Hukum I Newton. Untuk SMA kelas X. (Modul ini telah disesuaikan dengan KTSP)

Transkripsi

1 Hukum I Newton Untuk SMA kelas X (Modul ini telah disesuaikan dengan KTSP) Lisensi Dokumen: Copyright GuruMuda.Com Seluruh dokumen di GuruMuda.Com dapat digunakan dan disebarkan secara bebas untuk tujuan bukan komersial (nonprofit), dengan syarat tidak menghapus atau merubah atribut penulis dan pernyataan copyright yang disertakan dalam setiap dokumen. Tidak diperbolehkan melakukan penulisan ulang, kecuali mendapatkan ijin terlebih dahulu dari GuruMuda.Com. Penulis Alexander San Lohat (San) Saya berasal dari Waienga, Lembata Flores Timur, Nusa Tenggara Timur (NTT). Saat ini kuliah pada Program Studi Pendidikan Fisika Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. Saya mendirikan gurumuda.com, web elearning fisika SMA (gratis). Aktiv sebagai penulis materi pelajaran fisika SMA, mengelola konsultasi tugas sekolah dan bimbingan belajar fisika online pada situs saya. san@gurumuda.com 1

2 Materi Pembelajaran : Hukum I Newton Tujuan Pembelajaran Kompetensi Dasar : Menerapkan Hukum Newton sebagai prinsip dasar dinamika untuk gerak lurus, gerak vertikal, dan gerak melingkar beraturan Indikator : Mengidentifikasi penerapan prinsip hukum I Newton (hukum inersia) dalam kehidupan sehari hari Tujuan pembelajaran di atas merupakan tuntutan dari Depdiknas RI dalam KTSP. Jadi dirimu harus mencapai Kompetensi dasar dan Indikator tersebut. Kalau tidak bisa, ntar dapat nilai merah :) alias tidak lulus. Nah, kali ini Gurumuda membimbing dirimu untuk bisa mencapai tujuan pembelajaran di atas. Selamat belajar 2

3 Pengetahuan Prasyarat Sebelum mempelajari Hukum I Newton, terlebih dahulu kita pahami beberapa konsep dasar yang akan selalu digunakan dalam pembahasan mengenai Hukum I Newton. Ini merupakan pengetahuan prasyarat, maksudnya kalau konsep tersebut tidak dipahami dengan baik dan benar maka ketika mempelajari materi Hukum I Newton, dirimu akan kebingungan langsung saja ya. Massa Dalam ilmu fisika, massa diartikan sebagai ukuran inersia alias kelembaman suatu benda (kemampuan mempertahankan keadaan suatu gerak). Makin besar massa suatu benda, makin sulit mengubah keadaan gerak benda tersebut. Semakin besar massa benda, semakin sulit menggerakannya dari keadaan diam, atau menghentikannya ketika sedang bergerak. Lambang massa = m (mass kata bahasa inggris yang berarti massa). Satuan massa (Satuan Sistem Internasional) adalah kilogram (kg). Berat Dalam kehidupan sehari hari kita sering menggunakan istilah massa dan berat secara keliru. Misalnya ketika mengukur badan kita dengan timbangan, yang kita maksudkan dengan berat itu sebenarnya massa. Lalu berat itu apa? Berat adalah gaya, gaya gravitasi yang bekerja pada sebuah benda. Secara matematis, gaya berat ditulis sebagai berikut : w = mg w = lambang berat, m = lambang massa dan g = percepatan fravitasi (9,8 m/s2). Ketika masih dalam tahap belajar konsep fisika, nilai g yang digunakan adalah 10 m/s2. Tujuannya hanya untuk mempermudah perhitungan saja. Satuan Berat = Kg m/s 2 (w = mg = kg m/s 2 ). Nama lain dari Kg m/s 2 adalah Newton. Karena berat merupakan gaya maka satuan berat = Newton. Gaya Gaya itu apa sich? Dalam ilmu fisika, gaya diartikan sebagai dorongan atau tarikan terhadap suatu benda. Gaya dapat dibedakan menjadi dua jenis. Misalnya ketika mendorong motor yang mogok sehingga motor tersebut bergerak, maka pada motor tersebut bekerja gaya dorong. Gaya dorong disebut juga sebagai gaya sentuh karena terdapat kontak langsung antara benda yang dikenai gaya dan sumber gaya (pendorong motor). Ketika sesuatu jatuh dari ketinggian tertentu menuju permukaan tanah (buah kelapa atau buah mangga misalnya), yang menjadi penyebab jatuhnya benda benda tersebut adalah gaya gravitasi. Untuk kasus ini tidak terdapat kontak sumber gaya (gaya gravitasi) dan 3

