DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN LIMA

1.3 Gaya normal DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN LIMA

Tanaman hias diletakkan di atas dua macam meja sebagaimana tampak dalam Gambar 6. Ketika pot dari tanaman hias telah sepenuhnya menyentuh permukaan meja kemudian tidak beranjak dari posisinya maka tanaman hias berada dalam kesetimbangan gaya.

Sudah tentu terdapat proses untuk mencapai kesetimbangan gaya tersebut. Proses tersebut adalah:

• Tanaman hias dan meja tentu memiliki massa oleh karenanya masing-masing benda tersebut mengalami gaya berat.
• Gaya berat yang dialami tanaman hias adalah sebesar w. Gaya tersebut diteruskan ke bawah sehingga menekan permukaan meja.
• Meja mengalami gaya tekan oleh tanaman hias sebesar w¹
• Apabila tidak segera dibuat batasan maka gaya berat yang dialami meja perlu dilanjutkan dengan meja menekan lantai dan seterusnya hingga kerak Bumi yang paling dasar. Oleh karena itu perlu dibuat batasan mengenai sistem mekanis yang ditinjau. Sistem mekanis yang ditinjau saat sekarang adalah tanaman hias.
• Sebagai reaksinya, meja melakukan gaya N yang besarnya sama dengan gaya yang ia terima yakni w¹ tetapi dengan arah yang berlawanan. Baca artikel sebelumnya!

  

  Gambar 6: Tanaman hias di atas meja. (kiri) meja kayu tebal. (kanan) meja kayu tipis.

Gaya N inilah yang disebut gaya normal. Gaya normal yang dikerjakan oleh meja diterima tanaman hias sehingga total gaya yang dialami tanaman hias adalah DINAMIKA BAGIAN LIMA

ΣF = N – w

(7)

Tampak bahwa tanaman hias berada dalam kesetimbangan gaya. Oleh karena tanaman hias berada dalam kesetimbangan gaya maka sesuai Hukum I Newton resultan gaya yang dialami tanaman hias sama dengan nol yakni

N – w = 0

(8)

Sehingga, besarnya gaya normal yang dikerjakan oleh meja dapat diketahui, yakni

N = w = mg

(9)

Persamaan (9) menunjukkan besarnya gaya normal sama dengan berat tanaman hias namun arah gaya normal berlawanan dengan arah gaya berat.

Gambar 6 bagian kanan menggambarkan tanaman hias di atas meja kayu tipis.

Tampak bahwa permukaan meja kayu tipis sedikit mencekung sehingga tanaman hias tertahan agak di bawah.

Meskipun tanaman hias tertahan agak di bawah besarnya gaya normal yang dikerjakan meja kayu tipis sama dengan besarnya gaya normal yang dikerjakan meja kayu tebal.

Misalnya meja tempat tanaman hias tersebut sedang mengalami gerak vertikal dengan kecepatan konstan (v = konstan, a = 0) maka sesuai Hukum I Newton tanaman hias di atas meja tetap dalam keadaan setimbang (ΣF = 0).

Oleh karena itu besar gaya normal tetap sama dengan berat tanaman hias.

Namun jika meja mula-mula dalam keadaan diam (v = 0) kemudian diangkat ke atas (v ≠ 0) maka meja mengalami percepatan (a ≠ 0) sehingga besar gaya normal tidak lagi sama dengan berat tanaman hias meskipun perbedaanya cukup kecil.

Contoh 1 DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN LIMA

Pada saat menaiki elevator kita merasakan sensasi berat yang berbeda. Pada saat elevator bergerak naik kita merasa berat tubuh kita bertambah. Sedangkan saat elevator bergerak turun kita merasa berat tubuh kita berkurang.

Apakah sensasi tersebut nyata? Artinya berat tubuh kita saat elevator bergerak naik memang bertambah ataukah hal itu hanya perasaan kitanya saja?

Sebagaimana telah kita ketahui, berat merupakan gaya gravitasi yang dikerjakan oleh Bumi kepada suatu benda.

Akan tetapi sensasi berat tidak akan ada jika gravitasi berkerja sendirian. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN LIMA

Jika gravitasi berkerja sendirian maka benda itu akan jatuh bebas ke pusat gravitasi Bumi.

