Dinamika Partikel Dinamika adalah ilmu yang mempelajari tentang gerak beserta pentebab terjadinya gerak yaitu gaya. Perumusan tentang penyebab gerak benda diberikan oleh Isaac Newton. Newton menemukan bahwa semua persoalan gerak di alam semesta dapat diterangkan dengan hanya 3 hukum yang sederhana. A. HUKUM 1 NEWTON Mungkin anda pernah mendorong mobil mainan yang diam, jika dorongan anda lemah mungkin mobil mainan belum bergerak, jika gaya dorong diperbesar mobil bergerak atau jika anda naik sepeda meluncur di jalan raya, jika sepeda direm, sepeda berhenti. Berdasarkan uraian di atas, apakah sebenarnya yang membuat mobil mainan yang mula-mula diam menjadi bergerak, dan sepeda yang mulamula bergerak menjadi diam? Agar mobil bergerak dan sepeda berhenti diperlukan energi (tenaga). Energi untuk mendorong mobil dan menghentikan sepeda dikerjakan, pada benda dengan suatu alat tertentu. Saat mendorong mobil Anda memakai tangan dan saat mengerem karet rem menyentuh roda sepeda s epeda hingga berhenti.Saat tangan menyentuh mobil dan karet rem menyentuh roda, maka tangan dan karet memberikan gaya tekan yang mempengaruhi benda. Jadi, yang menyebabkan sebuah benda bergerak atau berhenti adalah energi. Energi diperlukan untuk mengerjakan gaya pada benda. Kemudian gaya akan mempengaruhi gerakan benda. Penyebab benda bergerak ialah energi. Gaya hanya akan mempengaruhi gerak benda. Ada beberapa pengaruh gaya pada benda bila gaya bekerja pada suatu benda maka: 1.Gaya akan mengubah kecepatan benda dari diam menjadi bergerak, dari bergerak lalu berhenti. Contoh : Mobil mogok didorong hingga bergerak 2.Gaya dapat mengubah arah gerak benda. Contoh : Bola ditendang dari sisi gawang lalu disundul ke arah gawang. 3. Gaya juga dapat mengubah bentuk benda. Jika Anda memiliki balon, tiup dan ikatlah balon, sehingga balon tetap menggembung. Apa yang terjadi jika
balon tadi kita tekan perlahan dengan tangan? Pasti Anda akan mendapatkan balon agak kempes, atau bentuk balon berubah. Perubahan bentuk balon karena pengaruh gaya tekan. Gaya dapat mempengaruhi ukuran sebuah benda, karet jika ditarik akan bertambah panjang, sedangkan pegas jika ditekan akan bertambah pendek. Jadi, yang menyebabkan sebuah benda bergerak atau berhenti adalah energi. Energi diperlukan untuk mengerjakan gaya pada benda. Kemudian gaya akan mempengaruhi gerakan benda. Penyebab benda bergerak ialah energi. Gaya hanya akan mempengaruhi gerak benda.
Selanjutnya, coba Anda bayangkan seandainya Anda meletakkan gelas yang diam di atas meja datar, amati beberapa saat, apakah gelas tetap diam atau menjadi bergerak? Anda akan mendapatkan bahwa gelas tetap diam, karena tidak ada gaya yang bekerja pada gelas.
Gelas diam tetap diam.
Bagaimana jika Anda membayangkan sedang mengamati kelereng yang sedang meluncur di lantai licin yang datar, apakah kelereng akan terus meluncur bergerak atau berhenti? Jika keadaan lantai licin sempurna, Anda akan mendapatkan kelereng terus bergerak, karena tidak ada gaya yang menghentikan kelereng. Contoh : Kelereng yang bergerak tetap bergerak. Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa benda yang diam cenderung untuk diam, benda yang bergerak cenderung untuk tetap bergerak. Hal ini disebut sifat kelembaman benda. Seorang ahli fisika dari Inggris bernama Newton, merumuskan peristiwaperistiwa seperti di atas, dan selanjutnya disebut dengan Hukum I Newton, yang berbunyi: "Suatu benda akan tetap diam atau tetap bergerak lurus beraturan jika jumlah seluruh gaya pada benda sama dengan nol". Hukum di atas dituliskan: F=0
Newton
Dengan F adalah resultan gaya pada benda, dengan satuan newton (N), 1 newton = 1 kg ms-2. Contoh soal: 1. Gambar di samping dimaksudkan suatu benda (balok) terletak di atas bidang datar yang licin. Balok mengalami gaya tarik F1 = 15 N ke kanan dan gaya F2 ke kiri. Jika benda tetap diam berapa besar F2?
Gambar 1.6. Beban mengalami dua gaya
Jawaban Karena benda tetap diam, sesuai dengan Hukum I Newton
Σ
F F1 + F3 – F2
=0 =0
F3
= F2-F1
F3
= 20-10
F3
= 10 N
Gaya Kontak / Sentuh Untuk mengerjakan gaya pada suatu benda perlu ada kontak langsung dengan benda atau dapat juga menggunakan benda lain. Saat terjadi kontak antara dua benda akan bekerja dua gaya kontak yaitu: 1.
Gaya Normal (N) Gaya normal adalah gaya kontak yang kedudukannya tegak lurus bidang kontak dan arahnya menjauhi bidang kontak. Gambar 1.9. memperlihatkan
Gambar 1.9. Gaya normal tegak lurus bidang kontak.
