DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN EMPAT

MACAM-MACAM GAYA DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN EMPAT

Pada pembahasan sebelumnya (HUKUM NEWTON) tampak bahwa keadaan gerak suatu benda diwarnai oleh beberapa macam gaya sekaligus. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN EMPAT

a. Gaya tolak oleh lantai dan gaya berat contohnya, mempengaruhi gerakan berlari atlet dan keadaan gerak orang yang diam di lantai.

b. Gaya tolak oleh udara dan gaya berat mempengaruhi gerak terbang vertikal burung.

c. Gaya otot dan gaya hambatan air mempengaruhi gerakan kepiting di dalam air.

Beberapa contoh di atas adalah pengingat bagi kita akan keberadaan macam-macam gaya di alam.

Bermacam-macam gaya yang ada di alam dapat dikelompokkan kedalam dua macam gaya antara lain:

Gaya-gaya sentuhan (contact forces)
- Benda yang mengerjakan gaya wajib bersentuhan secara fisik dengan benda yang mengalami gaya.
Gaya-gaya tidak sentuhan (field forces)
- Gaya yang bekerja antara dua benda tanpa dua benda itu wajib bersentuhan secara fisik.
- Contoh gaya berat, gaya listrik dan gaya magnetik.

Perbedaan antara gaya sentuhan dengan gaya tidak sentuhan sejatinya tidak setegas uraian di atas.

Penegasan tersebut dibuat supaya penguraian gaya-gaya yang bekerja pada benda makroskopis tidak berlarut-larut hingga wilayah mikroskopis. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN EMPAT

Sejatinya, ketika dua benda yang bersentuhan itu berukuran mikroskopis misalnya molekul atau atom, seluruh gaya-gaya sentuhan yang kita yakini bekerja pada dua benda tersebut ternyata merupakan perwujudan dari gaya listrik dan magnetik atau paduan keduanya yang disebut elektromagnetik. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN EMPAT

Gaya elektromagnetik merupakan gaya tidak sentuhan.

Ketika dua buah benda bersentuhan terjadi interaksi elektromagnetik antara molekul-molekul atau atom-atom yang berada di permukaan masing-masing benda itu. Baca artikel sebelumnya!

1. Gaya gravitasi DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN EMPAT

Teori gravitasi Newton menyatakan bahwa dua buah benda bermassa m1 dan m2 yang terpisah oleh jarak r sebagaimana tampak dalam Gambar 2, akan saling tarik dengan gaya sebesar

(1)

dengan G adalah tetapan gravitasi universal dan r adalah jarak antara dua pusat massa benda itu. Tetapan G adalah

Gambar 1: Gaya F12 adalah gaya gravitasi yang dialami benda 1(m1) oleh karena kehadiran benda 2 (m2). Gaya F21 adalah gaya gravitasi yang dialami benda 2 (m2) oleh karena kehadiran benda 1 (m1).

Tampak dalam Gambar 1, Gaya F12 dialami oleh benda 1 (m²) dan gaya F21 dialami benda 2 (m²). Baca artikel sebelumnya!

Besarnya gaya F12 adalah sama dengan F21 akan tetapi memiliki arah yang berlawanan. Arah F adalah menuju pusat massa benda 2 sedangkan arah F21 adalah menuju pusat massa benda 1.

Apabila massa benda tetap maka besar kecilnya gaya F antara dua benda hanya dipengaruhi oleh jarak, r. Karena besar kecilnya gaya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak maka hukum gravitasi Newton dikenal pula sebagai hukum kuadrat terbalik.

Misalnya diketahui dua buah bola memiliki massa m1 = m2 = 2 kg dan pusat massa kedua bola terpisah oleh jarak r = 20 cm, maka besar gaya tarik menarik antara kedua bola tersebut sebesar Gaya tersebut termasuk besar atau kecil?

Gaya tersebut termasuk sangat kecil dalam ruang lingkup keseharian. Sebagai perbandingan, seekor semut (jenis Oecophylla longinoda) sanggup mengerahkan gaya sekitar pada saat menahan bangkai anak burung yang bermassa 7 gram agar tidak jatuh.

Gambar 2: Seekor semut pekerja O. longinoda menahan bangkai seekor anak burung. sumber: J. Wojtusiak dkk/Tropical Zoology 8: 309-318, 1995.

Mengetahui kecilnya gaya gravitasi antara dua benda kecil semacam itu maka wajar apabila dalam keseharian interaksi gravitasi tidak teramati.

1.1 Gaya berat DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN EMPAT

Besarnya gaya gravitasi antara Bumi dengan sembarang benda bermassa m pada ketinggian h di atas permukaannya adalah

(2)

dengan G adalah tetapan gravitasi universal, MB adalah massa Bumi, m adalah massa sembarang benda dan RB adalah jari-jari Bumi.

