DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN TIGA

3.3 Hukum III Newton DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN TIGA

Hukum ketiga Newton tentang gerak berbunyi, ”To everyaction there is always opposed an equal reaction: or the mutual actions of two bodies upon each other are always equal, and directed to contrary parts”–Law III, Principia, hal. 83.

Hukum ketiga Newton tentang gerak dapat diartikan sebagai, ”Untuk setiap aksi, selalu ada reaksi yang besarnya sama namun berlawanan arah: atau jika benda A mengerjakan gaya pada benda B maka benda B akan mengerjakan gaya pada benda A yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan”.

Pada hukum ketiga tersebut, Sir Isaac Newton mengungkapkan bahwa gaya yang hadir selalu berpasangan dengan besar yang sama, tetapi berlawanan arah.

Jika benda A mengerjakan gaya pada benda B (gaya aksi oleh A kepada B), maka benda B akan mengerjakan gaya pada benda A (gaya reaksi oleh B kepada A). Baca artikel sebelumnya!

Pasangan gaya inilah yang terkenal dengan sebutan gaya aksi-reaksi.

Gaya aksi dari benda A dialami oleh benda B, sedangkan gaya reaksi dari benda B dialami oleh benda A.

Gaya aksi dari benda A tidak pernah dialami oleh benda A itu sendiri. Demikian pula gaya reaksi dari benda B tidak pernah dialami oleh benda B itu sendiri.

Karena gaya aksi dan gaya reaksi bekerja pada benda yang berbeda keduanya tidak saling meniadakan.

Secara matematis Hukum III Newton dapat dituliskan sebagai berikut

Faksi = Freaksi

(6)

Berikut ini beberapa contoh pasangan gaya aksi-reaksi dalam kehidupan sehari-hari.

Contoh 1

Seseorang diam di lantai seperti tampak dalam Gambar 7. Jika massa orang adalah m maka gaya berat orang adalah w = mg.

Gaya berat merupakan gaya aksi ataukah gaya reaksi?

Pertanyaan ini mudah dijawab jika kita mengetahui benda yang mengerjakan gaya berat w dan benda yang mengalami gaya tersebut.

Gambar 7: Seseorang diam di lantai.

Gaya berat w dilakukan oleh Bumi kepada orang. Arah gaya berat adalah ke bawah menuju pusat massa Bumi.

Oleh karena itu gaya berat yang dialami orang adalah gaya aksi yang dikerjakan oleh Bumi kepada orang. Sebagai reaksinya orang mengerjakan gaya w¹ kepada Bumi.

Gaya w¹ yang dikerjakan orang kepada Bumi besarnya sama dengan gaya w tapi arahnya ke atas menuju pusat massa orang.

Gaya aksi w yang dikerjakan oleh Bumi membuat orang merasa ditarik oleh Bumi.

Sedangkan gaya reaksi w¹ yang dikerjakan oleh orang membuat Bumi merasa ditarik oleh orang.

Akan tetapi karena massa Bumi yang amat sangat besar membuat gaya reaksi yang dikerjakan semua benda di dekat permukaan Bumi, termasuk orang itu, tidak memiliki pengaruh yang berarti.

Tampak bahwa orang tidak ambles ke dalam tanah (Bumi), berarti ada gaya lain yang bekerja mengimbangi gaya tarik Bumi sehingga orang dalam keadaan setimbang.

Rupanya orang itu menekan lantai. Gaya yang dikerjakan oleh orang kepada lantai merupakan gaya aksi ataukah gaya reaksi?

Karena yang mengerjakan gaya adalah orang dan yang mengalami gaya itu adalah lantai maka gaya oleh orang kepada lantai merupakan gaya aksi. Baca artikel sebelumnya!

Besar dan arah gaya aksi yang dialami lantai sama denBaca artikel sebelumnya!gan gaya berat orang itu, yakni

Faksi = w = mg

(7)

Sebagai reaksinya, lantai mendorong orang dengan gaya reaksi yang besarnya sama namun arahnya berlawanan dengan gaya aksi, yakni ke atas

Freaksi = -Faksi = -mg

(8)

Gaya reaksi yang dikerjakan lantai dialami oleh orang. Gaya reaksi besarnya sama dengan gaya berat w tapi memiliki arah yang berlawanan.

Apabila kita membatasi tinjauan hanya pada orang maka gaya-gaya yang tidak dialami orang tidak perlu kita perhatikan.

Gaya-gaya yang dialami orang adalah gaya berat yang dikerjakan oleh Bumi dan gaya reaksi yang dikerjakan oleh lantai.