Perhatikan baik-baik gambar 1.9. dan lihat bahwa titik tangkap gaya normal (N) selalu terletak pada bidang kontak.
1 F3 = 5 N ke kanan . 2 2. Gaya Geseka Gesekan n (f) . Gaya gaya gesekan adalah gaya kontak yang kedudukannya berimpit dengan bidang kontak dan arahnya berlawanan dengan kecenderungan arah gerak benda. Ada syarat khusus untuk gaya gesekan yaitu permukaan yang bersentuhan tidak boleh licin. Khusus mengenai gaya gesekan akan dibahas pada bab tersendiri. Bagaimana, apakah Anda telah memahami uraian di atas? Jika sudah coba Anda kerjakan latihan berikut ini. 1.
Beban yang terletak di atas meja datar dan licin, mengalami gaya-gaya F1 = 20 N ke kanan, F2 = 25 N ke kiri dan F3 jika beban tetap diam. Berapakah besar F3 dan ke mana arahnya? 2. Coba Anda perhatikan gambar di Di bawah ini. Beban m yang massanya 5 kg dengan percepatan gravitasi 10 ms-2, tergantung pada tali. Tentukan berapa besar gaya tegangan tali T1 dan T2!
HUKUM 2 NEWTON Bagaimana hubungan antara Percepatan dan Gaya ? Pernahkah anda mendorong sesuatu ? mungkin motor yang mogok atau gerobak sampah jika belum pernah mendorong sesuatu seumur hidup anda, gurumuda menyarankan agar sebaiknya anda berlatih mendorong. Tapi jangan mendorong mobil orang lain yang sedang diparkir, apalagi mendorong teman anda hingga jatuh. Ok, kembali ke dorong… Bayangkanlah anda mendorong sebuah gerobak sampah yang bau-nya menyengat. Usahakan sampai gerobak tersebut bergerak. Nah, ketika
gerobak bergerak, kita dapat mengatakan bahwa terdapat gaya total yang bekerja pada gerobak itu. Silahkan dorong gerobak sampah itu dengan gaya tetap selama 30 detik. Ketika anda mendorong gerobak tersebut dengan gaya tetap selama 30 menit, tampak bahwa gerobak yang tadinya diam, sekarang bergerak dengan laju tertentu, anggap saja 4 km/jam. Sekarang, doronglah gerobak tersebut dengan gaya dua kali lebih besar (gerobaknya didiamin dulu). Apa yang anda amati ? wah, gawat kalau belajar sambil ngelamun… Jika anda mendorong gerobak sampah dengan gaya dua kali lipat, maka gerobak tersebut bergerak dengan laju 4 km/jam dua kali lebih cepat dibandingkan sebelumnya. Percepatan gerak gerobak dua kali lebih besar. Apabila anda mendorong gerobak dengan gaya lima kali lebih besar, maka percepatan gerobak juga bertambah lima kali lipat. Demikian seterusnya. Kita bisa menyimpulkan bahwa percepatan berbanding lurus dengan gaya total yang bekerja pada benda. Seandainya percobaan mendorong gerobak sampah diulangi. Percobaan pertama, kita menggunakan gerobak yang terbuat dari kayu, sedangkan percobaan kedua kita menggunakan gerobak yang terbuat dari besi dan lebih berat. Jika anda mendorong gerobak besi dengan gaya dua kali lipat, apakah gerobak tersebut bergerak dengan laju 4 km/jam dua kali lebih cepat dibandingkan gerobak sebelumnya yang terbuat dari kayu ? Tentu saja tidak karena percepatan juga bergantung pada massa benda. Anda dapat membuktikannya sendiri dengan melakukan percobaan di atas. Jika anda mendorong gerobak sampah yang terbuat dari sampah dengan gaya yang sama ketika anda mendorong gerobak yang terbuat dari kayu, makaakan terlihat bahwa percepatan gerobak besi lebih kecil. Apabila gaya total yang bekerja pada benda tersebut sama, maka makin besar massa benda, makin kecil percepatannya, sebaliknya makin kecil massa benda makin besar percepatannya. Hubungan ini dikemas oleh eyang Newton dalam Hukum-nya yang laris manis di sekolah, yakni Hukum II Newton tentang Gerak : "Jika suatu gaya total bekerja pada benda, maka benda akan mengalami percepatan, di mana arah percepatan sama dengan arah gaya total yang bekerja padanya. Vektor gaya total sama dengan massa benda dikalikan dika likan dengan percepatan benda". Secara matematis dapat dirumuskan : Σ
F = m.a
m adalah massa benda dan a adalah (vektor) percepatannya. Jika persamaan di atas ditulis dalam bentuk a = F/m, tampak bahwa percepatan sebuah benda berbanding lurus dengan resultan gaya yang bekerja padanya dan arahnya sejajar dengan gaya tersebut. Tampak juga bahwa percepatan berbanding terbalik dengan massa benda.
