Gaya dan Hukum Newton

Gaya

Pengertian Gaya

Gaya adalah suatu dorongan atau tarikan. 

Gaya dapat mengakibatkan perubahan – perubahan sebagai berikut :

1) benda diam menjadi bergerak

2) benda bergerak menjadi diam

3) bentuk dan ukuran benda berubah

4) arah gerak benda berubah

Macam – macam Gaya

Berdasarkan penyebabnya, gaya dikelompokkan

sebagai berikut :

(1) gaya mesin, yaitu gaya yang berasal dari mesin

(2) gaya magnet, yaitu gaya yang berasal dari magnet

(3) gaya gravitasi, gaya tarik yang diakibatkan oleh bumi

(4) gaya pegas, yaitu gaya yang ditimbulkan oleh pegas

(5) gaya listrik, yaitu gaya yang ditimbulkan oleh muatan listrik

Berdasarkan sifatnya, gaya dikelompokkan menjadi :

(1) gaya sentuh, yaitu gaya yang timbul karena titik kerja gaya, langsung bersentuhan dengan benda.

(2) gaya tak sentuh, yaitu gaya yang timbul walaupun titik kerja gaya tidak bersentuhan dengan benda.

Gaya berat

Dalam kehidupan sehari-hari kita sering mendapat pertanyaan “berapa berat badanmu?”, kemudian kita menjawab “berat badan saya 37 kg”. Jika ditinjau dari ilmu fisika maka jawaban tersebut salah, hal ini dikarenakan “kg” merupakan satuan dari besaran massa bukan berat. Massa dan berat memiliki perbedaan yang mendasar dalam mempelajari fisika seperti yang terlihat pada tabel berikut,

Gaya gesek

Gaya gesek merupakan gaya yang timbul akibat dua permukaan yang bergesekan.  Gaya gesek memiliki arah yang berlawanan dengan arah gerak benda yang sifatnya untuk menghambat gerak benda tersebut. 

Gaya gesek dapat dimanfaatkan atau bahkan merugikan dalam suatu gerak benda. Gaya gesek yang dapat dimanfaatkan dan memberikan keuntungan antara lain : alas kaki (sandal dan sepatu) di buat kasar agar semakin besar gesekan antara sandal dan lantai, sehingga tidak terpeleset ketika berjalan

Gaya gesek yang merugikan antara lain gesekan pada mesin sepeda motor atau mobil sehingga menyebabkan mesin cepat panas

Gaya Normal

Gaya normal adalah gaya yang tegak lurus bidang sehingga arah gaya normal bergantung dengan bidang datarnya, seperti terlihat berikut ini

Gambar. Gaya normal pada berbagai bidang

Gaya merupakan salah satu besaran di fisika yang 
Gaya disimbolkan dengan huruf “F” dari kata “force” memiliki satuan yang dilihat dari dua aspek yakni
mks (meter-gram-sekon). Sistem ini berlaku juga untuk sistem internasional (SI) dalam sistem ini satuan gaya dinyatakan dalam Newton (N), dimana
1 N = 1 kg.m/s²
cgs (centi-gram-sekon)
pada sistem ini satuan gaya dinyatakan dalam dyne, dimana
1 dyne = 1 g.m/s²
Hubungan antara newton dan dyne adalah

Menggambar Gaya

Gaya merupakan besaran vektor (memiliki nilai dan arah). Oleh karena itu, gaya dapat digambarkan dengan menggunakan diagram vektor .

Gaya dilukiskan dengan garis berarah menyerupai anak panah, dimana panjang anak panah mewakili besar gaya dan arah anak panah mewakili arah gaya. Jadi, semakin panjang garisnya semakin besar gayanya begitu pula sebaliknya. Agar lebih memahaminya Perhatikan gambar berikut

Gambar. Cara melukis gaya

GABUNGAN ( RESULTAN ) GAYA

Resultan gaya (R), yaitu penjumlahan beberapa gaya yang bekerja segaris. Apabila sebuah benda bekerja beberapa gaya, maka untuk menentukan total gaya yang bekerja pada benda tersebut kita juga harus memperhatikan arahnya. Total gaya yang bekerja pada benda disebut dengan resultan gaya (ΣF), beberapa aturan terkait dengan resultan gaya yakni

Gaya-gaya yang segaris dan searah dijumlahkan

Gaya-gaya yang segaris dan berlawanan arah dikurangi

Untuk memudahkan perhitungan maka, gaya yang berarah ke kanan atau ke atas diberi tanda positif (+), dan gaya yang berarah ke kiri maupun kebawah diberi tanda negatif (-)

Contoh soal!
sebuah benda di tarik beberapa gaya seperti pada gambar berikut

Tentukan resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut!