Oleh karena itu dapat diketahui resultan gaya yang dialami orang adalah

ΣF = Freaksi + w = -mg + mg = 0

(9)

Karena resultan gaya sama dengan nol maka orang dalam keadaan setimbang berupa diam di lantai.

Contoh 2

Seekor kelelawar hinggap di sebuah dahan pohon seperti tampak dalam Gambar 8.

Gambar 8: Seekor kelelawar bergelantungan di dahan.

Jika massa kelelawar adalah m maka gaya berat kelelawar adalah w = mg.

Gaya berat w dilakukan oleh Bumi kepada kelelawar. Arah gaya berat adalah ke bawah menuju pusat massa Bumi.

Oleh karena itu gaya berat yang dialami kelelawar adalah gaya aksi yang dikerjakan oleh Bumi kepada kelelawar.

Sebagai reaksinya kelelawar mengerjakan gaya w¹ kepda Bumi.

Gaya w¹ yang dikerjakan oleh kelelawar kepada Bumi besarnya sama dengan gaya w tapi arahnya ke atas menuju pusat massa kelelawar.

Gaya aksi w yang dikerjakan oleh Bumi membuat kelelawar merasa ditarik oleh Bumi.

Akan tetapi tampak bahwa kelelawar tidak jatuh ke tanah (Bumi).

Berarti ada yang dilakukan kelelawar supaya tidak jatuh.

Rupanya kelelawar bergelantung pada dahan pohon dengan kaki-kakinya.

Gaya kaki-kaki kelelawar merupakan gaya aksi ataukah gaya reaksi?

Gaya kaki-kaki kelewar dilakukan oleh kelelawar kepada dahan.

Oleh karena itu gaya kaki-kaki kelelawar yang dialami dahan adalah gaya aksi.

Besar dan arah gaya aksi yang dialami dahan sama dengan gaya berat kelelawar, yakni

Faksi = w = mg

(10)

Sebagai reaksinya, dahan mendorong kaki-kaki kelelawar dengan gaya reaksi yang besarnya sama namun arahnya berlawanan dengan gaya aksi, yakni ke atas

Freaksi = -Faksi = -mg

(11)

Gaya reaksi yang dikerjakan dahan dialami oleh kelelawar, sehingga resultan gaya yang dialami kelelawar adalah

ΣF = Freaksi + w = -mg +mg = 0

(12)

Oleh karena resultan gaya sama dengan nol maka kelelawar tidak jatuh ke tanah.

Perlu dicatat bahwa Persamaan (12) tidak selalu berlaku.

Jika karena suatu sebab dahannya patah sehingga kelelawar bersama dahan jatuh dengan percepatan g maka Persamaan (12) harus diganti dengan

ΣF = Freaksi + w = mg

(13)

Oleh karena itu, Freaksi = 0.

Contoh 3 DINAMIKA BAGIAN TIGA

Seekor burung penghisap madu sedang mencari makan pada bunga yang mekar dari tanaman liar seperti tampak dalam Gambar 9.

Mula-mula burung berada di tanah. Karena bunga berada di pucuk tanaman maka burung penghisap madu perlu terbang ke atas untuk mencapainya.

Agar terbang, burung penghisap madu mengepakkan kedua sayap untuk mendorong udara ke bawah.

Sehingga dapat diketahui, gaya aksi (Faksi) adalah gaya yang dikerjakan oleh sayap kepada udara sedangkan gaya reaksi (Freaksi) adalah gaya yang dikerjakan oleh udara kepada sayap.

Karena sayap adalah bagian dari tubuh burung maka tubuh burung turut mendapat gaya dorong ke atas.

Gaya lain yang dialami burung penghisap madu adalah gaya beratnya, w = mg.

Arah gaya berat adalah ke bawah menuju pusat massa Bumi. Baca artikel sebelumnya!

Gambar 9: Seekor burung terbang vertikal ke atas.

Jika didefinisikan arah gaya ke atas adalah positif dan arah gaya ke bawah adalah negatif maka gaya berat w adalah gaya negatif karena arahnya ke bawah menuju pusat massa Bumi.

Seandainya diketahui percepatan gerak ke atas burung penghisap madu adalah a maka resultan gaya yang dialami burung adalah

ΣF = Freaksi – w = ma

(14)

atau

Freaksi = (a+g)m

(15)

Tampak bahwa ketika Freaksi ¡ mg maka burung terangkat ke atas. Selanjutnya dapat diketahui gaya aksi yang dikerjakan sayap kepada udara adalah

Faksi = Freaksi = -(a+g)m

(16)

Setelah burung mencapai ketinggian yang ia inginkan gaya aksi mendorong udara masih perlu terus dilakukan, namun kini hanya untuk mengimbangi gaya berat.