Contoh soal 1 : Berapakah gaya total yang dibutuhkan untuk memberi percepatan sebesar 10 m/s2 kepada mobil yang bermassa 2000 kg ? jAWABAN : Dik : m = 2000 KG a = 10 m/s2 Dit : F =...? Jawab : F = m a F = 2000 kg x 10 m/s2 F = 20.000 N Contoh soal 2 : Dirimu mendorong sebuah kotak bermassa 1 kg yang terletak pada permukaan meja datar tanpa gesekan,dengan gaya sebesar 5 N. berapakah percepatan yang dialami kotak tersebut ? JAWABAN Dik : F = 5 kgm/s2 m = 1 kg Dit : a =..? Jawab : a = F/m a = 5 kgms-2 /1 kg a = 5 m/s2
Hukum 3 Newton Pernahkah anda menendang batu ? belum… pernahkah dirimu menendang dirinya ? Pernakah anda menendang atau memukul alias meninju sesuatu ? jika pernah, apa yang anda rasakan ? sakit… bisakah dirimu menjelaskan mengapa tangan atau kaki terasa sakit ? Apabila anda tidak bisa menjelaskannya, pelajarilah Hukum III Newton dengan penuh semangat Ketika kita mendorong dindng tembok sebuah bangunan maka kita akan merasakan sebuah gaya yang mendorong kita dalam arah yang berlawanan dengan arah dorongan kita terhadap tembok itu. Semakin kuat kita mendorong tembok semakin kuat pula tembok itu melawan dorongan kta. Hal ini menunjukkan bahwa gaya selalu berpasangan
dimana keduanya sama besar, tetapi arahnya berlawanan, dan bekerja pada dua buah benda berbeda ini disebut sebagai pasangan pasa ngan reaksi-aksi. Newton menyatakan pasangan aksi-reaksi ini dalam hukum 3 Newton yang berbunyi : " Jika benda pertama melakukan gaya pada benda ke dua, maka benda kedua akan melakukan gaya yang sama besar pada benda pertama, tetapi arahnya berlawanan dengan arah gaya yang diberikan benda pertama". Secara matematis, huklum 3 Newton dinyatakan sebagai berikut: F(aksi) = -F (reaksi) syarat-syarat gaya aksi reaksi yaitu: 1. Arahnya berlawanan. 2. Besarnya sama (karena sistem diam). 3. Bekerja pada benda yang berbeda. (FAB pada tembok dan FBA) Aplikasi hukum 3 Newton dalam kehidupan sehari-hari: 1. Pada saat berjalan telapak kaki mendorong lantai kebelakang sebagai aksi dan lantai mendorong telapak kaki kedepan sebagai reaksi. 2. Pada saat berenang, kaki dan tangan mendorong air kebelakang sebagai aksi dan air mendorong kaki dan tangan kedepan sebagai reaksi. 3. Pada pelari,telapak kaki pelari mendorong papan start kebelakang (aksi). sebaga reaksi, papan start mendorong kaki pelari kedepan, sehingga pelari bergerak kedepan.
Gaya Di dalam ilmu fisika fisika,, gaya atau kakas adalah apapun yang dapat menyebabkan sebuah benda bermassa bermassa mengalami percepatan percepatan..[1]. Gaya memiliki besar dan arah arah,, sehingga merupakan besaran vektor vektor.. Satuan SI yang digunakan untuk mengukur gaya adalah Newton (dilambangkan dengan N). Berdasarkan Hukum kedua Newton, Newton, sebuah benda dengan massa konstan akan dipercepat sebanding dengan gaya netto yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya.
Penjelasan lain yang mirip, gaya netto yang bekerja pada sebuah benda adalah sebanding dengan laju perubahan momentum yang dialaminya.[2]
Gaya (bisa tarik atau tolak) timbul karena fenomena gravitasi, gravitasi, magnet atau yang lain sehingga mengakibatkan percepatan Gaya bukanlah sesuatu yang pokok dalam ilmu fisika, meskipun ada kecenderungan untuk memperkenalkan ilmu fisika lewat konsep ini. Yang lebih pokok ialah momentum, energi dan tekanan tekanan.. Sebenarnya, tak seorang pun dapat mengukur gaya secara langsung. Tetapi, kalau sesuatu mengatakan seseorang mengukur gaya, sedikit berpikir akan membuat seseorang menyadari bahwa apa yang diukur sebenarnya adalah tekanan (atau mungkin kemiringannya). "Gaya" yang Anda rasakan saat meraba kulit anda, misalnya, sebenarnya adalah sel syaraf tekanan Anda yang mendapat perubahan tekanan. Ukuran neraca pegas mengukur ketegangan pegas, yang sebenarnya adalah tekanannya, dll. Dalam bahasa sehari-hari gaya dikaitkan dengan dorongan atau tarikan, mungkin dikerahkan oleh otot-otot kita. Di fisika, kita memerlukan definisi yang lebih presisi. Kita mendefinisikan gaya di sini dalam hubungannya dengan percepatan yang dialami benda standar yang diberikan ketika ditempatkan di lingkungan sesuai. Sebagai benda standar kita menggunakan (atau agaknya agak nya membayangkan bahwa kita menggunakannya!) silinder platinum yang disimpan di International Bureau of Weights and Measures dekat Paris dan disebut kilogram standar.