Benda yang jatuh bebas tidak memiliki cara untuk mengetahui gaya berat yang dikerjakan Bumi kepadanya.

Sensasi berat timbul manakala terdapat benda lain (benda kedua) yang mau mengerjakan gaya sentuhan kepada benda pertama agar tidak jatuh bebas.

Oleh karena itu sensasi berat yang dialami, diketahui, dinikmati, diderita, suatu benda (benda pertama) berasal dari benda lain (benda kedua).

Jika ternyata lantai yang menahan benda itu maka yang mengalami, mengetahui, menikmati berat benda itu adalah lantai.

Sebagai reaksinya lantai mengerjakan gaya normal kepada benda itu. Baca artikel sebelumnya!

Besarnya gaya normal yang dikerjakan lantai saat kita berdiri di atasnya dapat diukur dengan timbangan.

Ketika Anda berdiri di atas timbangan maka berat tubuh Anda akan dialami, diketahui, dinikmati, diderita oleh timbangan.

Sebagai reaksinya timbangan mengerjakan gaya normal kepada tubuh Anda.

Gaya normal yang dikerjakan timbangan kepada tubuh Anda besarnya sama dengan berat tubuh Anda.

Gaya normal oleh timbangan inilah yang Anda alami, ketahui, nikmati sebagai berat tubuh Anda.

Bagaimana jika seandainya lantai yang Anda pijak mengerjakan gaya normal yang besarnya tidak sama dengan berat tubuh Anda? Apa yang Anda akan rasakan?

Satu contoh ketika besarnya gaya normal dapat berbeda secara ekstrem dengan gaya berat ada pada gerak vertikal sebuah roket.

Bayangkan Anda adalah seorang astronaut yang sedang berdiri pada lantai sebuah kapsul. Gambar 7 memperlihatkan seorang astronaut Indonesia berdiri tegak pada lantai sebuah kapsul di dalam roket yang sedang bergerak vertikal.

Gaya-gaya yang bekerja pada sistem roket setelah disederhanakan tampak dalam Gambar 7, antara lain:

• Gaya aksi (Faksi) roket menyemburkan gas dari ruang pembakaran ke udara bebas atau ruang angkasa
• Gaya normal (N) oleh lantai kapsul kepada astronaut
• Gaya berat astronaut (w)

Dimisalkan arah percepatan vertikal ke atas adalah positif dan arah percepatan vertikal ke bawah adalah negatif.

Sesaat sebelum roket diluncurkan, astronaut berada dalam kesetimbangan gaya, sehingga berlaku Hukum I Newton

ΣF = 0

(10)

atau

N – w = 0

(11)

Besarnya gaya normal yang dialami astronaut

N = w = mg

(12)

Gaya normal yang dialami astronaut sama dengan gaya beratnya.DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN LIMA

Selanjutnya roket bergerak vertikal ke atas meninggalkan Bumi dengan percepatan a (percepatan positif berarti arah percepatan roket adalah ke atas atau menjauhi pusat gravitasi Bumi) sebagaimana tampak dalam Gambar 7.

Gambar 7: Seorang astronaut di dalam sebuah kapsul yang bergerak vertikal meninggalkan Bumi.

Sesuai Hukum II Newton, resultan gaya yang dialami astronaut ialah

ΣF = ma

(13)

atau

N – w = ma

(14)

Besarnya gaya normal yang dialami astronaut

N = mg + ma = m(g+a)

(15)

Karena roket dipercepat ke atas sebesar a > 0 maka gaya normal yang dialami astronaut lebih besar dari gaya beratnya, atau N > w.

Sebagai contoh roket dipercepat ke atas sebesar a = 5g.

Gaya normal yang dialami astronaut sebesar N = m(5g + g) = 6mg, yakni 6 kali beratnya saat itu.

Seandainya astronaut mengalami pertambahan berat itu di dekat permukaan Bulan maka yang ia rasakan adalah beratnya kurang lebih sama dengan berat saat ia berada di Bumi. Karena percepatan gravitasi di Bulan sekitar 1/6 kali percepatan gravitasi di Bumi.

Akan tetapi karena terjadinya pertambahan berat itu di dekat permukaan Bumi maka ia merasa tubuhnya enam kali lebih berat dari biasanya.