Percepatan gerak burung ke atas menjadi

a = 0

(17)

sehingga gaya aksi yang dialami udara kini menjadi

Faksi = -mg

(18)

Karenanya sayap burung mengalami gaya reaksi sebesar

Freaksi = -Faksi = mg

(19)

Resultan gaya yang dialami burung adalah

ΣF = Freaksi – w = mg – mg = 0

(20)

Oleh karena resultan gaya sama dengan nol maka burung penghisap madu tetap melayang di udara (tidak jatuh ke tanah). Baca artikel sebelumnya!

Contoh 4 DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN TIGA

Beberapa saat setelah aba-aba perlombaan lari dimulai seorang atlet balap lari berlari dengan mencondongkan badanya ke depan seperti tampak dalam Gambar 10.

Gambar 10: Gestur seorang pelari beberapa saat setelah aba-aba perlombaan lari dimulai. Gaya A adalah gaya aksi oleh atlet kepada lantai. Gaya R adalah gaya reaksi oleh lantai kepada atlet.

Tahukan Anda mengapa atlet tidak jatuh tersungkur walaupun tubuhnya condong ke depan?

Atlet tidak jatuh tersungkur karena ia tidak hanya mengerjakan gaya kepada lantai secara horizontal ke belakang, akan tetapi gaya yang ia kerjakan juga memiliki komponen vertikal.

Sebagai reaksinya lantai yang ia pijak mengerjakan gaya tolak kepada tubuh atlet tidak hanya pada arah horizontal ke depan melainkan juga gaya tolak pada arah vertikal.

Agar tidak jatuh tersungkur maka resultan gaya pada arah vertikal yang dialami atlet sesaat sebelum lepas ke udara haruslah

ΣFy = Ry – w > 0

(21)

sehingga Ry > w.

Oleh karena gaya tolak ke atas sesaat sebelum lepas ke udara lebih besar dari gaya berat maka atlet tidak jatuh tersungkur ke lantai meskipun tubuhnya condong ke depan.

Namun itu baru satu langkah. Agar tidak jatuh tersungkur selama jalannya pertandingan maka altlet perlu menaati Hukum Newton pada Persamaan (21) sejak langkah pertama hingga mencapai garis finis.

Contoh 5 DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN TIGA

Seseorang mendorong kardus seperti tampak dalam Gambar 11.

Gambar 11: Sebuah kardus di atas lantai yang licin didorong seseorang yang mengenakan sepatu anti selip [?].

Sistem yang kita tinjau saat sekarang adalah gaya-gaya pada arah horizontal dari orang+kardus. Baca artikel sebelumnya!

Gaya-gaya pada arah vertikal adalah tetap seperti sediakala (seperti contoh-contoh sebelumnya) hanya saja saat sekarang tidak kita perhatikan.

Supaya kardus terdorong ke depan maka arah gaya oleh kaki kepada lantai adalah ke belakang sehingga lantai mengalami gaya sebesar Faksi.

Sebagai reaksinya, lantai mengerjakan gaya Freaksi kepada orang+kardus yang besarnya sama namun arahnya berlawanan.

Jika dimisalkan massa orang adalah 100 kg dan massa kardus adalah 50 kg dan gaya yang dilakukan orang kepada lantai adalah Faksi 300 N ke arah belakang, maka orang+kardus mengalami gaya reaksi oleh lantai sebesar Freaksi 300 N ke arah depan.

Percepatan orang+kardus adalah

(22)

Gaya yang dikerjakan lantai kepada orang+kardus tidak sama dengan gaya dorong yang dikerjakan orang kepada kardus.

Karena gaya yang dikerjakan oleh lantai dialami oleh orang+kardus sebagai satu kesatuan sistem.

Untuk mengetahui gaya dorong yang dikerjakan orang kepada kardus maka kita perlu memandang orang+kardus sebagai dua sistem terpisah.

Mengingat orang+kardus bergerak dengan percepatan yang sama yakni 2 m/s² maka gaya dorong yang dialami kardus (Faksi) dapat diketahui yakni

(23)

Sesuai Hukum III Newton tidak ada aksi yang tidak mendapat reaksi.