Di fisika, gaya adalah aksi atau a tau agen yang menyebabkan benda bermassa bergerak dipercepat. Hal ini mungkin dialami sebagai angkatan, dorongan atau tarikan. Percepatan benda sebanding dengan penjumlahan vektor seluruh gaya yang beraksi padanya (dikenal sebagai gaya netto atau gaya resultan). Dalam benda yang diperluas, gaya mungkin juga menyebabkan rotasi, deformasi atau kenaikan tekanan terhadap benda. Efek rotasi ditentukan oleh torka, sementara deformasi dan tekanan ditentukan oleh stres yang diciptakan oleh gaya. Gaya netto secara matematis sama dengan laju perubahan momentum benda dimana gaya beraksi. Karena momentum adalah kuantitas vektor (memiliki besar dan arah), gaya adalah juga kuantitas vektor. Konsep gaya telah membentuk bagian dari statika dan dinamika sejak zaman kuno. Kontribusi kuno terhadap statika berpuncak dalam pekerjaan Archimedes di abad ke tiga sebelum Masehi, yang masih membentuk bagian fisika modern. Sebaliknya, dinamika Aristoteles disatukan kesalahpahaman intuisi peranan gaya yang akhirnya dikoreksi dalam abad ke 17, berpuncak dalam pekerjaan Isaac Newton. Menurut perkembangan mekanika kuantum, sekarang dipahami bahwa partikel saling mempengaruhi satu sama lain melalui interaksi fundamental, menjadikan gaya sebagai konsep yang berguna hanya pada konsep makroskopik. Hanya empat interaksi fundamental yang dikenal: kuat, elektromagnetik, lemah (digabung menjadi satu interaksi elektrolemah pada tahun 1970-an), dan gravitasi (dalam urutan penurunan kuat interaksi).
Daftar isi •
1 Sejarah
•
2 Jenis-jenis Gaya
•
3 Definisi Kuantitatif
•
4 Gaya dalam Relativitas Khusus
•
5 Gaya dan Potensial
•
6 Gaya konservatif
•
7 Gaya non konservatif
•
8 Satuan Ukuran
Sejarah
Aristoteles dan pengikutnya meyakini bahwa keadaan alami objek di bumi tak bergerak dan bahwasannya objek-objek tersebut cenderung ke arah keadaan tersebut jika dibiarkan begitu saja. Aristoteles membedakan antara kecenderungan bawaan objek-objek untuk menemukan “tempat alami” mereka (misal benda berat jatuh), yang menuju “gerak alami”, dan tak alami atau gerak terpaksa, yang memerlukan penerapan kontinyu gaya. Namun teori ini meskipun berdasarkan pengalaman sehari-hari bagaimana objek bergerak (misal kuda dan pedati), memiliki kesulitan perhitungan yang menjengkelkan untuk proyektil, semisal penerbangan panah. Beberapa teori telah dibahas selama berabad-abad, dan gagasan pertengahan akhir bahwa objek dalam gerak terpaksa membawa gaya dorong bawaan adalah pengaruh pekerjaan Galileo. Galileo melakukan eksperimen dimana batu dan peluru meriam keduanya digelindingkan pada suatu kecuraman untuk membuktikan kebalikan teori gerak Aristoteles pada awal abad 17. Galileo menunjukkan bahwa benda dipercepat oleh gravitasi yang mana tak gayut massanya dan berargumentasi bahwa objek mempertahankan kecepatan mereka jika tidak dipengaruhi oleh gaya - biasanya gesekan. Isaac Newton dikenal sebagai pembantah secara tegas untuk pertama kalinya, bahwa secara umum, gaya konstan menyebabkan laju perubahan konstan (turunan waktu) dari momentum. Secara esensi, ia memberi definisi matematika pertama kali dan hanya definisi matematika dari kuantitas gaya itu sendiri - sebagai turunan waktu momentum: F = dp/dt. Pada tahun 1784 Charles Coulomb menemukan hukum kuadrat terbalik interaksi antara muatan listrik menggunakan keseimbangan torsional, yang mana adalah gaya fundamental kedua. Gaya nuklir kuat dan gaya nuklir lemah ditemukan pada abad ke 20. Dengan pengembangan teori medan kuantum dan relativitas umum, disadari bahwa “gaya” adalah konsep berlebihan yang muncul dari kekekalan momentum (momentum 4 dalam relativitas dan momentum partikel virtual dalam elektrodinamika kuantum). Dengan demikian sekarang ini dikenal gaya fundamental adalah lebih akurat disebut “interaksi fundamental”.