Berlandaskan pada Hukum II Newton tentang gerak dapat diketahui besar percepatan yang dialami sembarang benda oleh karena gaya gravitasi Bumi adalah

(3)

Arah percepatan yang dialami sembarang benda itu menuju pusat massa Bumi. Baca artikel sebelumnya!

Tampak bahwa, percepatan yang dialami sembarang benda itu tidak bergantung pada massanya.

Apabila sembarang benda itu adalah sebongkah batu yang bermassa 2018 kg dan sebutir apel yang bermassa 0,3 kg maka percepatan yang dialami kedua benda tersebut besarnya sama dengan catatan gerakan benda tidak dipengaruhi gesekan udara.

Menggunakan Persamaan (3) serta dengan mengetahui jari-jari Bumi dan massa Bumi maka dapat diketahui besar percepatan yang dialami sembarang benda di dekat permukaan Bumi (h ≈ 0 m) oleh karena gaya gravitasi Bumi adalah

(4)

Besar percepatan yang dialami pusat massa Bumi oleh karena gaya gravitasi yang dikerjakan sembarang benda di dekat permukaan Bumi (h ≈ 0 m) adalah

(5)

Arah percepatan yang dialami Bumi menuju pusat massa sembarang benda itu. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN EMPAT

Tampak bahwa, jika jarak kedua benda tetap maka percepatan yang dialami Bumi bergantung pada massa sembarang benda itu.

Apabila massa sembarang benda itu tidak cukup besar maka percepatan yang dialami Bumi dapat diabaikan.

Informasi percepatan gravitasi Bumi pada berbagai ketinggian tampak dalam Gambar 3. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN EMPAT

Gambar 3: Percepatan gravitasi Bumi (g) yang dialami suatu benda semakin berkurang bila benda itu semakin jauh dari pusat massa Bumi.

Tampak bahwa:

Jika ketinggian↑ maka percepatan gravitasi↓
Jika percepatan gravitasi↓ maka gaya gravitasi↓
Jika gaya gravitasi↓ maka berat benda↓
Artinya adalah
Jika ketinggian↑ maka berat benda↓

Gejala kehilangan berat ini biasa dirasakan astronaut saat pesawatnya telah berada cukup jauh dari Bumi.

Saat kembali berada di Bumi, berat astronaut kembali seperti sedia kala.

Berat merupakan gaya gravitasi yang dikerjakan Bumi terhadap suatu benda.

Berat atau gaya berat memiliki lambang khusus yakni w sedangkan percepatan gravitasi juga memiliki lambang khusus yakni g.

Gaya berat (w) secara matematis dapat ditulis sebagai

w = mg

(6)

dengan w adalah gaya berat (N), m adalah massa benda (kg) dan g adalah percepatan gravitasi di tempat itu (m/s²). Arah gaya berat adalah menuju pusat massa Bumi. Baca artikel sebelumnya!

1.2 Gaya tidal

Penerapan teori gravitasi Newton pada benda-benda besar berhasil mengungkap keberadaan gaya yang bertanggung jawab atas berbagai gejala alam antara lain:

Pasang surut nya air laut di Bumi,
Deformasi (penyok atau pecah) pada komet saat melintas di dekat sebuah planet
Diduga menjadi penyebab terbentuknya cincin di sekitar Saturnus.

Gaya tersebut dinamakan gaya tidal. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN EMPAT

Keberadaan gaya tidal di Bumi oleh karena keberadaan Bulan (lihat Gambar 4) mengakibatkan air laut (warna biru) terangkat sehingga terjadi pasang naik di beberapa tempat dan pasang surut di tempat yang lain.

Keberadaan gaya tidal di Bulan oleh karena keberadaan Bumi mengakibatkan efek gravitasi yang disebut kancingan tidal (tidal locking).

Kancingan tidal mengancing periode rotasi dan periode orbit Bulan pada rasio 1:1.

Oleh karena periode rotasi dan periode orbit terkancing pada rasio tersebut wajah Bulan tampak selalu sama jika dilihat dari Bumi.

Gambar 4: Anak panah merah di Bumi menyatakan arah percepatan gravitasi Bulan di berbagai tempat di Bumi. Anak panah merah di Bulan menyatakan arah percepatan gravitasi Bumi di berbagai tempat di Bulan. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN EMPAT

Ukuran dan jarak Bumi-Bulan dalam Gambar 4 tidak menggunakan skala. Ukuran dan jarak Bumi-Bulan dengan menggunakan skala tampak dalam Gambar 5. Baca artikel sebelumnya!

Parameter-parameter Bumi-Bulan yang digunakan dalam Gambar 5 antara lain: jari-jari Bumi 6, 37 × m, jari-jari Bulan 1, 67 × m, jarak permukaan Bumi-Bulan 3, 83 ×