Sebagai reaksinya, kardus mengerjakan gaya kepada orang yang besarnya sama namun arahnya berlawanan,

Freaksi = -Faksi = -100 N

Sehingga resultan gaya yang dialami orang adalah

ΣF = Freaksi + Freaksi = 300 N – 100 N = 200 N

(25)

Tampak bahwa jika orang dan kardus dipandang sebagai dua sistem terpisah maka gaya yang dikerjakan oleh lantai kepada orang adalah 200 N dan kepada kardus adalah 100 N.

Melalui beberapa contoh di atas telah ditunjukkan bahwa gaya aksi dan gaya reaksi selalu bekerja pada benda yang berbeda sehingga tidak saling menetralkan. Kecuali jika kedua benda yang saling berinteraksi itu kita tinjau sebagai satu kesatuan sistem. Gaya reaksi bekerja pada benda yang melakukan gaya aksi, tidak pernah pada benda itu sendiri.

Referensi DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN TIGA

Disarikan dari berbagai sumber. Baca artikel sebelumnya!

BERSAMBUNG KE DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN EMPAT ==> MATERI TENTANG MACAM-MACAM GAYA

DINAMIKA BAGIAN TIGA, FISIKA DASAR 1, HUKUM NEWTON. Ditulis oleh Andri Sofyan Husein, S.Si, M.Si. Merupakan salah satu guru di BIMBELQ

DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN DUA

3 Pandangan Sir Isaac Newton (1643 –1727) DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN DUA

Pandangan Sir Isaac Newton tentang gerak secara lengkap dituliskan dalam karyanya yang berjudul Principia Mathematica Philosophiae Naturalis atau umum disingkat dengan Principia.

Edisi pertama Principia ditulis oleh Sir Isaac Newton dalam bahasa Latin. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN DUA

Terjemahannya dalam bahasa Indonesia adalah ”Prinsip-prinsip Matematika bagi Filsafat Alam”. Baca artikel sebelumnya!

Gambar 6: (kiri) Lukisan Sir Isaac Newton, sumber: express.co.uk. (kanan) Sampul Principia Edisi 1 pada 5 Juli 1686 sumber: wikimedia.

3.1 Hukum I Newton DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN DUA

Hukum pertama Newton tentang gerak, dalam bahasa Indonesia berbunyi, ”Setiap benda akan terus berada pada keadaan diam atau bergerak dengan kelajuan tetap sepanjang garis lurus jika tidak dipaksa untuk merubah keadaan geraknya itu oleh gaya-gaya yang bekerja padanya”.

Perhatikan potongan bunyi hukum pertama Newton berikut, ”Setiap benda akan terus berada pada keadaan diam atau bergerak dengan kelajuan tetap sepanjang garis lurus … ”.

Kalimat tersebut menegaskan kembali hukum kelembaman benda temuan Galileo.

Konsekuensi dari kelembaman adalah keadaan alamiah benda dapat berupa:

• Benda selamanya diam (tidak memiliki gerak).
• Benda selamanya bergerak dengan kelajuan tetap.

Potongan selanjutnya dari hukum pertama Newton berbunyi, ”…jika tidak dipaksa untuk merubah keadaan geraknya itu oleh gaya-gaya yang bekerja padanya”.

Kalimat tersebut menyiratkan pengertian gaya.

Gaya adalah penyebab perubahan gerak. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN DUA

Pandangan Aristoteles bahwa penyebab gerakan benda adalah gaya kembali menuai bantahan.

Apabila gaya-gaya yang bekerja pada suatu benda saling meniadakan maka benda itu tidak akan mengalami perubahan gerak.

Secara matematis hukum pertama Newton dapat dituliskan sebagai

ΣF = 0

(1)

dengan ΣF adalah resultan gaya yang bekerja pada benda. Baca artikel sebelumnya!

Contoh 1

Seekor siput bermassa 0,12 kg bergerak dengan kelajuan konstan melawan gaya gesek f sebesar . Tentukan besarnya gaya yang dikerjakan siput?

Besarnya gaya yang dikerjakan siput (Fsiput) harus sama dengan gaya gesek (f) agar siput dapat bergerak dengan kelajuan konstan. Menggunakan Hukum I Newton dapat diperoleh,

ΣF = Fsiput + Fgesek = 0

Arah gaya gesek adalah berlawanan dengan arah gerak siput, Fgesek f, sehingga diperoleh

Fsiput – f = 0, atau Fsiput = f =

3.2 Hukum II Newton

Hukum pertama Newton menyatakan bahwa gaya adalah penyebab perubahan gerak.

Selanjutnya, hubungan antara perubahan gerak benda dengan resultan gaya yang bekerja padanya dinyatakan oleh hukum kedua Newton.