Jenis-jenis Gaya Meskipun terdapat dengan jelas banyak tipe gaya di alam semesta, mereka seluruhnya berbasis pada empat gaya fundamental. Gaya nuklir kuat dan gaya nuklir lemah hanya beraksi pada jarak yang sangat pendek dan bertanggung jawab untuk “mengikat” nukleon tertentu dan menyusun nuklir. Gaya elektromagnetik beraksi antara muatan listrik dan gaya gravitasi beraksi antara massa. Prinsip perkecualian Pauli bertanggung jawab untuk kecenderungan atom untuk tak “bertumpang tindih” satu sama lain, dan adalah jadinya
bertanggung jawab untuk “kekakuan” materi, namun hal ini juga bergantung pada gaya elektromagnetik yang mengikat isi-isi setiap atom. Seluruh gaya yang lain berbasiskan pada keempat gaya ini. Sebagai contoh, gesekan adalah perwujudan gaya elektromagnetik yang beraksi antara atom-atom dua permukaan, dan prinsip perkecualian Pauli, yang tidak memperkenankan atom-atom untuk menerobos satu sama lain. Gaya-gaya dalam pegas dimodelkan oleh hukum Hooke adalah juga hasil gaya elektromagnetik dan prinsip perkecualian Pauli yang beraksi bersamasama untuk mengembalikan objek ke posisi keseimbangan. Gaya sentrifugal adalah gaya percepatan yang muncul secara sederhana dari percepatan rotasi kerangka acuan. Pandangan mekanika kuantum modern dari tiga gaya fundamental pertama (seluruhnya kecuali gravitasi) adalah bahwa partikel materi (fermion) tidak secara langsung berinteraksi dengan satu sama lain namun agaknya dengan mempertukarkan partikel virtual (boson). Hasil pertukaran ini adalah apa yang kita sebut interaksi elektromagnetik (gaya Coulomb adalah satu contoh interaksi elektromagnetik). Dalam relativitas umum, gravitasi tidaklah dipandang sebagai gaya. Melainkan, objek yang bergerak secara bebas dalam medan gravitasi secara sederhana mengalami gerak inersia sepanjang garis lurus dalam ruangwaktu melengkung - didefinisikan sebagai lintasan ruang-waktu terpendek antara dua titik ruang-waktu. Garis lurus ini dalam ruang-waktu dipandang sebagai garis lengkung dalam ruang, dan disebut lintasan balistik objek. Sebagai contoh, bola basket yang dilempar dari landasan bergerak dalam bentuk parabola sebagaimana ia dalam medan gravitasi serba sama. Lintasan ruang-waktunya (ketika dimensi ekstra ct ditambahkan) adalah hampir garis lurus, sedikit melengkung (dengan jari-jari kelengkungan berorde sedikit tahun cahaya). Turunan waktu perubahan momentum dari benda adalah apa yang kita labeli sebagai “gaya gravitasi”. Contoh: •
Objek berat dalam keadaan jatuh bebas. Perubahan momentumnya sebagaimana
dp/dt = mdv/dt = ma =mg (jika massa m konstan), k onstan), jadi kita sebut kuantitas mg “gaya gravitasi” yang beraksi pada objek. Hal ini adalah definisi berat (W = mg) objek. •
Objek berat di atas meja ditarik ke bawah menuju lantai oleh gaya gravitasi (yakni beratnya). Pada waktu yang sama, meja menahan gaya ke bawah dengan gaya ke k e atas yang sama (disebut gaya normal), menghasilkan gaya netto nol, dan tak ada percepatan. (Jika objek adalah orang, ia sesungguhnya merasa aksi gaya normal terhadapnya dari bawah.)
•
Objek berat di atas meja dengan lembut didorong dalam arah menyamping oleh jari-jari.
•
Akan tetapi, ia tidak pindah karena gaya dari da ri jari-jari tangan pada objek sekarang dilawan oleh gaya baru gesekan statis, dibangkitkan dibangk itkan antara objek dan permukaan meja.
•
Gaya baru terbangkitkan ini secara pasti menyeimbangkan gaya yang dikerahkan pada objek oleh jari, dan lagi tak ada percepatan yang terjadi.
•
Gesekan statis meningkat atau menurun secara otomatis. Jika gaya dari jari-jari dinaikkan (hingga suatu titik), gaya samping yang berlawanan dari gesekan statis meningkat secara pasti menuju titik dari posisi sempurna.
•
Objek berat di atas meja didorong dengan jari cukup keras sehingga gesekan statis tak dapat membangkitkan gaya yang cukup untuk menandingi gaya yang dikerahkan oleh jari, dan objek mulai terdorong melintasi permukaan meja. Jika jari dipindah dengan kecepatan konstan, ini perlu untuk menerapkan gaya yang secara pasti membatalkan gaya gesek kinetik dari permukaan meja dan kemudian objek berpindah dengan kecepatan konstan yang sama. Kecepatan adalah konstan hanya karena gaya dari da ri jari dan gesekan kinetik saling menghilangkan satu sama lain. Tanpa gesekan, objek terus-menerus bergerak dipercepat sebagai respon terhadap gaya konstan.
•
Objek berat mencapai tepi meja dan jatuh. Sekarang objek, yang dikenai gaya konstan dari beratnya, namun dibebaskan dari gaya normal dan gaya gesek dari meja, memperoleh dalam kecepatannya dalam arah sebanding dengan waktu jatuh, dan jadinya (sebelum ia mencapai kecepatan dimana gaya tahanan udara menjadi signifikan dibandingkan dengan gaya gravitasi) laju perolehan momentum dan kecepatannya adalah konstan. Fakta ini pertama kali ditemukan oleh Galileo.
•
Objek berat suspended pada timbangan. Karena objek tidak bergerak (sehingga turunan waktu dari momentumnya adalah nol) maka selama percepatan jatuh bebas g ia harus mengalami percepatan yang diarahkan sama dan berlawanan a = -g dikarenakan aksi pegas.
•
Percepatan ini dikalikan dengan massa objek adalah apa yang kita labeli sebagai “gaya reaksi pegas” yang mana secara nyata sama dan da n berlawanan dengan berat objek mg.
•
Mengetahui massa (katakanlah, 1 kg) dan percepatan jatuh bebas (katakanlah, 9,8 meter/detik2) kita dapat menentukan timbangan dengan tanda “9,8 N”. Pasang beragam massa (2 kg, 3 kg, …) kita dapat mengkalibrasi timbangan dan kemudian menggunakan skala tertentu ini untuk mengukur banyak gaya yang lain (gesek, gaya reaksi, gaya listrik, gaya magnetik, dst).
