BAB IV. Gaya dan Percepatan. Setelah belajar Bab Gaya dan Percepatan diharap Anda dapat :

Transkripsi

1 BAB IV Gaya dan Percepatan Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd. Setelah belajar Bab Gaya dan Percepatan diharap Anda dapat : Menggambarkan gaya-gaya yang bekerja pada suatu benda secara proporsional. Melukiskan penjumlahan gaya dan selisih gaya-gaya segaris baik yang searah maupun berlawanan. Menyelidiki besar gaya gesekan pada berbagai permukaan yang berbeda kekasarannya yaitu pada permukaan benda yang licin, agak kasar, dan kasar. Menunjukkan beberapa contoh adanya gaya gesekan yang menguntungkan, dan gaya gesekan yang merugikan. Mengukur berat dan massa suatu benda. Menemukan percepatan gravitasi dari tabel dan grafik antara berat dan massa. Mengenali gejala Hukum I Newton dalam kehidupan sehari-hari. Mengenali gejala Hukum II Newton dalam kehidupan sehari-hari. Mengenali gejala Hukum III Newton dalam kehidupan sehari-hari. Pesawat terbang untuk tinggal landas harus mempunyai landasan cukup panjang. Bagaimana dengan pesawat tempur di atas kapal Induk untuk tinggal landas. Pesawat tempur harus mempunyai gaya dorong yang cukup besar dan percepatan yang cukup terbang. Pada bab ini kita akan mempelajari tentang Gaya dan Percepatan benda termasuk percepatan gravitasi bumi. 51

2 A. Menggambarkan gaya-gaya yang bekerja pada suatu benda secara proporsional Gambar 4.1 Robot bergerak dengan gaya mesin Gambar 4.2 Mobil dapat bergerak karena gaya mesin Pengertian Gaya Gaya merupakan salah satu konsep fisika yang sangat abstrak. Gaya dapat berupa dorongan atau tarikan yang bekerja pada sebuah benda. Sebagai contoh mobil dapat bergerak karena didorong oleh gaya mesin, namun bila mobil mogok dan memerlukan orang yang mendorong mobil mogok itu, dikatakan orang memberikan gaya dorong yang bersumber dari tenaga ototnya. Gaya dapat diartikan juga sebagai interaksi antara sebuah benda dengan lingkungannya. Sebagai contoh gaya gravitasi matahari, bulan dan bumi seperti pada gambar 4.3. Gaya gravitasi adalah interaksi antara sebuah benda bermassa m dengan benda lain di sekitarnya. Secara umum gaya dapat ditimbulkan oleh listrik, magnet, elektromagnet, otot, gravitasi, gesekan, fluida, pegas, partikel inti atom, dan sebagainya. Sehingga kita mengenal gaya listrik, gaya magnet, gaya elektromagnet, gaya otot, gaya tegangan tali, gaya gesekan, gaya pegas, gaya apung/archimedes, gaya inti, dan sebagainya. Pada gaya pegas dapat membuat getaran beban yang dipasang di ujungnya apabila beban tersebut di tarik atau diberi simpangan maksimum kemudian dilepas. Gerakan beban yang demikian itu disebut getaran harmonik. Gaya Gravitasi bumi dan bulan Gaya tarik pegas Gaya pegas membuat getaran Gaya listrik dua benda bermuatan listrik Gambar 4.4 Dua batang bermuatan listrik saling berinteraksi dengan gaya listrik Gambar 4.3 berbagai jenis gaya: gaya gravitasi, gaya pegas,dan gaya listrik Kita mengenal dua bentuk gaya, yaitu gaya tarik dan gaya tolak. Gaya gravitasi antara dua buah benda yang bermassa m dan M hanya akan menghasilkan gaya tarik saja, tidak menghasilkan gaya tolak. Sedangkan gaya listrik/gaya coulomb antara dua benda bermuatan listrik yang terpisah pada jarak tertentu dapat menghasilkan gaya tarikmenarik atau gaya tolak-menolak bergantung pada jenis muatan listrik masing-masing benda. Prinsip gaya tarik menarik dipenuhi jika muatan masing-masing benda tidak sejenis, dan gaya tolak menolak terjadi bila muatan listrik kedua benda sejenis. Interaksi gaya listrik antara dua buah benda masih dapat terjadi manakala benda-benda tersebut masih berada di dalam medan listrik. Di dalam ruang yang masih wilayah medan listrik tersebut masih terdapat garis-garis medan listrik, yaitu garis-garis khayal untuk menggambarkan medan listrik. Partikel-partikel di dalam inti atom seperti elektron dan proton juga saling berinteraksi Gambar 4.5 Elektron mengelilingi inti atom akibat interaksi gaya listrik. 52

3 Gambar 4.6 Muatan sejenis tarik menarik dan berlawanan jenis tolak menolak. dengan gaya listrik. Elektron mengitari inti yang di dalamnya ada proton sambil bergerak dengan kelajuan linier tertentu. Gambar 4.7. Menggambarkan gaya pada suatu benda dengan anak panah F Perhatikan gambar 4.6 dimana bola yang bermuatan tidak sejenis saling berinteraksi dengan gaya tarik. Pembahasan secara mendalam tentang gaya listrik dan fenomena yang menyertainya biasanya ada dalam bahasan listrik statik. Pengertian lain dari gaya adalah bahwa gaya merupakan penyebab timbulnya percepatan atau perlambatan. Besarnya gaya atau beberapa gaya yang diberikan pada sebuah kilogram standard didefinisikan sebagai percepatan dengan ketentuan bahwa bila gaya yang mempercepat 1 m/s 2 sebuah massa kilogram standard didefinisikan sebesar 1 newton (N). Arah percepatan selalu searah dengan arah gaya. Arah tersebut ditunjukkan dengan arah anak panah. Sedangkan panjang garis mewakili besar gaya. UJI KOMPETENSI 1. Sebuah balok berada di atas lantai yang licin. Pada benda tersebut masingmasing bekerja gaya F 1 = 2 N dan F 2 = 3 N. Gambarkan gaya-gaya yang bekerja pada benda jika a. kedua gaya ke arah kanan. b. F 1 ke kanan dan F 2 ke kiri 2. Seorang penerjun payung dapat melayang di udara, karena adanya gaya tahan udara yang bekerja pada parasut penerjun. Gambarkan gaya-gaya yang bekerja pada penerjun payung tersebut. B. Melukiskan penjumlahan gaya dan selisih gaya-gaya segaris baik yang searah maupun berlawanan. Resultan dari Beberapa Gaya Gaya, demikian pula percepatan adalah besaran vektor, sehingga jika beberapa buah gaya bekerja pada sebuah benda, maka gaya total yang bekerja pada benda itu merupakan jumlah vektor dari gaya-gaya tersebut yang biasa disebut dengan resultan gaya ( R atau F R ). Bila gaya- gaya bekerja pada benda mempunyai arah yang sama (berarti masing-masing gaya saling membentuk sudut 37 ) maka resultan gaya dapat ditentukan dengan menjumlahkan gaya-gaya tersebut secara aljabar (lihat gambar 4.8). Persamaan resultan yang dimaksud dapat dituliskan sebagai berikut. R = F 1 + F 2 F 1 =20 N F 2 = 10 N = R R = = 30 N Gambar 4.8.Dua buah gaya searah 53

