Dinamika Gerak – Aplikasi Hukum-Hukum Newton tentang Gerak

AhmadDahlan.NET – Pernahkah anda melihat sebuah pesawat terbang komersial tipe boeing 787 yang sedang mendarat dan menuju gate kedatangan? Boeing 787 adalah salah satu benda terbesar di dunia yang memiliki massa sekitar 150.000 kg pada saat mengankut barang dan penumpang.

Pesawat sebesar ini memiliki sistem navigasi dan operasi yang baik di udara namun tidak demikian di daratan. Di darat, pesawat ini praktis sulit untuk dikendalikan agar bisa masuk ke ruang-ruang sempit karena banpesawat hanya bisa berbelok pada lingkaran dengan radius yang besar. Hal ini menyulitkan pesawat untuk masuk dan keluar dari belalai gajah yang ada di bandara.

Dalam upaya parkir di bandara terutama masuk terminal kedatangan, pesawat akan dibantu oleh mobil yang menarik pesawat agar bisa parkir di tempat yang tepat. Lantas bagaimana mungkin pesawat dengan massa 150.000 kg dapat ditarik oleh mobil yang massanya kurang lebih sekitar 2.000 kg saja?

Mungkin hal ini terlihat mustahil di mata awam, dimana mobil kecil berupaya menarik benda massanya 75 kali lebih besar, namun dalam fisika hal ini adalah suatu hal yang lumrah, karena penyebab benda bergerak ditentukan dari resultan gayanya semata. Jika F_R > 0 meskipun hanya 0,01 Newton, maka benda bermassa 1 Ton akan bergerak, meskipun hanya dengan pecerpatan sebesar 0,00001 m/s².

Kajian tentang penyebab gerak benda dan geraknya itu sendiri merupakan bagian dari materi Dinamika Gerak. Dinamika Gerak membahas tentang gerak-gerak benda disertai dengan penyebab dari benda tersebut bergerak. Dalam kajian Dinamika, sebagain gerak partikel dapat ditinjau berdasarkan keterkaiatannya dengan hukum kekekalan energi.

A. Gaya dan Interaksi Antar Materi

Gaya adalah fenomema interaksi dua materi atau lebih yang dapat memiliki arah menuju atau menjauhi materi yang dijadikan tinjaun terjadinya. Misalnya gaya terjadi pada saat seorang mendorong mobil dimana acuannya adalah mobil, maka arah gaya dorong berasal dari orang menuju ke mobil.

Sangat mustahil muncul gaya terjadi tanpa adanya interaksi antar faktor fisis, namun untuk memudahkan proses matematis, terkadang tinjaun dari gaya tersebut langsung pada dampak yang dihasilkan dan hanya pada satu tinjaun saja yakni benda terkena gaya. Ketika interaksi antar gaya tersebut berhenti maka tidak ada lagi gaya yang terjadi pada benda tersebut sisa hasil dari gaya tersebut.

Ada banyak jenis dari produk yang dihasilkan oleh sebuah gaya, misalnya getaran, suara, perubahan bentuk (deformation), atau perubahan posisi. Jika gaya yang diberikan tidak begitu besar, maka ada kemungkinan dampak dari gaya tidak dapat teramati oleh indera manusia seperti benda akan tetap diam saja tanpa mengalami perubahan posisi sama sekali.

Dalam kajian Dinamika, Dampak dari gaya yang ditinjau hanya pada satu aspek saja. Yakni aspek gaya dan hubungan terhadap gerak benda semata.

1. Jenis Gaya

Bentuk gaya secara umum dibedakan ke dalam dua kelompok yakni gaya sentuh dan gaya tak sentuh (Distance interaction). Gaya sentuh adalah gaya yang terjadi pada saat duab benda yang berinteraksi saling bersentuhan (kontak). Contoh gaya kontak adalah gaya gesek, gaya normal, gaya pegas, gaya hambat udara dan gaya tengang tali.

Gaya tak sentuh adalah interaksi yang terjadi pada dua buah benda tanpa harus saling bersentuhan. Interaksi ini akan berbanding terbalik kuadratik dengan jarak antar benda yang saling berinteraksi. Gaya tak sentuh ini adalah produk dari medan gaya yang bertemu dengan partikel yang dipengaruhi medan gaya tersebut. Contoh gaya tak sentuh seperti Gaya Gravitasi, Gaya Listrik, dan Gaya Magenis.

2. Besaran Vektor

Gaya merupakan besaran vektor yakni tinjauan meliputi nilai dan arah gaya. Oleh karena itu analasis matematis tentang gaya akan melibatkan operasi vektor.