Definisi Kuantitatif Kita memiliki pemahaman intuitif ide gaya, karena gaya dapat secara langsung dirasakan sebagai dorongan atau tarikan. Sebagaimana dengan konsep fisika yang lain (misal temperatur), ide intuitif dikuantifikasi menggunakan definisi operasional yang konsisten dengan persepsi langsung, namun lebih presisi. Secara historis, gaya pertama kali secara kuantitatif diselidiki dalam keadaan keseimbangan statis dimana beberapa gaya membatalkan satu sama lain. Eksperimen demikian membuktikan sifat-sifat yang rumit bahwa gaya adalah kuantitas vektor aditif: mereka memiliki besar dan arah. Sehingga, ketika dua gaya berkasi pada suatu objek, gaya hasil, resultan, adalah penjumlahan vektor gaya asal. Hal ini disebut prinsip superposisi. Besar resultante bervariasi dari perbedaan besar dua gaya terhadap penjumlahan mereka, gayut sudut antara garis-garis aksi mereka. Sebagaimana dengan seluruh penambahan vektor hasil-hasil ini dalam aturan jajaran genjang: penambahan dua vektor yang diwakili oleh sisi-sisi jajaran genjang, memberi vektor resultan ekivalen yang sama dalam da lam besar dan arah terhadap transversal jajaran genjang. Sebagaimana dapat ditambahkan, gaya juga dapat diuraikan (atau dipecah). Sebagai contoh, gaya horisontal menunjuk timur laut dapat dipecah menjadi dua gaya, satu menunjuk ke utara dan satu menunjuk timur. Jumlahkan komponen-komponen gaya ini menggunakan penambahan vektor menghasilkan gaya asal. Vektor-vektor gaya dapat juga menjadi tiga dimensi, dengan komponen ketiga (vertikal) pada penjuru sudut terhadap dua komponen horisontal. Kasus paling sederhana dari keseimbangan statis adalah ketika dua gaya adalah sama dalam besar namun berlawanan arah. Ini menyisakan cara yang paling biasa dari pengukuran gaya, menggunakan peralatan sederhana semisal timbangan berat dan neraca pegas. Menggunakan peralatan demikian, beberapa hukum gaya kuantitatif ditemukan: gaya gravitasi sebanding dengan volume objek yang terdiri dari material (secara luas dimanfaatkan saat ini untuk mendefinisikan standar berat); prinsip Archimedes untuk gaya apung; analisis ana lisis Archimedes dari pengungkit; hukum Boyle untuk tekanan gas; dan hukum Hooke untuk pegas: seluruhnya diformulasikan dan secara eksperimental dibuktikan sebelum Isaac Newton menguraikan secara rinci tiga hukum geraknya. Gaya terkadang didefinisikan menggunakan hukum kedua Newton, sebagai perkalian massa m kali percepatan atau lebih umum, sebagai laju perubahan momentum. Pendekatan ini diabaikan oleh sejumlah besar buku teks. Dengan pertimbangan yang lebih, hukum kedua Newton dapat diambil sebagai definisi kuantitatif massa; secara pasti dengan menuliskan hukum sebagai persamaan, satuan relatif gaya dan massa ditetapkan.
Sukses empirik yang diberikan hukum Newton, hal itu terkadang digunakan untuk mengukur kuat gaya (sebagai contoh, menggunakan orbit astronomi untuk menentukan gaya gravitasi).
Gaya dalam Relativitas Khusus Dalam teori relativitas khusus, massa dan energi adalah sama (sebagaimana dapat dilihat dengan menghitung kerja yang diperlukan untuk mempercepat benda). Ketika kecepatan suatu objek meningkat demikian juga energinya dan oleh karenanya ekivalensi massanya (inersia). Hal ini memerlukan gaya yang lebih besar untuk mempercepat benda sejumlah yang sama daripada itu lakukan pada kecepatan yang lebih rendah. Definisi masih valid.
Gaya dan Potensial Disamping gaya, konsep yang sama secara matematis dari medan energi potensial dapat digunakan untuk kesesuaian. Sebagai contoh, gaya gravitasi yang beraksi pada suatu benda dapat dipandang sebagai aksi medan gravitasi yang hadir pada lokasi benda. Pernyataan ulang secara matematis definisi energi (melalui definisi kerja), medan skalar potensial didefinisikan sebagai medan yang mana gradien adalah sama dan berlawanan dengan gaya yang dihasilkan pada setiap setiap titik. Gaya dapat diklasifikasi sebagai konservatif atau non konservatif. Gaya konservatif sama dengan gradien potensial.
Gaya konservatif Gaya konservatif yang beraksi pada sistem tertutup memiliki sebuah kerja mekanis terkait yang memperkenankan energi untuk mengubah hanya antara bentuk kinetik atau potensial. Hal ini berarti bahwa untuk sistem tertutup, energi mekanis netto adalah kekal kapan pun gaya konservatif k onservatif beraksi pada sistem. Gaya, oleh karena itu, terkait secara langsung dengan perbedaan energi potensial antara dua lokasi berbeda dalam ruang dan dapat ditinjau sebagai artifak, benda (artifact) medan potensial dalam cara yang sama bahwa arah dan jumlah aliran air dapat ditinjau sebagai artifak pemetaan kontur (contour map) dari ketinggian area. Gaya konservatif meliputi gravitasi, gaya elektromagnetik, dan gaya pegas. Tiap-tiap gaya ini, oleh karena itu, memiliki model yang gayut pada posisi seringkali diberikan sebagai vektor radial eminating dari potensial simetri bola.