4 Bila gaya- gaya bekerja pada benda berlawanan arah ( berarti masing-masing gaya saling membentuk sudut 180 ) maka resultan gaya dapat ditentukan dengan mengurangkan gaya-gaya tersebut secara aljabar (lihat gambar 4.9). Persamaan resultan yang dimaksud dapat dituliskan sebagai berikut. R = F 1 - F 2 Bila pada benda bekerja dua buah gaya yang saling tegak lurus atau saling membentuk sudut 90, maka resultan gaya dapat ditentukan dengan teorema pithagoras sebagai berikut. Gambar 4.10 Dua buah gaya ga yang tegak lurus beserta resultannya; 2 Gambar 4.9 Dua gaya berlawan arah R = F 1 + F Balok tersebut akan bergerak ke arah serong 37 dari arah Gambar 4.11 Dua buah gaya horisontal atau searah dengan arah resultan gaya yang membentuk besarnya 50 N. Terkadang dua buah gaya yang bekerja pada sudut tertentu. suatu benda tidak selalu membentuk sudut 0, atau 180 maupun 90 seperti ditunjukkan pada gambar 4.11, namun membentuk sudut α sembarang. Untuk itu perhitungan resultan gaya harus menggunakan persamaan umum resultan gaya. 2 2 Perhatikan gambar di samping, sebuah balok dikenai dua gaya yang saling tegak lurus 30 N dan 40 N. Resultan gedua gaya tersebut dapat ditentukan dengan teorema pitagoras, yaitu R = = 2500 = 50 N. Sedangkan arah gaya resultan dapat ditentukan dengan trigonometri tan α = 30/40, sehingga α = 37 (lihat gambar di bawah 4.10). Arah resultan gaya itulah yang akan diikuti benda sebagai arah geraknya. Secara umum resultan dari dua buah gaya yang bekerja pada suatu benda dengan α merupakan sudut antara kedua gaya tersebut dapat ditentukan melalui persamaan berikut ini. Persamaan ini sering disebut dengan resultan jajaran genjang. F R = F F F 1 F 2 cos α Sebagai contoh perhatikan gambar 4.12, di sana ada dua buah gaya 80 N dan 100 N yang bekerja di benda P dan kedua gaya saling membentuk sudut 50. Untuk menghitung resultan gaya digunakan rumus resultan jajaran genjang sebagai berikut. Gambar 4.12 Dua gaya 2 2 F R = F 1 + F 2 + 2F 1 F 2 cos α membentuk sudut 50 0 F R = cos 50 F R = ,58 F R = F R = F R = 160 N Contoh Penjumlah gaya segaris dengan grafik. R= F 1 + F 2 F 2 F 1 54 F 2 F 1

5 Contoh Penjumlah gaya berlawanan arah: F1 F2 R= F1- F2 F1 F1 UJI KOMPETENSI 1. Gambarkan serta tentukan besarnya penjumlahan dan pengurangan gaya-gaya berikut ini a. F 1 + F 2 b. F 2 F 3 c. F 1 + F 3 F 2 d. F 1 F 3 F 3 = 4 N F 1 = 3 N F 2 = 6 N 2 Bagaimanakah menggambarkan gaya 8 N ke arah barat diteruskan gaya 6 N ke arah selatan secara vektor? Berapakah resultannya? C. Menyelidiki besar gaya gesekan pada berbagai permukaan yang berbeda kekasarannya yaitu pada permukaan benda yang licin, agak kasar, dan kasar. Gambar 4.13 Kereta mainan menggeser ketika ditarik seorang gadis kecil Gambar 4.14 Dorongan pada benda menghasilkan gesekan Gaya Normal Gaya dorong berikut. Gaya gesekan Gaya Gesekan Seorang gadis kecil yang menarik kereta mainan yang di atasnya berpenumpa sebuah boneka, mendapati kereta tersebut menggeser di lantai tidak sringan ya diharapkannya karena adanya gaya gesekan. Gaya gesekan atau dalam bahasa Inggris friction sering disingkat dengan f, ada gaya yang bekerja pada sebuah benda ketika benda tersebut bergeser atau seda berusaha bergeser. Ada dua jenis gaya gesekan, yaitu gaya gesekan kinetis dan ga gesekan statis. Gaya gesekan kinetis adalah gaya gesekan yang timbul pada saat benda seda bergeser, sedangkan gaya gesekan statis adalah gaya gesekan dimana benda seda berusaha untuk bergeser (tetapi belum bergeser). Secara matematis nilai kedua jenis gaya gesekan tersebut dapat dinyatakan seba f K = gaya gesekan kinetik f S = gaya gesekan statis N = gaya Normal f k = µ k N f s = µ s N dimana µ k adalah koefisien gesekan kinetis, dan µ s adalah koefis gesekan statis. Gaya gesekan selalu sejajar dengan permukaan kedua benda yang bergesekan dan arahnya selalu berlawanan arah dengan arah pergeseran benda. Gaya gesekan benda muncul akibat adanya gaya tarik antara benda itu dengan permukaan tempat benda bergeser. Gambar 4.15 Arah gaya dorong, gaya gesekan dan gaya Normal 55