4 benda benda yang dikenai gaya. Karena tidak ada kontak atau sentuhan, maka gaya seperti ini disebut juga sebagai tarikan. Gaya tarik dikenal juga sebagai gaya tak sentuh. Untuk kebanyakan kasus, gaya menyebabkan benda benda bergerak. Walaupun demikian, untuk kasus tertentu gaya tidak menyebabkan benda bergerak. Ketika mendorong tembok, misalnya, walaupun sampai banjir keringat, tembok tersebut tidak bergerak. ketika mendorong tembok, kita juga memberikan gaya pada tembok tersebut. Walaupun demikian, gaya kita sangat kecil sehingga tidak mampu merubuhkan tembok itu. Lambang gaya = F (Force bahasa inggris). Satuan gaya = kg m/s 2 atau sering disebut Newton. Gaya Gesekan Gesekan biasanya terjadi di antara dua permukaan benda yang bersentuhan, baik terhadap udara, air atau benda padat. Ketika permukaan suatu benda bergeseran dengan permukaan benda lain, masingmasing benda tersebut melakukan gaya gesekan antara satu dengan yang lain. Gaya gesekan pada benda yang bergerak selalu berlawanan arah dengan arah gerakan benda tersebut. Secara umum, gaya gesekan terdiri dari dua jenis. Gaya gesekan yang bekerja pada benda yang berguling di atas permukaan benda lainnya dikenal dengan julukan gaya gesekan rotasi. Sedangkan gaya gesekan yang bekerja pada permukaan benda yang meluncur di atas permukaan benda lain (misalnya buku yang didorong di atas permukaan meja) disebut sebagai gaya gesekan translasi. Gaya gesekan translasi terdiri dari dua jenis, yakni gaya gesekan statis dan gaya gesekan kinetis. Gaya gesekan yang bekerja pada dua permukaan benda yang bersentuhan, ketika benda tersebut belum bergerak disebut gaya gesekan statis. Gaya gesekan yang bekerja ketika benda bergerak disebut gaya gesekan kinetik Gaya Total Dalam Hukum Newton yang akan kita pelajari, kita akan selalu menggunakan istilah ini (gaya total). Btw, gaya total itu apa? Untuk memudahkan pemahaman anda, pahami ilustrasi berikut ini. Misalnya kita mendorong sekeping uang logam di atas meja; setelah bergerak, uang logam yang didorong tersebut berhenti. Ketika kita mendorong uang logam tadi, kita memberikan gaya berupa dorongan sehingga uang logam begerak. Nah, selain gaya dorongan kita, pada logam tersebut bekerja juga gaya gesekan udara dan gaya gesekan antara permukaan bawah uang logam dan permukaan meja, yang arahnya berlawanan dengan arah gaya dorongan kita. Apabila jumlah selisih antara kekuatan dorongan kita (Gaya dorong) dan gaya gesekan (baik gaya gesekan udara maupun gaya gesekan antara permukaan logam dan meja) adalah nol, maka uang logam berhenti bergerak/diam. Jika selisih antara gaya dorong yang kita berikan dengan gaya gesekan tidak nol, maka uang logam tersebut akan tetap bergerak. Selisih antara gaya dorong dan gaya gesekan tersebut dinamakan gaya total. 4