Hukum kedua Newton tentang gerak berbunyi, ”The alteration of motion is ever proportional to the motive force impressed; and is made in the direction of the right line in which that force is impressed” –Law II, Principia, hal. 83.

Makna hukum kedua Newton tentang gerak dapat dituliskan sebagai, ”Resultan gaya yang bekerja pada suatu benda sama dengan laju perubahan momentum benda itu”.

Perubahan gerak dalam pandangan Sir Isaac Newton tidak hanya mencakup perubahan kecepatan akan tetapi hingga mencakup perubahan momentum (p), yakni

p = mv

(2)

dengan m adalah massa (kg) dan v adalah kecepatan (m/s). Secara matematis hukum kedua Newton dapat dituliskan sebagai berikut

(3)

dengan ΣF adalah resultan gaya, adalah laju perubahan momentum terhadap waktu (t).

Sebagai penghormatan atas kontribusinya yang luar biasa dalam ilmu dinamika, nama belakang Sir Isaac Newton digunakan sebagai nama satuan gaya. Baca artikel sebelumnya!

Satuan SI dari gaya adalah newton (N) atau sama dengan kg·m/s².

Substitusikan Persamaan (2) ke Persamaan (3) dapat diperoleh

(4)

dengan   adalah laju perubahan massa terhadap waktu (kg/s) dan adalah laju perubahan kecepatan terhadap waktu atau yang biasa disebut dengan percepatan (m/s²).

Saat ini hanya akan dibahas hukum kedua Newton dalam bentuk yang paling sederhana yakni

ΣF = ma

(5)

dengan m adalah massa benda (kg) dan a adalah percepatan (m/s²). DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN DUA

Perlu diketahui bahwa Persamaan (5) berlaku hanya untuk kasus khusus dimana gaya yang bekerja pada benda tidak mengakibatkan massa benda berubah.

Sebagai contoh adalah gerak jatuh apel dari dahan ke tanah akibat gaya tarik Bumi. Massa apel sebelum dan sesudah jatuh adalah sama, sehingga = 0.

Apabila gaya yang bekerja pada benda mengakibatkan massa benda berubah ( ≠ 0 ) maka hukum Newton yang berlaku adalah Persamaan (4).

Perubahan massa benda banyak terjadi dalam gejala mekanik.

Sebagai contoh adalah gerak roket. Roket bergerak dengan menyemburkan hasil pembakaran bahan bakarnya ke belakang.

Karena massa bahan bakar roket sekitar 80% dari massa roket secara keseluruhan maka perubahan massa roket relatif sangat besar.

Gejala mekanik dengan perubahan massa yang relatif kecil dapat dijumpai pada alat-alat transportasi jarak dekat-menengah misalnya sepeda motor, mobil, kereta api dll. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN DUA

Oleh karena massa bahan bakar alat-alat transportasi tersebut relatif kecil jika dibandingkan massa total maka gaya yang dikerjakan oleh mesin dapat dianggap tidak menyebabkan perubahan massa (perubahan massa diabaikan).

Besarnya gaya dapat dihitung menggunakan hukum kedua Newton pada Persamaan (5).

Pada abad ke-17, semasa Sir Isaac Newton hidup su²dah tentu belum ada roket. Gerak roket adalah salah satu contoh gejala mekanik yang melibatkan perubahan massa hingga 80% – 90% dari massa total. Baca artikel sebelumnya!

Pandangan Sir Isaac Newton mengenai arti perubahan gerak yang termaktub dalam hukum kedua tersebut terbukti sangat teliti.

Contoh 1

Seekor kepiting dari sungai merangkak ke daratan menggunakan empat pasang kaki sehingga menghasilkan percepatan . Jika diketahui massa kepiting adalah 0,2 kg dan gaya hambatan air dianggap konstan sebesar N, maka tentukan besarnya gaya yang dikerjakan sepasang kaki kepiting tersebut?

Diasumsikan sepasang kaki kepiting memberikan gaya sebesar F dan gaya hambatan air adalah f =  sehingga
berdasarkan Persamaan (5), dapat diperoleh DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN DUA

ma = ΣF = 4F + Fair

Arah gaya hambatan air adalah berlawanan dengan arah gerak kepiting, Fair = -f, sehingga

ma = 4F – f

atau

Contoh 2 DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN DUA

Seorang penggembala menarik binatang ternak dengan gaya sebesar 50 N agar bergerak lebih cepat dari sebelumnya.

Apabila binatang ternaknya adalah seekor gajah yang bermassa 5500 kg dan seekor kambing yang bermassa 100 kg, tentukan besarnya percepatan masing-masing binatang tersebut?

