika keping pada meja hoki udara yang terletak di tanah, Anda mengamati dari kerangka acuan inersia, tidak ada interaksi horizontal keping dengan benda lain, dan Anda mengamatinya memiliki percepatan nol ke arah itu. Ketika Anda berada di kereta bergerak pada kelajuan konstan, Anda juga mengamati keping dari kerangka acuan inersia. Setiap kerangka acuan yang bergerak dengan kelajuan konstan relatif terhadap kerangka inersia yang ia sendiri merupakan kerangka inersia. Ketika Anda dan kereta dipercepat, bagaimanapun, Anda mengamati keping dari kerangka acuan noninersia karena kereta dipercepat relatif terhadap kerangka acuan inersia permukaan bumi. Sementara keping tampaknya dipercepat menurut pengamatan Anda, kerangka acuan dapat diidentifikasi di mana keping memiliki percepatan nol. Misalnya, kedudukan pengamat di luar kereta di tanah melihat keping geser relatif terhadap meja tapi selalu bergerak dengan kelajuan yang sama terhadap tanah saat kereta sebelum mulai dipercepat (karena hampir tidak ada gesekan " mengikat "keping dan kereta bersama-sama). Oleh karena itu, hukum pertama Newton masih meyakinkan meskipun pengamatan Anda sebagai pengendara kereta menunjukkan percepatan relatif terhadap Anda.

Sebuah kerangka acuan yang bergerak dengan kelajuan konstan relatif terhadap bintang-bintang jauh adalah pendekatan terbaik dari kerangka inersia, dan untuk tujuan kita, kita dapat mempertimbangkan Bumi sebagai kerangka tersebut. Bumi tidak benar-benar kerangka inersia karena gerak orbitnya di sekitar Matahari dan gerak rotasi pada sumbunya, baik yang melibatkan percepatan sentripetal. Percepatan ini kecil dibandingkan dengan g, bagaimanapun, dan sering dapat diabaikan. Untuk alasan ini, kita anggap Bumi sebagai kerangka inersia, bersama dengan kerangka lain yang melekat padanya.

Mari kita asumsikan kita mengamati objek dari suatu kerangka acuan inersia. (Kami akan kembali ke pengamatan yang dilakukan dalam kerangka acuan noninersia dalam Bagian 6.3.) Sebelum sekitar 1600, para ilmuwan percaya bahwa keadaan alami materi adalah keadaan diam. Pengamatan menunjukkan bahwa benda bergerak akhirnya berhenti bergerak. Galileo adalah orang pertama yang mengambil pendekatan berbeda untuk gerak dan keadaan alami dari materi. Ia merancang gagasan eksperimen dan menyimpulkan bahwa itu bukan sifat suatu benda untuk berhenti sekali diatur dalam gerak: bukan, itu adalah sifatnya untuk melawan perubahan dalam geraknya. Dalam kata-katanya, "Setiap kali kecepatan diberikan kepada suatu benda yang bergerak akan sulit dipertahankan selama penyebab eksternal keterbelakangan dihapus." Sebagai contoh, sebuah pesawat ruang angkasa melayang melalui ruang kosong dengan mesin dimatikan akan terus bergerak selamanya. Itu tidak akan mencari "keadaan alami" diam.

Mengingat pembahasan kita tentang pengamatan yang dilakukan dari kerangka acuan inersia, kita dapat menyimpulkan pernyataan yang lebih praktis dari hukum pertama Newton tentang gerak:
"Dengan tidak adanya gaya eksternal dan bila dilihat dari kerangka acuan inersia, objek saat diam akan tetap diam dan benda yang bergerak akan terus gerak dengan kecepatan konstan (yaitu, dengan kecepatan konstan dalam garis lurus). "

Dengan kata lain, bila tidak ada gaya luar yang bekerja pada objek, percepatan benda adalah nol. Dari hukum pertama, kita menyimpulkan bahwa setiap objek terisolasi (salah satu yang tidak berinteraksi dengan lingkungannya) adalah baik saat diam atau bergerak dengan kelajuan konstan. Kecenderungan obyek untuk melawan setiap upaya untuk mengubah kelajuannya disebut inersia. Mengingat pernyataan hukum pertama di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa sebuah benda yang dipercepat harus mengalami gaya. Pada gilirannya, dari hukum pertama, kita dapat mendefinisikan gaya seperti itu yang menyebabkan perubahan dalam gerak suatu objek.

5.3 Massa

Bayangkan permainan menangkap dengan baik bola basket atau bola bowling. Mana bola yang lebih mungkin untuk terus bergerak saat Anda mencoba untuk menangkapnya? Mana bola yang membutuhkan usaha lebih untuk membuangnya? Bola bowling membutuhkan usaha lebih. Dalam bahasa fisika, kita mengatakan bahwa bola bowling lebih tahan terhadap perubahan dalam kelajuan dibanding basket. Bagaimana kita bisa mengukur konsep ini?

Massa adalah sifat dari objek yang menentukan berapa besar perlawanan suatu objek dalam perubahan kelajuannya, dan seperti yang kita pelajari di Bagian 1.1, satuan SI massa adalah kilogram. Percobaan menunjukkan bahwa semakin besar massa suatu benda, semakin kecil percepatan objek di bawah pengaruh gaya yang diberikan.