5 Pengantar Dalam kehidupan sehari hari, kita menemukan banyak benda yang melakukan gerak, sebagaimana yang telah kita pelajari pada pokok bahasan Kinematika. Nah, mengapa benda benda tersebut melakukan gerakan? apa yang membuat benda benda tersebut yang pada mulanya diam mulai bergerak? apa yang mempercepat gerakan benda atau memperlambat gerakan benda? faktor faktor apa saja yang terlibat dalam setiap gerakan benda? Bagaimana mungkin sebuah perahu mendorong sebuah kapal yang lebih berat darinya? mengapa diperlukan jarak yang jauh untuk mengentikan mobil massanya sangat besar ketika mobil tersebut bergerak? mengapa kaki kita terasa lebih sakit ketika menendang sebuah batu besar dibandingkan dengan ketika kita menendang sebuah batu kerikil? mengapa lebih sulit mengendalikan mobil di atas jalan yang licin? Anda bingung dan kesulitan dalam menjawab pertanyaan pertanyaan di atas? Jawaban dari pertanyaan di atas dan pertanyaan serupa akan membawa kita pada masalah Dinamika, yakni hubungan antara gerak dan gaya yang menyebabkannya. Pada pokok bahasan kinematika, kita telah belajar mengenai gerak benda. Dalam pokok bahasan ini kita belajar tentang penyebab gerak benda. Pada pokok bahasan Dinamika, kita menggunakan besaran kinematika seperti jarak/ perpindahan, kecepatan dan percepatan yang dihubungkan dengan dua konsep baru, yaitu gaya dan massa. Prinsip ini dikemas dalam tiga hukum Newton yang akan kita pelajari nanti. Hukum pertama menyatakan bahwa jika gaya total pada sebuah benda sama dengan nol, maka gerak benda tidak berubah. Hukum kedua meyatakan hubungan antara gaya dan percepatan ketika gaya gaya total tidak sama dengan nol. Hukum ketiga menyatakan hubungan antara gaya gaya yang bekerja antara dua benda yang berinteraksi. Hukum Newton tidak berlaku secara umum, namun masih membutuhkan modifikasi untuk benda yang bergerak dengan kecepatan sangat tinggi (mendekati kecepatan cahaya) dan untuk benda dengan ukuran sangat kecil (seperti atom). Hukum tentang gerak pertama kali dinyatakan oleh Sir Isaac Newton, yang dipublish pada tahun 1687 dalam bukunya Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ( mathematical Principles of Natural Philosophy ). Hukum tersebut dikembangkan Newton berkat sumbangan ilmuwan lain dalam menetapkan dasar ilmu mekanika, di antaranya adalah Copernicus, Ticho Brahe, Kepler dan khususnya Galileo Galilei, yang meninggal pada tahun yang sama dengan kelahiran Newton. Sebelum melangkah lebih jauh dan masuk jurang, terlebih dahulu mari kita pahami konsep gaya secara kualitatif. 5

6 Gaya tuh apa sich? Anda pasti sering mendengar atau bahkan selalu menggunakan kata ini (gaya) dalam kehidupan seharihari. Arti kata Gaya dalam kehidupan sehari hari agak berbeda dengan pengertian gaya dalam ilmu fisika. Pernahkah anda mendorong motor atau mobil yang mogok? ketika mendorong motor atau mobil, anda memberikan gaya pada mobil atau motor tersebut. Akibat gaya yang anda berikan, mobil atau motor tersebut bergerak. Ketika kita menggunakan lift dari lantai dasar ke lantai empat, misalnya, lift tersebut melakukan gaya angkat terhadap kita sehingga kita bisa berpindah dari lantai satu ke lantai empat. Ketika angin meniup dedaunan sehingga membuatnya bergerak, ada sebuah gaya yang sedang diberikan. Sebuah meja akan bergerak jika anda mendorongnya, karena pada saat mendorong, anda memberikan gaya pada meja tersebut. Masih banyak contoh lain dalam kehidupan sehari hari, anda dapat menyebutkannya satu persatu. Berdasarkan intuisi, kita menggambarkan gaya sebagai semacam dorongan atau tarikan terhadap suatu benda. Dorongan atau tarikan tersebut menyebabkan benda bergerak. Ketika mendorong motor sehingga motor tersebut bergerak, maka gaya yang bekerja pada motor tersebut diakibatkan oleh dorongan. Kita bisa mengatakan bahwa gaya yang diakibatkan oleh dorongan merupakan jenis gaya sentuh, karena terdapat kontak langsung antara benda dan sumber gaya. Bagaimana dengan tarikan? ketika buah mangga yang lezat dan ranum jatuh dari pohon, sehingga membuat anda lari pontangpanting untuk mengambilnya, yang menjadi penyebab jatuhnya buah mangga tersebut adalah gaya gravitasi. Gaya gravitasi menyebabkan buah pepaya, jeruk dan kelapa bisa jatuh dari pohonnya. Gaya gravitasi juga yang menyebabkan semua benda atau manusia jatuh ke permukaan bumi. Perhatikan bahwa pada kasus jatuhnya buah mangga atau buah jeruk dari pohonnya tersebut tidak sama seperti ketika anda mendorong motor atau mobil hingga bergerak. Tidak ada kontak langsung atau sentuhan yang terjadi sehingga buah buah kesayangan anda tersebut jatuh. Gaya seperti ini diakibatkan oleh tarikan, bukan dorongan dan termasuk gaya tak sentuh. Gaya tarik gravitasi oleh bumi terhadap sebuah benda dinamakan berat (weight) dari benda tersebut. Apakah gaya selalu menyebabkan benda bergerak? ayo dijawab, salah gpp.. Ketika mendorong tembok rumah anda, misalnya, walaupun anda sampai banjir keringat atau lemas tak berdaya sambil mengeluarkan air mata buaya, tembok tersebut tetap tidak akan bergerak. Apakah contoh itu tidak termasuk gaya? ketika mendorong tembok, anda juga memberikan gaya pada tembok tersebut. Walaupun demikian, gaya anda sangat kecil sehingga tidak mampu merubuhkan tembok itu. Ini hanya salah satu contoh yang menunjukan bahwa tidak semua gaya dapat menghasilkan gerakan. Bagaimana kita mengukur gaya? satu cara yang digunakan untuk mengukur gaya adalah dengan menggunakan neraca pegas. Biasanya neraca itu digunakan untuk menimbang berat sebuah benda. Istilah berat dan massa akan kita kupas tuntas pada pembahasan tersendiri, tetapi masih dalam pokok bahasan Dinamika. 6