Gaya non konservatif Untuk skenario fisis tertentu, adalah tak mungkin untuk memodelkan gaya sebagaimana dikarenakan gradien potensial. Hal ini seringkali dikarenakan tinjauan makrofisis yang mana menghasilkan gaya sebagai kemunculan dari rata-rata statistik makroskopik dari keadaan mikro. Sebagai contoh, friksi disebabkan oleh gradien banyak potensial
elektrostatik antara atom-atom, namun mewujud sebagai model gaya ga ya yang tak gayut sembarang vektor posisi skala makro. Gaya non konservatif selain friksi meliputi gaya kontak yang lain, tegangan, tekanan, dan seretan (drag). Akan tetapi, untuk sembarang deskripsi detil yang cukup, seluruh gaya ini adalah hasil gaya ga ya konservatif karena tiap-tiap gaya makroskopis ini adalah hasil netto gradien potensial mikroskopis. Hubungan antara gaya non konservatif makroskopis dan gaya konservatif mikroskopis dideskripsikan oleh perlakuan detil dengan mekanika statistik. Dalam sistem tertutup makroskopis, gaya non konservatif beraksi untuk mengubah energi internal sistem dan seringkali dikaitkan dengan transfer panas. Menurut Hukum Kedua Termodinamika, gaya non konservatif hasil yang diperlukan dalam transformasi energi dalam sistem tertutup dari kondisi k ondisi terurut menuju kondisi lebih acak sebagaimana sebaga imana entropi meningkat.
Satuan Ukuran Satuan SI yang digunakan untuk mengukur gaya adalah newton (simbol N), yang mana adalah ekivalen dengan kg.m.s-2. Satuan CGS lebih awal adalah dyne. Hubungan F = m.a dapat digunakan dengan yang mana pun.
GAYA GESEK Seperti yang sudah diberitahu tadi, Gaya Gesek merupakan gaya kontak dan arahnya selalu berlawanan dengan arah gerak benda. Gaya Gesek adalah gaya yang melawan gerakan dari dua permukaan yang bersentuhan. Gaya gesek mengubah energi kinetis menjadi panas atau suara. Sehingga dapat disimpulkan bahwa gaya gesek adalah gaya yang bekerja pada benda dan arahnya selalu melawan arah gerak benda. Gaya gesek hanya akan bekerja pada benda jika ada gaya ga ya luar yang bekerja pada benda tersebut. Bagaimana gaya gesek itu dapat muncul? Gaya gesek merupakan akumulasi interaksi mikro antar kedua permukaan yang saling bersentuhan. Gaya-gaya yang bekerja antara lain adalah gaya elektrostatik pada masing-masing permukaan. Dulu diyakini bahwa permukaan yang halus akan menyebabkan gaya gesek (atau tepatnya koefisien gaya gesek) menjadi lebih kecil nilainya dibandingkan dengan permukaan yang kasar, akan tetapi dewasa ini tidak lagi demikian. Konstruksi mikro (nano tepatnya) pada permukaan benda dapat menyebabkan gesekan menjadi minimum, bahkan cairan tidak lagi dapat membasahinya. Gaya gesek memiliki beberapa keuntungan maupun kerugian. Salah satu keuntungan gaya gesek adalah gesekan antara roda kendaraan bermotor dengan jalan. Dengan adanya gesekan, kecepatan mobil dapat dipercepat maupun diperlambat, sehingga mobil dapat bergerak maupun berhenti. Gaya gesekan itu bukan hanya memberikan keuntungan, tetapi juga memberikan kerugian, dimana dengan adanya gaya gesekan ban mobil
menjadi lebih cepat aus, sehingga harus diganti dengan ban mobil yang baru. Pada dasarnya gaya gesekan dibagi menjadi dua jenis, yaitu: 1. Gaya Gaya Ges Gesek ek Sta Stati tis s 2. Gaya Gaya Ges Gesek ek Kin Kinet etis is
GAYA GESEK STATIS Gaya Gesek Statis bekerja pada saat kedua permukaan benda yang bersentuhan relatif diam satu sama lain atau ketika benda hampir bergerak. Sehingga jika di jabarkan dengan hukum Newton, jumlah gaya yang bekerja adalah 0. Dimana kita ketahui bahwa sesuai dengan hukum Newton, jumlah gaya yang bekerja sama dengan massa dikalikan dengan percepatan (F = m.a). Karena benda hampir bergerak (belum bergerak), berarti benda tidak memiliki kecepatan dan dengan begitu benda tidak memiliki percepatan/perlambatan, sehingga jumlah gayanya adalah 0. Jadi besar maksimalnya gesekan statis adalah ketika benda tepat hampir bergerak. Sehingga dapat disimpulkan bahwa besarnya gaya gesek statis adalah antara 0 sampai dengan maksimalnya (0 < f s < f smaks smaks) Besarnya gaya gesek statis dapat dicari dengan rumus:
dengan: f g = Gaya Gesek µs = Koefisien Gesek Statis N = Gaya Normal Besarnya koefisien gesek statis adalah tangen sudut dari kemiringan ketika benda tepat ingin bergerak. Berikut adalah penjabaran rumus untuk mendapatkan besarnya koefisien gesek statis,
Fy = N - W.cosA = 0, sehingga N = W.cosA Fx = W.sinA - f s = 0, sehingga f s = W.sinA