Vektor gaya digambar dengan simbol anak panah dimana kepala anak panah menunjukkan arah gaya.

Misalkan sebuah mobil ditarik oleh seorang dari depan dengan gaya sebesar 20 N, kemudian di dorong dengan orang dari belakang sebesar 30 N, Resultan gaya yang bekerja pada mobil tersebut adalah 50 N ke kiri, berdasarkan diagram yang ditunjukkan gambar di atas.

Dalam kajian vektor, arah kiri biasanya disepakati memiliki nilai negatif sehingga resultan gaya yang terjadi pada mobil adalah – 50 N. Pada kenyataanya nilai 50 N ini adalah gaya bernilai positif karena entitasnya bernilai real. Tanda negatif tidak menunjukkan adanya entitas negatif dari gaya hanya kesepakatan berdasarkan tinjauan yang umumnya berpasangan seperti pada tabel :

Kendati demikian acuan di atas tidaklah berlaku universal sesuai dengan dengan kebutuhan saja.

B. Hukum Newton

Sir Isaac Newton (1642 – 1727) adalah Ilmuwan Inggris yang namanya diabadikan menjadi satuan dari Gaya karena temuannya berupa Hukum Newton berhasil menyimpulkan dan memprediksikan semua gerak-gerak klasik dari materi yang ada di alam semesta.

Newton berpandangan bahwa Aristoteles benar dalam menjelaskan menganai casualitas. Semua fenomena alam yang terjadi terjadi merupakan dampak dari sebuah sebab yang bisa dipastikan secara fisis. Hal ini sama seperti yang terjadi pada apel yang terjatuh ke bawah, burung yang terbang di udara dan juga bulan yang mengorbit di bumi.

Newton yakin ada faktor yang menjaga bulan tetap berada pada orbitnya mengelilingi bumi dan yang membuat apel jatuh. Faktor tersebut adalah faktor yang sama yakni Gravitasi. Gravitasi ini juga membuat bumi tetap mengelilingi matahari dan menjaga alam semeseta tetap pada posisinya masing-masing. Dalam hal ini teori di kenal sebagai teori steady stay.

1. Hukum I Newton

Hukum I Newton menjelaskan tentang kecenderungan suatu benda mempertahankan kondisinya dalam kerangka acuan gerak. Misalnya benda yang bergerak akan cenderung bergerak dan benda yang diam akan terus diam selama resultan gaya yang bekerja pada gaya tersebut sama dengan nol.

ΣF = 0

Hukum I Newton berakitan dekat dengan kecenderungan benda mempartahankan kondisi atau inersia. Faktor inersia dipengaruhi oleh massa benda itu sendiri. Semakin besar massanya maka semakin besar faktor kelambamannya.

Sebagai contoh, ketika kita sedang berada dalam mobil yang melaju kencang namun tiba-tiba mobil berhenti mendadak, kelambaman tubuh manusi ayang membuat dirinya tetap berupaya mempertahankan posisinya untuk bergerak ke depan sehingga terpental ke depan.

Hal serupa juga berlaku pada saat pesawat melakukan lepas landas, posisi pesawat yang awalnya diam tiba-tiba bergerak dipercepat dengan kecepatan tinggi membuat tubuh kita merasakan sensasi terdesak oleh sesuatu hingga akhirnya faktor kelambaman kita berkurang sering dengan penguarangan percepatan dari pesawat.

Misalnya sebuah meja didorong dengan dua gaya ke kanan masing-masing 10 N dan 8 N, kemudian didorong oleh sebuah gaya ke kiri sebesar 18 N.

ΣF = F₁ + F₂ + F₃

ΣF = 10 N + 8 N – 18 N = 0

Hukum I Newton : Setiap benda memiliki kecenderungan untuk memeprtahankan posisinya yakni diam akan cenderung diam dan yang bergerak akan terus bergerak dengan kecepatan konstan selama total gaya yang bekerja pada benda tersebut sama 0.

Kelambaman Versi Aristoteles dan Newton – Newton bukanlah orang pertama yang mempelajari casualitas fisis yang terjadi di alam ini, Aristoteles (385 SM – 322 SM) bisa dikatakan sebagai orang pertama yang didekoumentasi menjelaskan casulitas yang ada di alam.

Aristoteles berpendapat bahwa tidak ada kejadian yang terjadi di alam semesta ini tanpa ada penyebab, semua terjadi adalah dampak dari sebuah sebab akibat, tanpa ada sebab maka akibat tidak akan dimunculkan. Ini hukum aksi-reaksi yang sampai hari ini berlaku.