7 Ingat bahwa gaya adalah besaran vektor. Mengapa gaya digolongkan dalam besaran vektor? ketika anda mendorong meja, misalnya, jika anda hanya mengatakan bahwa : saya mendorong meja dengan gaya 50 N, maka pernyataan ini masih membingungkan. Anda mendorong meja ke arah mana? oleh karena itu anda juga harus menyebutkan arah gerak benda yang didorong. Jadi gaya termasuk besaran yang memiliki nilai dan arah. Karena gaya merupakan besaran vektor maka dalam menyatakan arahnya pada sebuah diagram, kita harus menggunakan aturan aturan vektor. Mengenai hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan vektor dan skalar Apabila anda belum mempelajarinya, sebaiknya dipelajari terlebih dahulu agar anda tidak kebingungan atau gak nyambung dengan pelajaran selanjutnya. OK BOS? santai saja 7

8 Hukum I Newton Kita telah mempelajari sifat sifat gaya pada bagian pengantar, namun sejauh ini kita belum membahas bagaimana gaya berpengaruh terhadap gerak. Nah, bagaimana hubungan yang tepat antara Gaya dan Gerak? Untuk mengawalinya, mari kita bayangkan apa yang terjadi ketika gaya total pada sebuah benda sama dengan nol atau dengan kata lain tidak ada gaya yang bekerja pada benda. Anda pasti akan setuju bahwa benda tersebut dalam keadaan diam, dan jika tidak ada gaya yang bekerja padanya, yaitu tidak ada tarikan atau dorongan, maka benda itu akan tetap diam. Nah, bagaimana jika terdapat gaya total nol yang bekerja pada benda yang sedang bergerak? Untuk memperjelas permasalahan ini, anggap saja anda sedang mendorong sekeping uang logam pada permukaan lantai kasar. Setelah anda berhenti mendorong, keping uang logam tersebut tidak akan terus bergerak, namun melambat kemudian berhenti. Untuk menjaganya agar tetap bergerak, kita harus tetap mendorong (memberikan gaya). Jika dicermati dengan saksama, anda akan menyimpulkan bahwa benda benda yang bergerak secara alami akan berhenti dan sebuah gaya diperlukan agar untuk mempertahankannya agar tetap bergerak. Pada abad ketiga Sebelum Masehi, Aristoteles, seorang filsuf Yunani pernah menyatakan bahwa diperlukan sebuah gaya agar benda tetap bergerak pada bidang datar. Menurut eyang Aristoteles, keadaan alami dari sebuah benda adalah diam. Oleh karena itu perlu ada gaya untuk menjaga agar benda tetap bergerak. Ia juga mengatakan bahwa laju benda sebanding dengan besar gaya, di mana makin besar gaya, makin besar laju gerak benda tersebut. Setelah 2000 tahun kemudian, Galileo Galilei mempersoalkan pandangan Aristoteles. Galileo mengatakan bahwa sama alaminya bagi sebuah benda untuk bergerak mendatar dengan kecepatan tetap, seperti ketika benda tersebut berada dalam keadaan diam. Untuk memahami pandangan galileo, bayangkan anda mendorong sekeping uang logam pada permukaan lantai yang sangat licin. Setelah anda berhenti mendorong, keping uang logam tersebut akan meluncur jauh lebih panjang (dibandingkan ketika mendorong di atas permukaan lantai kasar). Jika dituangkan minyak pelumas atau pelicin lainnya pada permukaan lantai tersebut, maka keping uang logam akan bergerak lebih jauh, dibandingkan dengan percobaan pertama. Untuk mendorong sebuah benda yang mempunyai permukaan kasar di permukaan lantai dengan laju tetap, dibutuhkan gaya dengan besar tertentu. Untuk mendorong sebuah benda lain yang sama beratnya tetapi mempunyai permukaan yang licin di atas lantai dengan laju yang sama, akan diperlukan gaya yang lebih kecil. Jika dituangkan pelumas pada permukaan benda dan lantai, maka hampir tidak diperlukan gaya sama sekali untuk menggerakan benda. Perhatikan bahwa pada percobaan di atas, besarnya gaya dorong semakin kecil akibat permukaan benda semakin licin. Selanjutnya, kita dapat membayangkan sebuah keadaan di mana keping uang logam tersebut tidak bersentuhan dengan lantai sama sekali atau ada pelicin sempurna antara permukaan bawah keping uang logam dengan lantai. Anggapan mengenai adanya pelicin sempurna tersebut 8