6 Apabila gaya dorong yang diberikan pada benda posisi gaya normal N masih tepat di atas gaya berat w = mg, namun dengan cepat posisi gaya normal akan bergeser seiring dengan tepat mulai bergesernya benda. Untuk menyelidiki faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya gaya gesekan lakukanlah unjuk kerja berikut ini. Unjuk kerja 4.A : Menyelidiki besarnya gaya gesekan pada permukaan yang berbeda kekasarannya yaitu licin, agak kasar dan kasar. 1. Alat dan bahan : Balok kayu yang berkait, dinamometer, alas permukaan dari kaca (permukaan licin), kayu (permukaan agak kasar) dan Aplas kasar (permukaan kasar) serta beban besi 100 gram 2 buah. 2. Langkah-langkah kegiatan a. Buatlah rangkaian seperti gambar berikut Balok Kayu Neraca Pegas Arah tarikan b. Letakan balok kayu diatas permukaan kaca (licin). Tarik balok kayu dengan neraca pegas.arah mendatar. Catat besarnya gaya pada neraca pegas ketika balok tepat akan bergerak (pada kolom gaya gesekan statis) dan ketika balok bergerak (pada kolom gaya gesekan kinetik).catat hasilnya pada tabel A. c. Ulangi kegiatan b dengan menggantikan dasar permukaan balok dengan kayu (agak kasar) dan aplas kasar (permukaan kasar). Catat hasilnya pada tabel A. d. Ulangi kegiatan b dengan menambakan beban besi satu dan dua buah. Catat hasil pengamatan pada tabel B. Tabel A No Alas/dasar permukaan Gaya gesekan statis Gaya gesekan kinetik 1 Kaca (licin) Kayu (agak kasar)... 3 Aplas kasar (kasar) Tabel B dasar permukaan kaca. No Jumlah beban besi Gaya gesekan statis Gaya gesekan kinetik 1 Satu buah 2 Dua buah 3. Pertanyaan : a. Berdasarkan tabel A. Urutan dari yang paling terkecil gaya gesekan statis pada ketiga permukaan alas bidang gerak. Manakah yang paling kecil. Apakah kesimpulan Anda? Semakin kasar permukaan bidang alas maka gaya gesekan semakin... b. Dari data pada tabel B, dapat disimpulkan bahwa semakin besar beban benda atau gaya tekan benda terhadap bidang maka gaya gesekan semakin... c. Sebutkan faktor-faktor yang mempengaruhi besarnya gaya gesekan. d. Apakah gaya gesekan statis lebih besar dari gaya gesekan kinetik. Berilah alasan Anda. Contoh Soal gaya gesekan: 56

7 Suatu gaya mendatar sebesar F = 100 N menarik beban sebesar 50 N. Jika koefisien gesek kinetik dan statis masing 0,3 dan 0,5 hitunglah besar gaya gesekan kinetik dan statis. Penyelesaian : Diketahui w = N = 50 N µ S = 0,5 µ K = 0,3 Ditanya f S =? f K =? Jawab f S = µ S N = 0,5. 50 = 25 N f K = µ K N = 0,3.50 = 15 N UJI KOMPETENSI 1. Sebuah benda memiliki berat w = 100 N ditarik dengan gaya F. Jika gaya normal benda sama dengan berat benda serta koefisien gesekan statis dan kinetik benda masing 0,8 dan 0,4 Hitung besarnya gaya gesekan statis dan kinetik pada benda? 2. Bagaimanakan caranya untuk mengurangi gaya gesekan yang terjadi pada benda. 3. Mengapa gaya gesekan bernilai negatif. D. Menunjukkan beberapa contoh adanya gaya gesekan yang menguntungkan, dan gaya gesekan yang merugikan. Gaya Gesekan yang Menguntungkan dan Merugikan Gambar 4.16 Gaya gesekan berguna dalam panjat tebing Gambar 4.18 gaya gesek juga terdapat dipermukaan lengkung Gaya gesekan ada yang menguntungkan namun ada pula yang merugikan. Contoh gaya gesek yang menguntungkan misalnya; dengan adanya gaya gesekan antara kaki dengan lantai membuat orang yang berjalan tidak mengalami slip/tergelincir, atau dalam olah raga panjat tebing orang diuntungkan dengan adanya gaya gesekan antara kaki dan dinding, demikian juga gaya gesekan antara roda dengan permukaan jalan membuat kendaraan dapat bergeser. Gaya gesekan antara ujung ballpoint dengan kertas berguna karena dapat membuat tinta keluar di kertas. Berbagai macam rem pada kendaraan prinsipnya juga menggunakan gaya gesekan. Gambar 4.17 Gaya gesekan membuat susah orang mendorong meja atau benda yang mengalami gaya gesekan Sedangkan gaya gesek yang merugikan misalnya; dalam mendorong bendabenda di lantai terasa berat, putaran as pada berbagai mesin terhambat karena adanya gaya gesekan antara as dengan porosnya. Oleh karena itu pemindahan barang-barang berat dibantu dengan sistem roda atau bantalan silinder. Gesekan antara roda kereta dengan rel menghambat laju kereta, sehingga di luar negeri banyak dikembangkan kereta listrik berbantalan magnetik dengan rel tunggal. Artinya rel dengan roda/bodi kereta mengasilkan kutub-kutub magnet yang tidak senama, sehingga pada saat kereta melaju tidak ada sentuhan atau kontak antara rel dan bodi kereta. Dengan demikian gaya gesekan dapat dikurangi. Gaya gesekan tidak hanya terdapat di permukaan rata seperti lantai, meja, jalan, tetapi benda-benda yang bergerak di sepanjang permukaan lengkung juga mengalami gaya gesekan (lihat gambar 4.18). Permukaan lengkung yang 57