Hal tersebut merupakan gejala alam yang nyata dan bukan perasaan astronautnya saja.

Seorang astronaut telah dilatih untuk mengalami hal tersebut dalam kamar sentrifugal. Baca artikel sebelumnya!

Ekspresi seseorang dalam kamar sentrifugal tampak dalam Gambar 8.

Gambar 8: Ekspresi seorang pilot saat menderita percepatan sentrifugal. Besar percepatan sentrifugal dari kiri ke kanan berturut-turut adalah 1,3 g, 4,3 g dan 7,0 g, dengan 1 g = 9,81 m/s². sumber: szoltam/YouTube.

Roket buatan Indonesia ini kebetulan menganut metode VTOL (vertical take-off and landing) atau lepas landas dan mendarat secara vertikal. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN LIMA

Oleh karena itu roket meninggalkan Bumi dan menuju suatu planet secara vertikal.

Misalnya gaya gravitasi oleh planet tertuju menarik roket dengan percepatan yang relatif kecil karena jarak yang masih cukup jauh sedangkan gaya aksi oleh mesin belum dipadamkan maka roket mengalami percepatan yang lebih besar dari percepatan gravitasi planet tertuju.

Gerak dipercepat roket menuju suatu planet tampak dalam Gambar 9.

Gambar 9: Seorang astronaut di dalam sebuah kapsul yang bergerak vertikal menuju suatu planet.

Jika percepatan yang dialami roket sebesar a (tanda negatif menyatakan arah percepatan gerak roket searah gaya berat astronaut) maka sesuai Hukum II Newton, resultan gaya yang dialami astronaut ialah

ΣF = -ma

(16)

atau

N – w = -ma

(17)

Besarnya gaya normal yang dialami astronaut

N = mg – ma = -m(a – g)

(18)

Oleh karena a > g maka arah gaya normal yang dialami astronaut adalah negatif. Artinya gaya normal searah dengan gaya berat.

Supaya percepatan gerak jatuh bebas roket terkendali dibawah percepatan gravitasi planet (a < g) maka semburan gas dari mesin pendorong dihadapkan ke bawah (ke arah pusat gravitasi planet tertuju) sebagaimana tampak dalam Gambar 10. Baca artikel sebelumnya!

Gambar 10: Seorang astronaut di dalam sebuah kapsul yang bergerak vertikal sebelum mendarat di suatu planet.

Jika percepatan yang dialami roket sebesar a (tanda negatif menyatakan arah percepatan gerak roket searah gaya berat astronaut) maka sesuai Hukum II Newton, resultan gaya yang dialami astronaut ialah

ΣF = -ma

(19)

atau DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN LIMA

N – w = -ma

(20)

Besarnya gaya normal yang dialami astronaut

N = mg – ma = m(g – a)

(21)

Oleh karena a < g maka arah gaya normal yang dialami astronaut adalah positif.

Artinya gaya normal berlawanan arah dengan gaya berat.

Jika tidak ada gaya aksi oleh roket maka nilai a pada Persamaan (21) dan (18) otomatis akan sama dengan nilai g (a = g) sehingga gaya N = 0. DINAMIKA PARTIKEL BAGIAN LIMA

Artinya tidak ada gaya normal yang dialami astronaut karena astronaut dan (lantai) kapsul ditarik oleh gravitasi planet dengan percepatan yang sama besar.

Jika astronaut tidak mengalami gaya normal maka tidak ada cara untuk mengetahui beratnya.

Astronaut memiliki berat akan tetapi pada keadaan itu ia tidak dapat mengetahui gaya berat yang dikerjakan planet kepadanya.

Oleh karena itu untuk sederhananya dapat dikatakan astronaut tidak memiliki berat. Baca artikel sebelumnya!

Penting untuk di catat bahwa nilai percepatan gravitasi, g, pada Persamaan (21), (18) dan (15) adalah nilai percepatan gravitasi lokal sesuai tempat keberadaan astronaut Indonesia itu diantara planet-planet.

BERSAMBUNG KE DINAMIKA BAGIAN ENAM

DINAMIKA BAGIAN LIMA, FISIKA DASAR, MACAM-MACAM GAYA. Ditulis oleh Andri Sofyan Husein, S.Si, M.Si. Merupakan salah satu guru di BIMBELQ.