Diketahui : F₁ = 12 N

F_{2 = 16 N}

F₃ = 20 N

Ditanya : ΣF = .... ?

Jawab :

ΣF = F₁ - F₂ +  F3

ΣF = 12 - 16 +  20

ΣF = 16 N
Berarti resultan gaya bergerak ke kiri

Hukum Newton

Terkait dengan pembahasan materi gaya, salah satu fisikawan terkenal Sir Isaac Newton (1643 – 1727) mengemukakan tiga hukum newton yakni hukum I newton, hukum II Newton, dan hukum III Newton.

Hukum I Newton

Hukum I Newton ini mengkaji tentang kecenderungan suatu benda mempertahankan keadaannya, benda yang semula diam tetap diam benda yang semula bergerak tetap bergerak. Kecenderungan ini disebut dengan inersia sehingga hukum I newton sering juga disebut dengan hukum inersia, bunyi hukum I Newton adalah

“suatu benda akan tetap diam atau bergerak dengan kecepatan konstan asal tidak ada gaya luar yang bekerja pada benda tersebut”

Berdasarkan hukum I Newton tersebut ada 3 hal yang perlu diperhatikan yakni: 

1. Benda tetap diam (benda tidak mengalami perubahan posisi atau kedudukan), 
2. Bergerak dengan kecepatan konstan (gerak benda termasuk jenis gerak lurus beraturan (GLB)), yang mana kedua keadaan tersebut dapat terjadi jika 
3. tidak ada gaya luar yang bekerja pada benda tersebut (resultan gaya sama dengan nol). Secara matematis hukum I Newton dapat ditulis

Beberapa contoh penerapan hukum I Newton dalam kehidupan sehari-hari adalah 

Seseorang yang berada dalam mobil yang melaju, akan terdorong ke depan saat mobil tiba-tiba direm dan terdorong ke belakang saat kecepatan mobil tiba-tiba bertambah dengan cepat

Segala sesuatu yang bergerak lurus beraturan (GLB) memenuhi kondisi pada hukum I Newton

Hukum II Newton

Berbeda dengan hukum I Newton, pada hukum II Newton pembahasannya terkait untuk resultan gayanya tidak sama dengan nol (ΣF ≠ 0), apa yang terjadi apabila resultan gayanya tidak sama dengan nol? Lihat kembali penjelasan di atas terkait dengan dampak gaya pada benda, jika resultan gayanya tidak sama dengan nol akan berdampak pada kecepatan benda sehingga benda dapat bergerak dipercepat atau diperlambat bergantung dengan arah gayanya. Perhatikan gambar berikut

Gambar 7. (a) benda bergerak dengan kecepatan konstan ketika resultan gayanya sama dengan nol (ΣF = 0), (b) bergerak dipercepat karna mendapat gaya yang searah dengan arah gerak benda, (c) benda bergerak diperlambat karena mendapat gaya yang berlawanan dengan arah dengan arah gerak benda. 

(sumber : Physics University)

Jelas terlihat perbedaan ketika resultan gaya pada benda sama dengan nol dengan yang tidak sama dengan nol yakni adanya “percepatan” yang di alami benda tersebut. Besarnya percepatan ini dijelaskan dalam hukum II Newton yang berbunyi

“percepatan suatu benda berbanding lurus dengan gaya yang bekerja pada benda tersebut dan berbanding terbalik dengan massa benda itu”

secara matematis hukum II Newton dapat ditulis

Keterangan :

ΣF = resultan gaya (N)

m = massa benda (kg)

a = percepatan benda (m/s2)

percepatan yang terdapat pada hukum II newton ini memberikan informasi kepada kita bahwa ketika berlaku hukum II newton, maka benda akan jenis gerak benda adalah gerak lurus berubah beraturan. Selain itu, ada 2 hal yang perlu diperhatikan pada hukum II Newton tersebut yakni 

(1)  percepatan sebanding dengan gaya: hal ini berarti jika semakin besar gaya yang bekerja pada suatu benda maka semakin besar pula percepatan yang di alami benda. Perhatikan gambar berikut

Gambar diatas menunjukkan untuk massa yang sama (kotak biru), semakin besar gaya yang digunakan (kotak merah) pada suatu benda maka percepatan benda tersebut akan semakin besar (kotak kuning)

(2)  percepatan berbanding terbalik dengan massa benda: hal ini berarti jika semakin besar massa suatu benda maka percepatannya akan semakin kecil. Perhatikan gambar berikut

Gambar di atas menunjukkan bahwa dengan gaya yang sama besar (kotak biru), apabila digunakan pada benda dengan massa yang semakin besar (kotak merah) maka percepatan benda tersebut akan semakin kecil (kotak kuning).