8 dimaksud misalnya adalah permukaan bola, permukaan bukit, atau permukaan cekung seperti seluncur di kolam renang. UJI KOMPETENSI 1. Sebutkan masing-masing 3 contoh gaya gesekan yang menguntungkan dan merugikan 2. Seorang anak TK lebih menyukai bermain di prosotan yang licin dari pada yang memiliki gaya gesekan besar. Mengapa demikian? 3. Menurutmu, lebih menguntungkan mana berkendaraan melalui jalan yang licin disbanding melalui jalan yang kasar? Mengapa demikian? E. Mengukur berat dan massa suatu benda. Massa dan Berat Gambar 4.19 Gaya berat buku bermassa m adalah w =m.g Gambar 4.20 Orang sedang mengukur berat dengan timbangan badan Gaya biasanya bekerja pada sebuah benda bermassa tertentu. Massa (m) sebuah benda adalah karakteristik benda itu yang mengkaitkan percepatan benda dengan gaya (atau resultan gaya) yang menyebabkan percepatan tersebut. Massa adalah besaran skalar. Massa di mana-mana selalu bernilai tetap, kecuali benda tersebut mengalami pengurangan materi, misalnya mengalami pecah, sobek atau aus, maupun mengalami penambahan materi sejenis misalnya dua potong besi dilas dengan bahan yang sama. Berat sebuah benda dalam bahasa Inggrisnya weight (w) adalah sebuah gaya yang bekerja pada benda tersebut dari benda-benda lain (atau benda-benda astronomi). Gaya berat sebenarnya adalah gaya gravitasi pengaruh benda astronomi terdekat terhadap benda tersebut. Benda astronomi yang paling dekat dengan kehidupan kita adalah bumi, sehingga gaya berat sering dinyatakan secara matematis sebagai berikut : w = m g dimana m adalah massa benda, g menyatakan vektor percepatan gravitasi bumi yang bernilai 9,8 m/s 2 atau biasanya dibulatkan menjadi 10 m/s 2, dan w adalah gaya berat dalam satuan Newton (dalam SI) atau dyne (dalam CGS). Gaya berat adalah besaran vektor, sehingga bila sebuah benda bermassa m diletakkan di sekitar dua atau lebih benda astronomi, maka gaya berat benda tersebut merupakan jumlah vektor dari setiap gaya berat yang ditimbulkan olah masing-masing benda astronomi. Hal itu biasanya dijumpai pada sistem makro misalnya pada sistem tatasurya. Bayangkanlah pada saat bumi, bulan dan matahari terletak dalam satu garis lurus, maka pada tiap-tiap benda tersebut mengalami vektor resultan gaya berat/gravitasi yang ditimbulkan oleh masing-masing benda astronomi disekitarnya. Berat benda-benda di permukaan bumi tidak sama di setiap bagian bumi, berat benda di kutub lebih besar daripada berat benda yang sama di khatulistiwa. Berat benda yang berada di ketinggian tertentu dari permukaan bumi lebih kecil daripada berat benda yang sama di permukaan bumi. Hal itu disebabkan oleh jarak benda kepusat bumi berpengaruh terhadap nilai gaya berat. Gaya berat berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara benda dengan pusat bumi. Lebih mendalam hal itu akan dikaji dalam pembahasan tentang bab gravitasi. UJI KOMPETENSI 58

9 1. Sebuah benda bermassa 6 kg. Jika percepatan gravitasi dipermukaan bumi 10 m/s 2 dan percepatan gravitasi di permukaan bulan 1/6 kali di permukaan bumi. Hitunglah berat benda di bumi dan di bulan. 2. Benda bermassa 2 kg, 3 kg, dan 11 kg dipercepat ke bawah dengan percepatan gravitasi 9,8 m/det 2. Tentukan berat masing-masing benda. 3. Gaya gravitasi pada permukaan bulan adalah 1/6 gaya gravitasi pada permukaan bumi. a. Berapakah berat seseorang pada permukaan bulan dan pada permukaan bumi jika massanya 65 kg. b. Berapakah massa orang itu di bumi dan di bulan. 4. Hitung berat benda yang massanya masing-masing 1 kg, 3 kg, 5 kg, dan 10 kg. 5. Di dekat permukaan bulan, percepatan gravitasi adalah 1,6 m/det 2. Berapa berat benda yang bermassa 25 kg di permukaan bulan? Jika benda tersebut dibawa ke bumi, berapa massa dan berat benda tersebut? F. Menemukan percepatan gravitasi dari tabel dan grafik antara berat dan massa. Percepatan Gravitasi Bumi Pernahkah Anda berada di dalam elevator (lift) yang sedang bergerak turun? Elevator bergerak turun karena digerakkan oleh mesin yang dihubungkan dengan tali kawat ke elevator tersebut. Bagaimana jika tali tersebut putus? Elevator akan bergerak jatuh bebas, dan orang di dalamnya akan melayang tanpa gravitasi seakan berada di ruang hampa. Elevator tetap bergerak jatuh karena dipengaruhi oleh gaya gravitasi bumi. Percepatan yang dialami elevator akibat gaya gravitasi bumi disebut percepatan gravitasi bumi. Gambar Orang didalam lift mengalami percepatan gravitasi Seorang penerjun payung yang melompat dari pesawat terbang yang membawanya akan mengalami gerak jatuh bebas sampai dengan Ia mulai mengembangkan parasutnya. Penerjun tersebut juga mengalami percepatan gravitasi. Bila massa penerjun tersebut m dan massa bumi adalah M dan ketinggian penerjun diukur dari pusat bumi adalah r maka besar gaya gravitasi yang terjadi antara bumi dan penerjun tadi adalah sebagai berikut. Mm F = G 2 r Gambar dimana F adalah gaya gravitasi dalam N, dan G adalah konstanta gravitasi Penerjun yang belum umum mengembangkan yang bernilai 6,67 x Nm 2 /kg 2, dan M adalah massa bumi sebesar 5,98 parasutnya x kg, mengalami dan m adalah massa benda10-11 Nm 2 /kg 2. gerak jatuh bebas Persamaan tersebut di atas adalah hukum utama gravitasi yang dikemukakan oleh Isaac Newton dari Inggris. Newton sudah merenungkan hukum itu sejak lama dan terinspirasi sejak kejatuhan buah apel manakala ia sedang duduk dibawah pohon apel tersebut. Gambar Sir Isaac Newton Dengan membagi gaya gravitasi (F) dengan massa (m) benda yang sedang bergerak (misalnya penerjun) menuju ke benda astronomi (misalnya bumi) akan diperoleh percepatan gravitasi bumi yang dilambangkan dengan a atau g dengan satuan N/kg atau m/s Gambar Newton menemukan ide hukum Gravitasi sejak kejatuhan buah apel