Diasumsikan binatang ternak berperilaku layaknya balok di atas lantai yang licin (tidak ada gesekan) sehingga besarnya percepatan dari masing-masing binatang ternak dapat ditentukan dengan Persamaan (5), yakni

Contoh 3 DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN DUA

Setangkup pisang dan sebutir apel masing-masing memiliki massa 1 kg dan 0,3 kg dijatuhkan dari suatu ketinggian.

Jika diketahui gaya tarik Bumi kepada pisang adalah Fg = 10 N dan gaya tarik Bumi kepada apel adalah Fg = 3 N dan gaya hambatan udara diabaikan maka tentukan besarnya percepatan jatuh kedua benda tersebut!

Menggunakan Hukum II Newton dapat diketahui bahwa percepatan jatuh pisang dan apel adalah sama yakni a= 10 m/s². Percepatan jatuh bebas oleh Sir Isaac Newton disebut dengan percepatan gravitasi (g = 9, 8 m/s²). Baca artikel sebelumnya!

BERSAMBUNG KE DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN TIGA

DINAMIKA BAGIAN DUA, FISIKA DASAR 1, HUKUM NEWTON BAGIAN DUA. Ditulis oleh Andri Sofyan Husein, S.Si, M.Si. Salah satu guru di BIMBELQ.

DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN SATU

HUKUM NEWTON DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN SATUDINAMIKA BAGIAN SATU

Penggambaran gerak benda dengan hanya meninjau posisi, kecepatan dan percepatan dinamakan kinematika. Dalam kinematika, kita sengaja mengabaikan penyebab gerakan benda. Benda melakukan gerak beraturan karena memiliki kecepatan yang tetap atau benda melakukan gerak berubah beraturan karena memiliki percepatan. Tapi, dari mana benda memperoleh kecepatan dan percepatan?

Gambar 1: Realita dan Kinematika. Kinematika tidak membahas besaran fisika penyebab gerakan benda.

Bab ini bertujuan untuk memperluas pandangan kita tentang gerak benda dengan cara melibatkan sumber yang menjadi penyebab gerakannya. Bidang ilmu fisika yang membahas hal demikian ini dinamakan dinamika. Kinematika dan Dinamika partikel bagian satu merupakan fondasi dari Mekanika.

1 Pandangan Aristoteles (384-322 S.M)

Sejarah mencatat upaya manusia mempelajari gerakan benda dimulai sejak Aristoteles, seorang filsuf Yunani kuno yang masyhur, menulis prinsip-prinsip umum tentang gerak.

Gambar 2: Lukisan Aristoteles oleh Francesco Hayez (1791–1882) sumber: Francesco Hayez/wikipedia.

Aristoteles berpandangan bahwa tanpa kehadiran penyebab sebuah benda tidak akan mengalami gerak. Jika sebuah benda mengalami gerak maka benda itu memiliki penyebab gerakan. Baca artikel sebelumnya!

Penyebab gerakan benda adalah gaya.

Gerakan benda oleh Aristoteles dikelompokkan menjadi dua jenis antara lain: gerak alamiah dan gerak terpaksa.

• Gerak alamiah
  • Gerak alamiah adalah gerak yang dialami benda oleh karena sifat alamiahnya. Sifat alamiah benda berasal dari kandungan tanah, air, udara, dan api yang pada masa itu diyakini sebagai unsur penyusun semua benda di alam ini (lihat Gambar 3).
  • Aristoteles memandang gejala gravitasi sebagai gejala tempat alamiah, yaitu tempat asal benda berdasarkan porsi empat unsur tersebut dalam benda. Jika sebuah benda tidak berada di tempat alamiahnya maka benda itu secara otomatis mengalami gerak alamiah untuk kembali ke tempat alamiahnya.
  • Sebagai contoh adalah gerak gelembung-gelembung udara yang dilepaskan dalam wadah berisi air. Karena porsi unsur udara dalam gelembung-gelembung udara lebih banyak dari unsur lainnya maka gelembung-gelembung udara akan menuju ke tempat alamiahnya yakni angkasa.