9 membuat uang logam bergerak dengan laju tetap tanpa ada gaya yang diberikan. Ini adalah gagasan Eyang Galileo yang membayangkan dunia tanpa gesekan. Pemikiran ini kemudian membuatnya menyimpulkan bahwa jika tidak ada gaya yang diberikan kepada benda yang bergerak, maka benda tersebut terus bergerak lurus dengan laju tetap. Benda yang sedang bergerak akan melambat apabila pada benda bekerja gaya total. Dengan demikian, eyang Galileo menganggap bahwa gesekan merupakan gaya yang sama dengan tarikan atau dorongan biasa. Untuk mendorong keping uang logam untuk bergerak pada permukaan lantai, dibutuhkan gaya dari tangan kita, hanya untuk mengimbangi gaya gesekan. Jika benda tersebut bergerak dengan laju tetap, gaya dorongan kita sama besar dengan gaya gesek; tetapi kedua gaya ini memiliki arah yang berbeda sehingga gaya total pada benda adalah nol. Hal ini sesuai dengan pendapat eyang Galileo karena benda bergerak dengan laju tetap apabila pada benda tidak bekerja gaya total. Berdasarkan penemuan ini, eyang Newton membangun teori gerak nya. Analisisnya dikemas dalam Tiga Hukum Gerak Newton yang terkenal sampai ke seluruh pelosok ruang kelas X SMA. Hukum I Newton menyatakan bahwa : Setiap benda tetap berada dalam keadaan diam atau bergerak dengan laju tetap sepanjang garis lurus (percepatan nol), kecuali terdapat gaya total pada benda tersebut. Secara matematis, Hukum I Newton dapat dinyatakan sebagai berikut : F = 0 Kecenderungan suatu benda untuk tetap bergerak atau mempertahankan keadaan diam dinamakan inersia. Karenanya, hukum I Newton dikenal juga dengan julukan Hukum Inersia alias Hukum Kelembaman. Sifat lembam ini dapat kita amati, misalnya ketika mengeluarkan saus tomat dari botol dengan mengguncangnya. Pertama, kita memulai dengan menggerakan botol ke bawah; pada saat kita mendorong botol ke atas, saus akan tetap bergerak ke bawah dan jatuh pada makanan. Kecenderungan sebuah benda yang diam untuk tetap diam juga diakibatkan oleh inersia alias kelembaman. Misalnya ketika kita menarik selembar kertas yang ditindih oleh tumpukan buku tebal dan berat. Jika lembar kertas tadi ditarik dengan cepat, maka tumpukan buku tersebut tidak bergerak. Contoh lain yang sering kita alami adalah ketika berada di dalam mobil. Apabila mobil bergerak maju secara tiba tiba, maka tubuh kita akan sempoyongan ke belakang, demikian juga ketika mobil tiba tiba direm, tubuh kita akan sempoyongan ke depan. Hal ini diakibatkan karena tubuh kita memiliki kecenderungan untuk tetap diam jika kita diam dan juga memiliki kecenderungan untuk terus bergerak jika kita telah bergerak. Hukum Pertama Newton telah dibuktikan oleh para astronout pada saat berada di luar angkasa. Ketika seorang astronout mendorong sebuah pensil (pensil mengambang karena tidak ada gaya 9

10 gravitasi),pensil tersebut bergerak lurus dengan laju tetap dan baru berhenti setelah menabrak dinding pesawat luar angkasa. Hal ini disebabkan karena di luar angkasa tidak ada udara, sehingga tidak ada gaya gesek yang menghambat gerak pensil tersebut. 10

11 Referensi : Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga 11