kemudian dengan rumus gaya gesek diatas kita subsitusikan persamaannya, sehingga µs = f s : N µs = W.sinA : W.cosA µs = sinA : cosA µs = tanA dengan: f s = Gaya Gesek Statis Fy = Jumlah gaya yang bekerja pada sumbu y Fx = Jumlah gaya yang bekerja pada sumbu x W = Gaya Berat Benda A = Sudut Kemiringan Benda µs = Koefisien Gesek Statis N = Gaya Normal
GAYA GESEK KINETIS Gaya Gesek Kinetis bekerja pada saat ada gerak relatif antara kedua permukaan yang bersentuhan. Gaya gesek kinetis bekerja pada benda yang sedang melaju dengan sebuah kecepatan terminal. Dimana yang dimaksud dengan kecepatan terminal itu adalah kecepatan tanpa percepatan atau perlambatan, bisa juga disebut kecepatan konstan. Karena benda bergerak dengan kecepatan konstan, maka sesuai dengan Hukum Newton, N ewton, bahwa jumlah gaya yang bekerja adalah massa dikalikan dengan percepatan/perlambatan (F = m.s), jumlah gaya yang bekerja pada benda adalah 0 Besarnya gaya gesek statis dapat dicari dengan rumus:
dengan: f g = Gaya Gesek µk = Koefisien Gesek Kinetis N = Gaya Normal Besarnya koefisien gesek kinetis adalah tangen sudut dari kemiringan ketika benda tepat ingin bergerak. Berikut adalah penjabaran rumus untuk mendapatkan besarnya koefisien gesek kinetis,
Fy = N - W.cosA = 0, sehingga N = W.cosA Fx = W.sinA - f k = 0, sehingga f k k = W.sinA kemudian dengan rumus gaya gesek diatas kita subsitusikan persamaannya, sehingga µk = f k : N µk = W.sinA : W.cosA µk= sinA : cosA µk = tanA dengan: f k = Gaya Gesek Kinetis Fy = Jumlah gaya yang bekerja pada sumbu y Fx = Jumlah gaya yang bekerja pada sumbu x W = Gaya Berat Benda A = Sudut Kemiringan Benda µk = Koefisien Gesek Kinetis N = Gaya Normal Dari hasil percobaan antara koefisien gesek statis dan koefisien gesek kinetis, didapatkan bahwa: 1. Besarnya koefisien gesek statis selalu lebih kecil dari besarnya
koefisien gesek kinetis (µ s < µk). 2. Besarnya koefisien gesek kinetis dipengaruhi oleh kelajuan relatif
permukaan, tetapi untuk kelajuan sampai beberapa m/s, besarnya koefisien gesek kinetis hampir sama. 3. Besarnya Besarnya koefisien koefisien gesek gesek statis maupun maupun kinetis bergantun bergantung g pada sifat sifat permukaan yang bergesakan.
PENERAPAN GAYA GESEKAN PADA TIKUNGAN Dalam Hal ini, akan ada dua macam keadaan yang akan dibahas, yaitu dalam tikungan datar dan tikungan miring. miring. Untuk yang tikungan miring akan dibahas dua macam, yaitu tanpa gesekan dan dengan gesekan. gesekan. Hal yang
dibahas adalah berapa kecepatan yang diijinkan untuk sebuah kendara bermotor untuk menempuh tikungan itu. 1. Tikung Tikungan an Datar Datar (Denga (Dengan n Gesekan) Gesekan) Dalam hal ini tikungan kita anggap sebagai s ebagai lingkaran. Maka bila ada kendaraan yang ingin menikung, pasti ada gaya sentripetal s entripetal yang arah menuju pusat lingkaran. Pada jalan datar gaya gesek statis yang bekerja pada ban ke pusat lingkaran merupakan gaya sentripetal. Sehingga untuk mencari besarnya kecepatan yang diijinkan digunakan persamaan berikut: f s = Fs µkN = (mv2) : R , sehingga:
dengan: f s = Gaya Gesek Statis µs = Koefisien Gesek Statis N = Gaya Normal (m.g) v = Kecepatan m = Massa R = Jari - Jari g = Percepatan Gravitasi 2. Tikun Tikunga gan n Mir Mirin ing g Dalam hal tikungan miring ada dua hal yang akan di bahas, yaitu dengan atau tidak dengan gesekan. Hal ini akan dibahas satu persatu. ○
Tanpa Gesekan Sama halnya dengan tikungan datar, saat saa t kendaraan menikung, gaya gesek mengarah ke pusat. Namun dalam hal ini besarnya gaya gesek adalah N sinA, sehingga didapatkan rumus:
N sinA = (mv2) : R Selain itu juga didpatkan bahwa besarnya gaya berat yang bekerja adalah gaya normal dikalikan cosinus dari sudut kemiringan, atau dapat dituliskan:
N = (mg) : cosA
Dengan begitu jika persamaan kedua di subsitusikan ke persamaan pertama didapatkan: (mg) X (sinA : cosA) = (mv2) : R g sinA = v2 : R, sehingga:
dengan: N = Gaya Normal (m.g) v = Kecepatan m = Massa R = Jari - Jari A = Sudut Kemiringan g = Percepatan Gravitasi ○
Dengan Gesekan Tikungan sirkuit balap dibuat miring dengna maksud tertentu. Sirkuit dibuat miring agar gaya normal yang bekerja pada mobil memiliki komponen horizontal ke arah pusat lingkaran untuk memnberikan gaya sentripetal. Untuk mencari besarnya kecepatan yang diijinkan untuk menempuh sebuah tikungan dengan gaya gesek dengan kemiringan sudut sebesar A adalah:
dengan: v = Kecepatan µs = Koefisien Gesek Statis R = Jari - Jari A = Sudut Kemiringan g = Percepatan Gravitasi