    

  • Gambar 3: Empat unsur penyusun alam: tanah, air, udara dan api. Masing-masing unsur penyusun alam tersebut dapat berubah menjadi unsur lainnya. Misalnya api (komposisi sifat panas dan kering) berubah menjadi abu apabila kadar panasnya berkurang hingga hanya menyisakan komposisi sifat kering dan dingin (tanah). Api dapat menjadi air dan demikian sebaliknya melalui dua tahap perubahan.
  • Contoh lain sebongkah batu dilepaskan dalam wadah berisi air. Karena porsi unsur tanah dalam batu lebih banyak dari unsur lainnya maka batu akan menuju ke tempat alamiahnya yakni tanah atau dalam hal ini dasar wadah.
  • Contoh lain sehelai bulu angsa dan sebongkah batu yang sama-sama dilepaskan dari ketinggian tertentu di udara akan jatuh ke tanah. Akan tetapi gerak jatuh bulu angsa tidak secepat batu. Hal itu dikarenakan porsi unsur tanah dalam bulu angsa tidak sebanyak porsi unsur tanah dalam batu.
• Gerak terpaksa
  • Gerak terpaksa adalah gerak yang dialami benda oleh karena adanya gangguan dari luar benda. Misalnya gerak benda karena ditarik atau didorong.

Pandangan Aristoteles tentang gerak dibantah oleh Galileo Galilei.

2 Pandangan Galileo Galilei (1564-1642) DINAMIKA BAGIAN SATU

Sebelum tahun 1600-an, masyarakat meyakini benda yang lebih berat apabila dijatuhkan dari ketinggian tertentu akan sampai ke tanah lebih cepat. Baca artikel sebelumnya!

Gambar 4: Lukisan Galileo Galilei oleh Ottavio Leoni pada 1624. sumber: Ottavio Leoni/wikipedia.

Keyakinan masyarakat tersebut berpijak pada pandangan Aristoteles, seorang filsuf Yunani kuno yang masyhur, mengenai gerak alamiah benda. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN SATU

Keyakinan masyarakat tersebut lestari hingga akhirnya dibantah oleh Galileo Galilei melalui pembuktian secara eksperimental.

Melalui eksperimen benda jatuh bebas Galileo memperlihatkan dengan jelas bahwa jika dua buah benda dengan bobot yang berbeda dijatuhkan dari ketinggian yang sama pada waktu yang sama pula maka kedua benda itu akan sampai ke tanah dalam waktu yang bersamaan.

Eksperimen Galileo yang melegenda ini konon dilakukan di menara condong Pisa, Italia.

Gambar 5: (kiri) Penggambaran eksperimen Gelileo tentang benda jatuh bebas dari menara condong Pisa, sumber: Pulsar/physics.stackexchange.com. (kanan) Foto menara condong Pisa dan katedral saat sekarang, sumber: Corbis/britannica.com.

2.1 Eksperimen Galileo Galilei Dinamika partikel bagian satu

Aristoteles berpandangan bahwa tanpa kehadiran penyebab sebuah benda tidak akan mengalami gerak.

Jika pandangan Aristoteles benar maka agar supaya benda dapat terus bergerak maka benda itu perlu terus diberi gaya (didorong atau ditarik). Baca artikel sebelumnya!

Jika dorongan atau tarikan pada benda dihentikan maka benda akan seketika itu juga berhenti.

Kesimpulan yang dapat diambil dari pandangan tersebut adalah:

• Keadaan alamiah semua benda adalah tidak bergerak (diam ditempatnya masing-masing).
• Benda bergerak dengan kecepatan tetap apabila mendapat gaya yang besarnya juga tetap.

Berdasarkan pengalaman sehari-hari, dua kesimpulan di atas memang terasa benar. Anda dapat membuktikan sendiri dengan menarik atau mendorong benda apa saja yang berada disekitar Anda: buku, smartphone, meja belajar dll.

Benda yang pada mulanya diam akan bergerak dan akan berhenti ketika Anda menghentikan tarikan atau dorongan, bukan begitu? Kesimpulan apa yang dapat Anda ambil dari peristiwa tersebut?

Jika Anda setuju dengan kesimpulan di atas maka bertambah satu follower Aristoteles 🙂

Galileo melakukan serangkaian eksperimen untuk menguji prinsip-prinsip gerak benda yang telah mengakar kuat di tengah masyarakat pada saat itu.Dinamika partikel bagian satu

Eksperimen 1: Bola menggelinding dari atas ke bawah melalui bidang miring.

Bola yang mula-mula tidak bergerak, saat dilepaskan, menggelinding ke bawah dengan kelajuan yang semakin lama semakin besar. Kelajuan bola itu bertambah dengan sendirinya (mengalami percepatan positif).