Hubungan perbandingan ini dapat ditulis dalam persamaan matematis sebagai berikut

Contoh soal

(1)  sebuah benda bermassa 0,5 kg di dorong oleh bejo menggunakan gaya sebesar 2,5 N. Tentukan besar percepatan benda tersebut!

Diketahui

m = 0,5 kg

F = 2,5 N

Ditanya.a = ...?

Jawab

F = m . a

2,5 = 0,5 . a

(2,5 / 0,5) = a

(2) balok bermassa 2,5 kg di dorong dengan gaya sebesar F sehingga balok bergerak dengan percepatan 6 m/s² , jika di atas balok tersebut diletakkan balok lain yang bermassa 3,5 kg. Dengan gaya yang sama tentukan percepatan benda tersebut sekarang!

Diketahui

m₁ = 2,5 kg

m₂ = 2,5 + 3,5 

m₂ = 6 kg (setelah balok kedua ditambahkan)

F₁ = F₂ = F (karena tidak mengubah besar gaya)

a₁ = 4 m/s²

Ditanya.  a₂ = ...?

Jawab

Hukum III Newton

Sedikit berbeda dengan kedua hukum newton sebelumnya yang menjelaskan tentang keadaan benda ketika diam dan bergerak (baik GLB dan GLBB), pada hukum III Newton ini menjelaskan hubungan timbal balik gaya pada dua benda sehingga hukum III Newton sering disebut juga sebagai hukum Aksi – reaksi, yang berbunyi

“jika benda A memberikan gaya kepada benda B (disebut gaya aksi), maka benda B akan memberikan gaya kepada benda A (disebut gaya reaksi). Kedua gaya ini sama besar tetapi berlawanan arah”

secara matematis hukum III Newton dapat ditulis

Berdasarkan bunyi hukum III Newton di atas ada satu hal penting yang perlu diingat bahwa hukum III Newton ini berlaku untuk dua benda saja, perhatikan gambar berikut

Gambar di atas terdapat tiga benda yang berdampingan, gaya sebesar F mendorong benda 1 sehingga benda 1 mendorong benda 2, benda 2 mendorong benda 3 dengan konfigurasi gaya seperti gambar di atas. Sebagian gaya-gaya pada gambar tersebut merupakan pasangan gaya aksi reaksi dan untuk mengetahuinya kita harus memahami dahulu masing-masing gaya tersebut yakni
F = gaya luar
F_A = gaya benda 1 ke benda 2 (disebut juga F12)
F_B = gaya benda 2 ke benda 1 (disebut juga F21)
F_C = gaya benda 2 ke benda 3 (disebut juga F23)
F_D = gaya benda 3 ke benda 2 (disebut juga F32)
Berdasarkan penjelasan di atas, maka dapat diketahui pasangan gaya aksi-reaksinya adalah
F_A dengan F_B dan F_C = F_D (perhatikan pasangan bendanya)
Contoh penerapan hukum III Newton dalam kehidupan sehari-hari adalah
1)  orang berjalan
2)  orang berenang
3)  memukul tembok terasa sakit
4)  menendang bola
dll

Konsep:
Sering kali banyak yang mengatakan bahwa gaya normal (N) dan gaya berat (w) adalah pasangan gaya aksi reaksi karena kedua gaya tersebut sama besar dan berlawanan arah. Akan tetapi, konsep ini sebenarnya salah karena gaya tarik merupakan gaya tarik bumi ke benda (antara bumi dan benda) sedangkan gaya normal merupakan gaya yang tegak lurus bidang (antara bidang dengan benda). Berdasarkan hal tersebut terlihat bahwa gaya normal dan gaya berat bukan dari dua benda yang sama. Perhatikan gaya berikut

Berdasarkan gambar di atas, terlihat bahwa pasangan gaya aksi reaksinya yang seharusnya adalah antara bumi dengan buku. Bumi menarik buku (w) sebagai gaya aksi dan buku menarik bumi (-w) sebagai gaya reaksi.

Antara permukaan meja dengan buku

Permukaan meja mendorong buku (N) sebagai gaya aksi dan buku mendorong permukaan meja (-N)

Jadi gaya berat dan gaya normal bukan merupakan pasangan gaya aksi reaksi