10 a = g = m F Gambar 4.25 Batu besar dan batu kecil jatuh bersamaan mengalami percepatan sama Gambar Di permukaan bulan, palu yang terlepas dari tangan astronot jatuh lambat ke tanah Percepatan gravitasi bumi dapat diungkapkan dalam bentuk lain setelah dijabarkan sebaga berikut. g = F m GMm / r 2 g = m G. M g = 2 r Secara umum percepatan gravitasi di suatu benda astronomi tertentu adalah sama untuk setiap benda, tidak bergantung pada massa benda itu hanya bergantung pada massa benda astronomi dan jarak benda dari pusat benda astronomi. Untuk benda astronomi bumi, planet kita percepatan gravitasi bumi bernilai 9,8 m/s 2 atau biasanya dibulatkan menjadi 10 m/s 2. Dengan demikian bila dijatuhkan berbagai macam benda yang berbeda massanya dan ukurannya, masing-masing benda akan tiba bersamaan di permukaan bumi Sebongkah batu dan sehelai bulu ayam yang dijatuhkan dari atas menara pisa akan mencapai permukaan bumi bersamaan. Benarkah demikian? Secara teori memang benar. Secara teori kejadian adalah dalam kondisi ideal yang tidak terdapat pengaruh luar yang tidak diinginkan. Dalam praktek kenyataannya banyak pengaruh luar yang mempengaruhi gerak bulu ayam, contohnya gesekan udara atau hembusan angin. Gerak ideal tersebut akan dapat didekati bila dilakukan dalam ruang tanpa bobot atau hampa udara (vakum). Di permukaan bulan percepatan gravitasi bulan hanya sebesar 1/6 percepatan gravitasi bumi, atau sebesar 1,6 m/s 2. Akibatnya gerakan benda-benda di permukaan bulan terasa ringan dan bahkan terasa melayang. Bila seorang astronot menjatuhkan batu atau palu akan jatuh ke tanah dengan lambat, tidak secepat bila jatuh di bumi. Yang dilakukan Neil Amstrong sewaktu menapakkan kaki pertama kali ke bulan adalah melompat-lompat untuk membuktikan seberapa tinggi lompatan manusia bumi di bulan. 60

11 Gambar Segala gerak di bulan terasa ringan karena percepatan gravitasi bulan hanya 1,6 m/s 2 Astronot yang berlari-lari di bulan dapat mencapai jarak jangkauan jauh dan terkesan seperti gerakan lambat atau slow motion. Keadaan demikian itu tidak selalu menguntungkan bagi orang yang sudah terbiasa dengan kondisi gerak di bumi. Ketidakuntungan itu dibarengi Gambar Pesawat Mars sojourner yang didaratkan di planet Mars dengan keadaan di bulan tidak terdapat atmosfer dengan tekanan nol. Coba Anda jelaskan ketidakuntungan manusia tinggal di bulan! Sehingga impian manusia untuk bisa pindah hijrah hidup di bulan sementara ini harus ditangguhkan. Dengan menghilangnya harapan bulan dapat dihuni manusia bumi dengan layak maka perhatian sekarang di arahkan ke planet Mars. Banyak pesawat tak berawak telah dikirimkan ke planet tersebut, salah satu yang terbaru adalah robot kendaraan Mars sojourner milik Amerika Serikat yang berhasil mendarat lunak di permukaan planet Mars, menjelajah, dan mengirimkan foto-foto yang diinginkan. Harapan bahwa suatu ketika Mars dapat ditinggali begitu besar, karena beberapa alasan planet Mars mirip dengan bumi. UJI KOMPETENSI Dari grafik berikut ini hitunglah percepatan gravitasi bumi w(berat) 30 N 61

12 3 Kg (massa benda) Hukum-hukum Newton Isaac Newton menemukan hukum-hukum Newton tentang gerak yang mendasari mekanika dalam Fisika, khususnya kinematika dan dinamika. Selanjutnya beliau juga menemukan hukum gravitasi Newton yang menjelaskan secara gamblang interaksi benda-benda di seluruh alam semesta ini. G. Mengenali gejala Hukum I Newton dalam kehidupan sehari-hari. Hukum I Newton Sebuah batu besar di lereng gunung akan tetap diam di tempatnya sampai ada gaya luar lain yang memindahkannya, misalnya gaya tektonisme/gempa, gaya mesin dari buldoser. Demikian pula bongkahan batu meteor di ruang angkasa hampa udara sana akan terus bergerak selamanya dengan kecepatan tetap sampai ada gaya yang mengubah kecepatannya misalnya gaya gravitasi suatu planet atau gaya lain yang menghentikannya misalnya tubrukan dengan meteor lain. Memang benar bahwa sebuah benda akan tetap diam jika tidak ada gaya yang bekerja padanya. Demikian pula sebuah benda akan tetap bergerak lurus beraturan (kecepatan benda tetap) jika gaya atau resultan gaya pada benda nol. Pernyataan ini merupakan pernyataan alami, dan apabila digabung akan merupakan rumusan hukum I Newton yang menyatakan bahwa : Sebuah benda akan tetap diam atau tetap bergerak lurus beraturan jika tidak ada resultan gaya yang bekerja pada benda itu.jadi, jika jumlah gaya-gaya yang bekerja pada benda adalah nol, maka ada dua kemungkinan keadaan benda yaitu benda dalam keadaan diam atau benda sedang bergerak dengan kecepatan benda konstan. Bagian pertama dari pernyataan hukum I Newton itu mudah dipahami, yaitu memang sebuah benda akan tetap diam bila benda itu tidak dikenai gaya lain. Gambar Seorang pesenam palang yang diam memiliki keseimbangan gaya Tentunya gaya-gaya konservatif seperti gaya berat dan gaya normal selalu ada dan sama besar serta berlawanan sehingga saling meniadakan. Keadaan benda diam demikian itu disebut kesetimbangan. Perhatikan gambar 40 terlihat mainan sederhana dari gabus, korek api, mur dan kawat yang tetap dalam kesetimbangan karena resultan gaya nol. Bagian kedua dari pernyataan itu dapat dipahami sebagai berikut. Jika lintasan awal gerak benda itu perlu suatu dorongan (yang Gambar Kesetimbangan dalam hal ini disebut gaya atau resultan gaya). Begitu pula bila sebagai perwujudan hukum I Newton 62