Hanya saja Aristoteles keliru dalam memaknai tentang benda yang diam. Aristotles berpendapat bahwa batu yang diam adalah contoh tidak adanya aksi sehingga reaksi tidak akan pernah muncul, Sebuah batu yang ada di halaman sebuah rumah akan tetap disana sampai ada orang atau kuasa alam yang memindahkannya.

Newton berpendapat lain, Newton berpendapat semua materi yang ada di alam semesta ini masuk dalam pengaruh sebab akibat, baik yang bergerak maupun yang diam. Termasuk batu yang diam di halaman rumah. Gaya garvitasilah yang membuat batu tersebut tetap berada di sana namun besar gaya gravitasi tersebut dibuat nol oleh gaya Normal sebagai akibat kontak antara Batu dan permukaan tanah.

2. Hukum II Newton

Pada hukum I Newton, jika resultan gaya yang bekerja pada sebuah benda sama dengan nol, maka benda akan tetap mempertahankan keadaanya. Lantas bagaimana jika resultan gaya yang diberikan tidak memiliki resultan lebih dari 0 atau kurang dari nol?

Jika resultan sebuah gaya yang bekerja pada sebuah benda tidak sama dengan 0 maka benda akan mengalami perubahan kecepatan atau percepatan. Perubahan kondisi bisa saja seperti :

1. Dari diam bergerak dengan percepatan tertentu.
2. Dari bergerak mengalami perubahan kecepatan baik dipercepat maupun diperlambat.
3. Diam dari keadaan bergerak.

Hukum II Newton : Percepatan sebuah benda akan sebanding dengan gaya yang diberikan yang diberikan benda tersebut atau F ~ a. Faktor penentu besar percepatan dari benda tersebut adalah kelambaman dari benda yang dipengaruhi oleh massa benda. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut :

ΣF = ma

dimana

F : Gaya (N)
M : Massa (kg)
a : Percepatan (m/s2)

Baca Lebih Materi Tingkat Lanjut Lanjut : Aplikasi Hukum Newton II. (Cooming Soon)

Miss Konsepsi : Beberapa sumber tertulis menuliskan defenisi dari hukum II Newton menuliskan bahwa bunyi hukum II Newton : Jika resultan gaya yang bekerja pada suatu benda tidak sama dengan nol, benda akan bergerak dengan percepatan yang besarnya sebanding dengan resultan gayanya dan berbanding terbalik dengan massa kelembamannya.

Sejatinya dalam tinjauan klasik, massa sebuah benda adalah nilai konstan dalam kajian hukum Newton. Gaya tidak akan pernah bisa menambah atau mengurangi massa benda hanya berpengaruh langusng terhadap pecepatan saja.

3. Hukum III Newton

Gaya terjadi pada dua buah materi yang saling berinteraksi satu sama lain dalam bentuk tarikan atau dorongan. Gaya mustahil terjadi tanpa adanya interaksi meskipun interaksi tersebut tanpa kontak antar bidang dari masing masing materi. Seperti gaya tarik gravitasi bumi yang dialami oleh kita saat duduk membaca artikel ini, sebenarnya tidak hanya bumi yang menarik semua benda yang ada di atasnya, tapi benda tersebut juga menarik bumi dengan gaya yang sama besarnya dengan gaya tarik bumi ke benda tersebut.

Lantas mengapa manusia yang tertarik ke bumi bukan sebaliknya? Dalam hukum Newton I, dijelaskan bahwa inersia adalah faktor yang paling besar menentukan kelambaman dari sebuah benda, sehingga massa bumi yang begitu besar membuat seleuruh benda yang ada diatasnya memiliki kelambaman yang jauh lebih kecil dibandingkan bumi.

Hukum III Newton lebih khusus membahas tengtang interaksi aksi-reaksi. Setiap aksi yang muncul akbita dari sebuah gaya akan menghasilkan reasi yang sama besarnya ke arah yang berlawan dengan aksi tersebut.

Misalkan sebuah buku yang diam di atas sebuah meja datar. Massa dari buku tersebut menghasilkan gaya berat setelah ditarik oleh gravitasi bumi sehingga bisa menekan permukaan meja. Permukaan meja yang bersentuhan dengan buku juga memberikan Normal yang sama besarnya ke buku ke arah yang berlawanan sehingga benda tetap diam di atas meja.

F_aksi = -F_reaksi

W = N

Hukum aksi reaksi ini juga yang membuat burung yang ada di udara bisa melayang. Ketika mengepakkan sayapnya, burung sebenarnya berupaya mendorong udara ke bawah sehingga ia mendapatkan rekasi dari udara berupa gaya dorong ke atas. Gaya dorong ke atas ini yang membuat burung terbang.