Alasan terkuat (bahkan barangkali alasan satu-satunya) bola mengalami percepatan positif adalah karena bola ditarik oleh gaya alamiah yang arahnya vertikal ke bawah. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN SATU

Gaya alamiah memiliki arah vertikal ke bawah sebab percepatan bola bernilai maksimum saat menggelinding secara vertikal ke bawah (benda jatuh bebas). Baca artikel sebelumnya!

Eksperimen 2: Bola menggelinding dari bawah ke atas melalui bidang miring.

Kelajuan bola yang menggelinding dari bawah ke atas berkurang dengan sendirinya (mengalami pecepatan negatif).

Alasan terkuat bola mengalami percepatan negatif dengan sendirinya adalah karena bola ditarik oleh gaya alamiah yang arahnya vertikal ke bawah. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN SATU

Hal ini sesuai dengan yang teramati pada Eksperimen 1: arah gaya alamiah adalah vertikal ke bawah.

Eksperimen 3: Berdasarkan hasil eksperimen 1 dan 2, seharusnya bola yang menggelinding pada bidang datar tidak memiliki alasan apapun untuk mengalami penambahan atau pengurangan laju.

Karena bola tidak mengalami penambahan atau pengurangan laju maka dikatakan bola bergerak dengan kelajuan tetap.

Karena kelajuan bola tetap maka seharusnya bola mampu terus bergerak selama-lamanya.

Kenyataan yang terjadi adalah laju bola berangsur-angsur berkurang dan pada akhirnya bola berhenti bergerak.

Penyebab laju bola berkurang tentu bukan karena gaya alamiah karena lantai yang dilalui bola tidak miring sebagaimana eksperimen 2.

Lalu apa yang menyebabkan laju bola berkurang? Galileo menyimpulkan penyebab berkurangnya laju bola adalah karena bola mengalami gesekan dengan lantai.

Apabila gesekan bola dengan lantai dapat ditiadakan maka secara teoretis bola akan bergerak dengan kelajuan tetap.

Selama bola tidak dipaksa berhenti oleh suatu sebab maka bola akan terus bergerak selama-lamanya.

Berpijak pada hasil-hasil dari serangkaian eksperimen tersebut Galileo berkeyakinan bahwa, benda tidak bergerak bukanlah satu-satunya keadaan alamiah yang mungkin terjadi. Baca artikel sebelumnya!

Eksperimen 4: Gambar paling atas memperlihatkan sebuah bola yang dilepas di tepi kiri akan menggelinding hingga berhenti di tepi kanan pada ketinggian yang sama dengan tepi kiri.

Gambar kedua memperlihatkan peristiwa yang sama kecuali kemiringan lantai sisi kanan diubah sehingga lebih landai dan panjang. Bola berhenti di sisi kanan dengan ketinggian yang sama dengan di sisi kiri.

Kenyataan bahwa bola berusaha mempertahankan catatan ketinggiannya di kedua tepi tanpa memedulikan jarak dan kelandaian yang telah ia tempuh tersebut merupakan perilaku alami yang menarik perhatian.

Selanjutnya, gambar paling bawah memperlihatkan keadaan di mana lintasan bola di sisi kanan diubah menjadi sepenuhnya datar.

Karena lintasan bola tidak menanjak maka tidak ada alasan kelajuan bola mengalami pengurangan.

Sebagai akibatnya, bola dapat terus bergerak ke kanan dengan kelajuan tetap selama-lamanya (dengan catatan pengaruh gesekan bola dengan lantai diabaikan).

Hasil-hasil eksperimen tersebut mengarah pada satu kesimpulan penting:

Bola memiliki kecenderungan untuk mempertahankan geraknya.

Hal tersebut tentu berlaku juga untuk benda-benda yang lain sehingga dapat ditarik kesimpulan bahwa secara umum suatu benda memiliki kecenderungan untuk mempertahankan geraknya. Dinamika partikel bagian satu

Gejala alam yang mengungkapkan kecenderungan benda tersebut oleh Galileo disebut inersia atau kelembaman.

Karena benda memiliki kelembamam maka keadaan alamiah benda tidak hanya tanpa gerakan.

Sebuah benda yang bergerak selama-lamanya adalah juga keadaan alamiah yang wajar.

Gejala alam yang oleh Galileo disebut kelembaman itu kelak menjadi inspirasi penting bagi Sir Isaac Newton. Baca artikel sebelumnya!

BERSAMBUNG KE DINAMIKA PERTIKEL BAGIAN DUA

DINAMIKA BAGIAN SATU, FISIKA DASAR 1, MATERI HUKUM NEWTON. Ditulis oleh Andri Sofyan Husein, S.Si, M.Si. Salah satu guru di BIMBELQ.