13 diinginkan mengubah kecepatan benda baik mempercepat atau memperlambat, maka juga diperlukan gaya. Jadi bila tidak ada gaya atau resultan gayanya nol maka bentuk lintasan lurus dan kecepatan benda akan selalu tetap. Jadi benda akan selalu berusaha mempertahankan keadaan awal jika benda tidak dikenai gaya atau resultan gaya. Hal ini yang menyebabkan seringnya hukum I Newton disebut sebagai hukum kelembaman/inertia (malas/inert untuk berubah dari keadaan awal). Dalam persamaan matematis hukum I Newton sering dituliskan sebagai berikut. Σ F = 0 dimana Σ F adalah resultan gaya yang bekerja pada benda. Gambar Astronot di ruang tanpa bobot dapat diam melayang bila tidak ada gaya Resultan gaya sama dengan nol membuat benda sangat lembam, contohnya seorang astronot tidak akan bergerak ke mana-mana di ruang hampa bila Ia sendiri tidak mengubah resultan gaya menjadi tidak sama dengan nol. Cara yang bisa dilakukan misalnya menghidupkan roket kecil di punggungnya atau menarik tali yang terikat di pesawat angkasa luar (space shuttle). Kegiatan Praktikum Mandiri 1. Ambillah sebuah gelas berisi air hampir penuh dan letakkan di atas sehelai kertas agak panjang (ukuran folio) pada sebuah meja. Kemudian tariklah kertas tadi secara cepat dan mendatar. Anda akan terkejut melihat bahwa gelas yang berisi air tadi tidak bergeser sedikitpun dari kedudukan semula. Ulangi kegiatan dengan menarik kertas secara pelan dan mendatar. Apa yang terjadi? Mengapa demikian? 2. Ambillah dua buah balon dan tiuplah, kemudian ikatkan pada kedua ujung bambu dimana letak resultan gaya berat kedua balon? Bagaimana caramu menentukannya? (perhatikan gambar di bawah ini). UJI KOMPETENSI Saat kita duduk di dalam mobil yang melaju dengan kencang, tiba-tiba direm mendadak. Apa yang kita rasakan? Mengapa demikian? Pada saat kita duduk didalam mobil yang berhenti tetapi masih hidup mesinnya, lalu dijalankan dengan tiba-tiba. Apa yang kita rasakan? Mengapa demikian? H. Mengenali gejala Hukum II Newton dalam kehidupan sehari-hari Hukum II Newton Bila ada resultan gaya yang timbul pada sebuah benda, dapat dipastikan benda tersebut akan bergerak dengan suatu percepatan tertentu. Bila benda semula dalam keadaan diam akan bergerak dipercepat dengan percepatan tertentu, sedangkan bila benda semula bergerak dengan kecepatan tetap akan berubah menjadi gerak dipercepat atau diperlambat. Resultan gaya yang bekerja pada benda yang bermasa konstan adalah setara dengan hasil kali massa benda dengan 63

14 percepatannya. Pernyataan inilah yang dikenal sebagai hukum II Newton. Secara matematis hukum tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut. Σ F = m. a dimana m adalah massa benda dalam satuan kg, a adalah percepatan benda dalam satuan m/s 2, dan Σ F adalah resultan gaya yang bekerja pada benda. Hukum II Newton inilah yang boleh kita sebut sebagai hukum Newton tentang gerak. UJI KOMPETENSI Sepeda dikayuh dengan kecepatan 36 km/jam, dalam waktu 10 detik mendapat tambahan dari gaya otot sehingga kecepatannya berubah menjadi 72 km/jam. Bila percepatan gaya yang bekerja pada benda adalah 60 N, berapakah massa sepeda tersebut? I. Mengenali gejala Hukum III Newton dalam kehidupan seharihari. Hukum III Newton Hukum III Newton mengungkapkan bahwa, gaya-gaya aksi dan reaksi oleh dua buah benda pada masing-masing benda adalah sama besar dan berlawanan arah. Penekanan pada hukum ini adalah adanya dua benda, dalam arti gaya aksi diberikan oleh benda pertama, sedangkan gaya reaksi diberikan oleh benda kedua. Hukum ini dikenal sebagai hukum aksi-reaksi, dan secara matematis dapat di tuliskan sebagai berikut. Σ F aksi = - Σ F reaksi. Yang menjadi penekanan dalam hukum ini adalah bahwa gaya aksi dan gaya reaksi yang terjadi adalah dari dua benda yang berbeda, bukan bekerja pada satu benda yang sama. Gaya berat dgaya normal pada sebuah buku yang tergeletak di meja bukan merupakan pasangan gaya aksi-reaksi. N Pasangan gaya aksi-reaksi misalnya pada seorang siswa yang menarik tali yang terikat pada paku di dinding. Gaya aksi adalah gaya tarik anak pada tali. Gaya gesek pada tangan siswa yang timbul bukan gaya reaksi, melainkan gaya tegangan tali itulah w gaya reaksi Gambar Buku mempunyai gaya berat dan gaya normal UJI KOMPETENSI. 1. Bagaimanakah menggambarkan gaya aksi dan reaksi pada seorang anak yang sedang mendorong tembok? 64