Untuk menggambarkan besarnya massa, kita melakukan eksperimen di mana kita membandingkan percepatan gaya yang diberikan menghasilkan objek yang berbeda. Misalkan sebuah gaya yang bekerja pada suatu benda dari massa m1 menghasilkan perubahan dalam gerakan objek yang kita dapat ukur dengan percepatan objek a1, dan gaya yang sama bekerja pada suatu benda dari massa m2 menghasilkan percepatan a2. Rasio dua massa didefinisikan sebagai rasio terbalik dari besaran percepatan yang dihasilkan oleh gaya:
                                                         (5.1)

Misalnya, jika gaya tertentu yang bekerja pada sebuah benda 3 kg menghasilkan percepatan 4 m/s2, gaya yang sama diberikan ke objek 6 kg menghasilkan percepatan 2 m/s2. menurut sejumlah besar pengamatan serupa, kita menyimpulkan bahwa besarnya percepatan suatu benda berbanding terbalik dengan massanya ketika bertindak dengan gaya yang diberikan. Jika satu objek memiliki massa yang diketahui, massa dari objek lainnya dapat diperoleh dari pengukuran percepatan.

Massa adalah sifat yang melekat dari sebuah objek dan berdiri sendiri dari lingkungan obyek dan metode yang digunakan untuk mengukurnya. Juga, massa adalah besaran skalar dan dengan demikian mematuhi aturan aritmatika biasa. Misalnya, jika Anda menggabungkan massa 3 kg dengan massa 5 kg, massa total adalah 8 kg. Hasil ini dapat diverifikasi secara eksperimental dengan membandingkan percepatan bahwa gaya yang dikenal memberikan beberapa objek terpisah dengan percepatan yang memberikan kekuatan yang sama dengan objek yang sama digabungkan sebagai satu unit. Massa seharusnya tidak disinggungkan dengan berat. Massa dan berat adalah dua besaran yang berbeda. Berat suatu benda adalah sama dengan besarnya gaya gravitasi yang bekerja pada objek dan bervariasi dengan lokasi (lihat Bagian 5.5). Misalnya, orang dengan berat 180 lb di Bumi beratnya hanya sekitar 30 lb di Bulan. Di sisi lain, massa suatu benda adalah sama di mana-mana: obyek yang memiliki massa 2 kg di Bumi juga memiliki massa 2 kg di Bulan.

5.4 Hukum Kedua Newton

Hukum pertama Newton menjelaskan apa yang terjadi pada obyek ketika tidak ada gaya yang bekerja di atasnya: ia tetap diam atau bergerak dalam garis lurus dengan kecepatan konstan. Hukum kedua Newton menjawab pertanyaan tentang apa yang terjadi pada obyek ketika satu atau lebih gaya bekerja padanya.

Bayangkan Anda melakukan sebuah percobaan di mana Anda mendorong balok massa m melintas pada permukaan horizontal tanpa gesekan. Ketika Anda mengerahkan gaya horizontal F pada balok, bergerak dengan percepatan a. Jika Anda menerapkan gaya dua kali lebih besar pada balok yang sama, hasil eksperimen menunjukkan bahwa percepatan balok ganda, jika Anda meningkatkan gaya dengan menerapkan 3F, percepatannya tiga kali lipat, dan sebagainya. Dari pengamatan tersebut, kami menyimpulkan bahwa percepatan sebuah benda berbanding lurus dengan gaya yang bekerja padanya: F ~ a. Gagasan ini pertama kali diperkenalkan pada Bagian 2.4 ketika kita membahas arah percepatan suatu benda. Kita juga tahu dari bagian sebelumnya bahwa besarnya percepatan suatu benda berbanding terbalik dengan massanya: |a| ~ 1 / m.

Eksperimen ini dirangkum dalam hukum kedua Newton:
"Kalau dilihat dari kerangka acuan inersia, percepatan suatu benda berbanding lurus dengan gaya total yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya:
 

Jika kita memilih proporsionalitas konstanta dari 1, kita dapat menghubungkan massa, percepatan, dan gaya melalui pernyataan matematis hukum kedua Newton berikut:
F=m.a                                   (5.2)

Dalam kedua tekstual dan matematika hukum kedua Newton, kita telah menunjukkan bahwa percepatan adalah karena jumlah gaya F yang bekerja pada suatu benda. Gaya total pada suatu benda adalah jumlah vektor dari semua gaya yang bekerja pada benda tersebut. (Kita kadang-kadang mengacu pada jumlah gaya sebagai gaya total, gaya resultan, atau ketidakseimbangan gaya). Dalam memecahkan masalah dengan menggunakan hukum kedua Newton, sangat penting untuk menentukan gaya total yang benar pada suatu benda. Banyak gaya dapat bekerja pada suatu benda, tapi hanya ada satu percepatan. Persamaan 5.2 adalah vektor ekspresi dan karenanya setara dengan tiga persamaan komponen:

Fx = max            Fy = may            Fz = maz             (5.3)

Satuan SI gaya adalah newton (N). Sebuah gaya 1 N adalah gaya yang, ketika bekerja pada suatu benda bermassa 1 kg, menghasilkan percepatan 1 m/s2. Dari definisi ini dan hukum kedua Newton, kita melihat bahwa newton dapat dinyatakan dalam satuan-satuan dasar berikut massa, panjang, dan waktu:
1 N= 1 kg.m/s2                                 (5.4)

Dalam sistem AS, satuan gaya adalah pound (lb). Sebuah gaya dari 1 lb adalah gaya yang, ketika bekerja pada massa 1-slug, 2 menghasilkan percepatan 1 ft/s2:
1 lb = 1 slug. ft/s2                            (5.5)

Sebuah pendekatan yang nyaman adalah 1 N
¼  lb  (Serway, 2010:103-108).

No comments for "HUKUM GERAK-CHAPTER 5"