15 2. Gambarkan gaya aksi dan gaya reaksi pada seorang siswa yang sedang menarik gerobak Pekerjaan Rumah 1. Carilah lima contoh peristiwa yang menerangkan hukum kelembaman! 2. Dua buah gaya berlawanan arah masing-masing 80 N dan 60 N bekerja pada benda bermassa 5 kg. Bila kecepatan awal benda 100 m/s dan berubah menjadi 150 m/s berapakah waktu yang diperlukan? Berapakah jarak yang ditempuh? 3. Ketika seorang anak menarik karet ketapel, gambarkanlah pasangan gaya aksireaksinya! 4, Lakukan kegiatan tarik tambang dengan temanmu, kemudian buatlah diagram gaya yang menggambarkan gaya-gaya yang bekerja pada tali selama kejadian tarik tambang itu! 5 Tumpuklah dua buah buku berukuran besar di atas meja, kemudian geserlah dengan tanganmu. Ulangi kegiatan itu dengan meletakkan buku-buku tadi di atas roda (bisa diperoleh di toko). Apakah perbedaan yang Anda rasakan sebelum dan sesudah menggunakan roda? Mengapa demikian? RINGKASAN Gaya dapat berupa dorongan atau tarikan yang bekerja pada sebuah benda. Gaya listrik/gaya coulomb adalah gaya tarik-menarik atau gaya tolak-menolak antara dua benda bermuatan listrik yang terpisah pada jarak tertentu bergantung pada jenis muatan listrik masing-masing benda. Garis-garis medan listrik adalah garis-garis khayal untuk menggambarkan medan listrik. Besarnya gaya atau beberapa gaya yang diberikan pada sebuah kilogram standard didefinisikan sebagai percepatan dengan ketentuan bahwa bila gaya yang mempercepat 1 m/s 2 sebuah massa kilogram standard didefinisikan sebesar 1 newton (N). Cara poligon adalah mengukur panjang dan arah perpindahan gaya setelah menyambungkan tiap-tiap gaya menurut arah dan panjang yang sebenarnya. Cara analitis adalah cara menguraikan tiap-tiap gaya menurut proyeksi ke sumbu x dan sumbu y, untuk kemudian dijumlahkan menurut arah sumbu-sumbu koordinat kartesius tersebut, sebelum akhirnya dihitung dengan persamaan pithagoras. Gaya gesekan (friction) disingkat f, adalah gaya yang bekerja pada sebuah benda ketika benda tersebut bergeser atau sedang berusaha bergeser. Gaya berat (weight) disingkat w adalah sebuah gaya yang bekerja pada benda tersebut dari benda-benda lain (atau benda-benda astronomi). Percepatan gravitasi bumi adalah pembagian antara gaya gravitasi (F) dengan massa (m) benda yang berjarak tertentu ke benda astronomi. Sebuah benda akan tetap diam atau tetap bergerak lurus beraturan jika tidak ada resultan gaya yang bekerja pada benda itu. Resultan gaya yang bekerja pada benda yang bermassa konstan adalah setara dengan hasil kali massa benda dengan percepatannya. 65

16 gaya-gaya aksi dan reaksi oleh dua buah benda pada masing-masing benda adalah sama besar dan berlawanan arah. SOAL-SOAL KOMPETENSI BAB IV SOAL ESSAY 1. Berilah 2 contoh aplikasi hukum Newton I 2. Sebuah mobil mula mula bergerak dengan kecepatan 36 km/jam, 10 detik kemudian kecepatan mobil 72 km/jam. Tentukan gaya yang dilakukan mesin mobil untuk menggerakan mobil jika massa 1 ton? 3. Dua buah gaya berlawanan arah dan satu garis kerja, bekerja pada sebuah benda. Masing-masing gaya besarnya 50 N dan 20 N. Tentukan besar resultan gaya yang bekerja pada benda itu! 4. Seorang siswa mempunyai massa 50 kg. Jika percepatan gravitasi di bumi 9,8 m/s 2, dan percepatan gravitasi di bulan 1,6 m/s 2, berapakah berat siswa tersebut di bumi? Berapa beratnya di bulan? 5. Hitunglah resultan gaya dari gambar di bawah ini! 6. Jika percepatan gravitasi bulan adalah 1/6 percepatan gravitasi bumi, dan massa Andi 40 kg, berapakah massa Andi bila Ia harus pindah ke bulan? Berapa pula beratnya di bulan? 7. Sebutkan beberapa alasan yang berbendapat bahwa planet Mars mirip dengan planet bumi, sehingga orang berharap suatu ketika dapat tinggal di planet tersebut. 8. Dua buah gaya searah dan satu garis kerja bekerja pada sebuah benda. Masingmasing gaya besarnya 50 N dan 20 N. Tentukan besar resultan gaya yang bekerja pada benda itu! 9. Tentukan resultan gaya-gaya yang saling tegak lurus seperti ditunjukkan gambar di bawah ini. Masing-masing gaya besarnya 20 N dan 50 N. 10. Mengapa di bulan tidak memungkinkan untuk dihuni umat manusia? 11. Mengapa pada saat di dalam bus yang melaju sambil membelok ke kanan kita serasa terdorong ke kiri, dan sebaliknya saat bus membelok ke kiri kita serasa terdorong ke kanan? 66

17 12. Bila massa balok pada gambar di samping adalah 10 kg, hitunglah percepatan yang dialami balok 13. Mengapa pada saat Anda duduk tenang di dalam mobil yang melaju dengan tenang tiba-tiba direm mendadak tubuh Anda bergerak maju ke depan? 14. Sebuah bola tenis dikenai tiga buah gaya seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Buatlah pemisalan sendiri besar ketiga gaya yang bekerja pada bola tenis. Menurut datamu, kemana arah resultan gayanya? Kemana arah gerak bola tenis tersebut? 15.Carilah resultan gaya gambar di bawah ini dengan cara analitis! 16. Seorang anak melihat jarum timbangan badan yang diinjaknya menunjukkan angka 50. Data apakah yang ditunjukkan jarum timbangan tersebut? 17. Menara pisa salah satu keajaiban dunia, terkenal sebagai menara yang miring. Dan kemiringan itu selalu bertambah setiap waktu. Mengapa demikian? Dapatkah laju kemiringan itu dihentikan? 18. Bagaimana seandainya yang duduk di bawah pohon apel dan kejatuhan pohon apel pada saat itu bukan Isaac Newton melainkan dirimu? 19. Dua orang kakak beradik sedang tarik tambang masing-masing dengan gaya 60 N dan 20 N. Tiba-tiba sang Ibu membantu adik dengan gaya 40 N. Berapa sultan gaya sekarang. Termasuk hukum Newton ke berapa? 20. Sebuah bola perunggu ditemukan direruntuhan sebuah candi kono. Massa bola tersebut 60 kg dan jari-jarinya 21 cm. Tentukan berat jenisnya! 67

18 SOAL PILIHAN GANDA PILIHLAH JAWABAN YANG BENAR 1. Alat yang digunakan untuk mengukur berat benda adalah a. neraca pegas c. neraca pasar b. neraca analitis d. neraca Ohaus 2. Hubungan antara berat (w) massa dan percepatan gravitasi (g) yaitu a. w = m/g c. m = w.g b. g = m/w d. m = w/g 3. Sebuah benda di sekitar kubut beratnya 50N, maka berat benda di katulistiwa menjadi. a. lebih besar dari 50 N c. tetap 50 N c. lebih kecil dari 50 N d. beratnya = 100 N 4. Dibawah ini yang merupakan gaya tak sentuh adalah. a. gaya gesek c. gaya otot b. gaya magnet d. gaya pegas 5. Dua buah baya F1 dan F2 bekerja pada suatu benda akan setimbang, bila kedua gaya segaris dan. a. searah sama besar c. searah tidak sama besar b. berlawanan arah dan sama besar d. berlawanan arah dan tidak sama 6. Gaya dapat menimbulkan gejala dibawah ini, keculai a. perubahan bentuk c. perubahan massa b. peubahan kecepatan d. perubahan arah dan tempat 7. Gaya dinyatakan dalam satuan a. kg b. meter c. Newton d. Pa 8. Pada sebuah benda bekerja gaya F1 = 5 N ke kanan dan F2 = 10 N ke kanan. Jika kedua gaya itu segaris maka resultan gayanya.. a. 0,5 N b. 5 N c. 10 N d. 15 N 9. Gaya termasuk besaran vector karena mempunyai. a. besar b. arah c. besar dan arah d. massa gaya 10. Gaya digambarkan sebagai anak panah. Panjang anak panah menunjukan lll a. arah gaya b. macam gaya c. gerak gaya d. besar gaya 11. Sebuah magnet didekatkan pada paku kecil. Paku kecil ditarik magnet bersebut. Dalam hal ini yang bekerja gaya. a. tarik b. dorong c. pegas d. magnet 12. Dua buah gaya F1 dan F2 bekerja pada benda seperti gambar F1 F2 Hasil resultan gayanya adalah. a. F2 +F1 b. F1 F2 c. F2 + F1 d. F1 : F2 13. Benda selalu jatuh kebawah karena gaya. a. pegas b. litrik c. gravitasi d. magnet 14. Penggaris plastic yang digosok dengan rambut kering dapat menarik sobekan kertas kecil. Hal ini karena pengaruh gaya. a. listrik b. pegas c. gravitasi d. magnet 15. Bola yang menggelinding dilantai lama-kelamaan berhenti, karena pengaruh gaya a. pegas b. magnet c. gesek d. gravitasi 16. Sebuah benda bekerja denga gaya-gaya F1 = 30 N kekanan, F2 = 20 N ke kana dan F3 = 40 N kekiri. Resultan gayanya a. 10 N ke kanan b. 10 N ke kiri c. 90 N ke kanan d. 90 N kekiri 17. Perhatikan gambar berikut ini 10N 15 N 68

19 8 N Agar resultan gaya yang bekerja pada benda sebesar 20 N ke kanan maka gaya ke empat yang bekerja pada benda a. 7 N kekiri b. 7 n ke kanan c. 13 N ke kiri d. 13 N ke kanan 18. Data berikut ini 1. gaya mesi 2. gaya gesek 3. gaya listrik 4. gaya otot yang termasuk gaya sentuh adalah a. 1,2,3 b. 2,3,4 c. 1,3,4 d. 1,2,4 19. Data berikut ini 1. memberi oli 2. meletakan benda di atas dasar kasar 3. memperhalus bidang sentuh yang dapat memperkecil gaya gesek a. 1,2 b. 1,3 c. 2,3 d. 1,2,3 20. Data berikut ini yang menguntungkan karana adanya gaya gesek 1. rem menjadi aus 2. roda menjadi halus 3.roda bergerigi sehingga tidak selip yang benar adalah a. 1 b. 2 c. 3 d. 1,2,3 21. Sifat gaya gesek kecuali a. dapat menyebabkan benda bergerak b. semakin kasar permukaan benda semakin besar gaya geseknya c. arahnya berlawanan dengan arah gerak benda d. akan muncul jika ada gaya luar 22. Ketika kita naik bis yang sedang bergerak tiba-tiba direm maka kita akan terdorong ke depan, hal ini menunjukan sifat kelembaman benda, hal ini sesuai dengan hokum a. Newton I b. Newton II c. Newton III d. Gaya aksi reaksi 23. Hubungan yang benar dari besaran F, m dan a adalah a. F = a/m b. a = m/f c. a = F/m d. m = F. m 24. Ketika resultan gaya yang bekerja sama dengan nol maka benda a. pasti bergerak lurus b. pasti diam atau seimbang c. bergerak lurus beraturan dan juga tidak beraturan d. benda diam atau bergerak lurus beraturan. 25. Suatu benda bermassa 2 kg mula-mula diam kemudian diberi gaya 10 N. Benda akan mengalami percepatan sebesar m/s 2 a. 20 b. 12 c. 8 d Percepatan yang dialami benda adalah a. sebanding dengan massa dan berbanding terbalik dengan gaya benda b. sebanding dengan gaya dan berbanding terbalik dengan massa benda c. sebanding dengan gaya dan massa benda d berbanding terbalik dengan massa benda dan gaya 27. Sebuah benda bermassa 1 kg mula-mula diam diberi gaya selama 2 sekon kecepatannya menjadi 6 m/s. Besarnya gaya yang diberikan adalah N a. 1 b. 2 c. 3 d Benda bermassa 2 kg diberi gaya seperti pada gambar 10 N Massa 2 kg 15 N besarnya percepatan yang dialami benda adalah m/s 2 a. 50 b. 12,5 c.10 d. 2,5 29. Yang bukan merupakan pasangan gaya aksi reaksi adalah a. gaya melekatnya sobekan kertas pada sisir yang digosokan pada rambut b. gaya berat yang dialami benda terhadap gravitasi bumi c. gaya tarik diantara 2 kabel listrik yang sejajar pada gardu tower listrik. d. gaya gesek yang timbul pada tangan kita ketika membawa buku 30. Pernyataan yang benar tentang gaya aksi reaksi adalah a. bekerja pada satu benda 2 gaya sama besar dan searah 69

20 b. bekerja pada satu benda 2 gaya sama besar dan berlawanan arah c. bekerja pada 2 benda, 2 gaya sama besar dan berlawanan arah d. bekerja pada 2 benda, 2 gaya tidak sama besar dan berlawanan 70