LANDASAN TEORI, KERANGKA BERPIKIR DAN HIPOTESIS
A. LANDASAN TEORI
8. Bahan Ajar Dinamika partikel
Dalam kurikulum KTSP disajikan materi dinamika partikel sebagai kompetensi dasar yang harus dikuasai oleh peserta didik. Pada hakikatnya materi ini sebagai lanjutan dari konsep gerak suatu benda. Benda dikatakan bergerak apabila timbul perubahan kedudukan, tentu dalam proses benda bergerak akan timbul suatu percepatan atau kecepatan benda. Perlu digaris bawahi bahwa yang menyebabkan benda bergerak adalah suatu gaya yang diberikan oleh benda tersebut sehingga ketika benda masih memilki percepatan maka gaya akan tetap ada dalam benda itu. Dalam kehidupan sehari-hari manusia tidak akan lepas dari suatu gerakan. Partikel-partikel di jagad raya ini juga bergerak relative terhadap titik acuan tertentu. Pada tingkat SMA dinamika partikel dipandang penting untuk diajarkan. Selain dipandang sebagai bekal ilmu pengetahuan tentang hukum gerak Newton juga sebagai wahana untuk menumbuhkan kemampuan berpikir yang berguna untuk memecahkan masalah dalam kehidupan sehari-hari. Khususnya terkait dengan suatu dinamika partikel.
Dinamika partikel di awali oleh penemuan seorang ilmuan Fisika berkebangsaan Inggris (1687). Newton mengembangkan teori yang dikembangkan oleh Galileo. Galileo merupakan penemu pertama hukum yang melukiskan gerak sesuatu obyek apabila tidak dipengaruhi oleh kekuatan luar. Tentu saja pada dasarnya semua obyek dipengaruhi oleh kekuatan luar dan
commit to user
persoalan yang paling penting dalam ihwal mekanik adalah bagaimana obyek bergerak dalam keadaan itu. Masalah ini dipecahkan oleh Newton dalam hukum geraknya yang kedua dan dapat dianggap sebagai hukum fisika klasik yang paling utama. Hukum kedua (secara matcmatik dijabarkan dcngan persamaan F = m.a) menetapkan bahwa akselerasi obyek adalah sama dengan gaya netto dibagi massa benda. Terhadap kedua hukum itu Newton menambah hukum ketiganya tentang gerak (menegaskan bahwa pada tiap aksi, misalnya kekuatan fisik, terdapat reaksi yang besarnya sama dan berlawanan arah gayanya) serta yang paling terkenal penemuannya tentang kaidah ilmiah hukum gaya berat universal.
Suatu benda yang bergerak selalu dapat dinyatakan dalam besaran-besaran vektor r, v dan a. apabila suatu gerak ini dinyatakan tanpa mengetahui penyebab benda dapat bergerak maka pembahasan suatu dinamika gerak hanya bersifat geometris saja. Oleh sebab itu dalam pembahasan berikutnya akan di uraikan penyebab suatu benda dapat bergerak yang termasuk dalam suatu bagian mekanika disebut dengan dinamika. Dalam bagian dinamika desebut dengan istilah gaya dan massa. Dalam Haliday Resnick (1992:107) “ Gaya dinyatakan sebagai pengaruh lingkungan dan massa sebagai keengganan suatu benda untuk dipercepat bila dikenai suatu gaya, sifat ini sering disebut dengan inersia (kelembaman).” Untuk meninjau suatu konsep gaya gerak suatu benda maka dibagi dalam bentuk hukum-hukum Newton sebagai berikut ini:
a. Hukum Newton Pertama
Newton mengungkapkan hukum pertamanya dengan kata-kata “setiap benda yang tetap dalam keadaan diam atau bergerak lurus beraturan kecuali jika ia
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
39
dipaksa untuk mengubah keadaan itu oleh gaya-gaya yang berpengaruh padanya.” (Haliday Resnick,1992:109). Jadi jika suatu benda dalam keadaan diam atau bergerak dengan suatu kecepatan tetap maka resultan dari gaya-gaya yang bekerja adalah sama dengan nol atau secara matematis dapat disimbulkan dengan persamaan 2.1.
0
=
SF ………(2.1)
Pada persamaan (2.1) bisa disebut dengan kesetimbangan gaya. Misalnya seperti pada lampu yang digantung seperti pada gambar 2.2 Pada kasus semacam ini perlu sebuah diagram yang baik sehingga semua gaya yang dikerjakan pada benda dapat dinyatakan dengan anak panah yang mewakili besarnya suatu gaya.
Sebuah lampu dengan berat 50 N (gambar 2.2 a) menggantung pada suatu platform maka akan terjadi gaya tegangan tali sebesar T. Berdasarkan syarat komponen diagram titik maka lampu berada pada komponen sumbu Y (gambar 2.2 b). Sehingga dari pusat lampu akan terjadi gaya tegangan tali yang arahnya ke atas. Besarnya nilai tegangan tali T ini akan diibangi dengan gaya berat sebesar W yang arahnya menuju pusat bumi, maka resultan dari komponen Y itu harus sama
50 N
Gambar 2.2Gaya-gaya yang bekerja padabalok yang menggantung
T
W= 50 N
commit to user
dengan nol, sehingga gaya yang dikerjakan oleh tali pada lampu itu (T) secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut ini:
N W T W T W T F F Y y 50 0 0 = = -= -= S = S
Contoh lain dalam kehidupan sehari-hari adalah apabila ada seorang anak yang duduk dalam mobil diam maka anak itu juga akan ikut diam, namun mobil tiba-tiba bergerak maju badan anak akan terdorong ke belakang. Begitu pula apabila sedang duduk di mobil yang bergerak kemudian direm dengan tiba-tiba badan anak akan terdorong ke depan. Pada peristiwa pertama ini anak tersebut cenderung mempertahankan keadaannya untuk diam sedangkan pada peristiwa kedua anak tersebut cenderung untuk mempertahankan gerakannya. Sifat inilah yang dinamakan inersia atau kelembaman.
b. Hukum Kedua Newton
Pada bagian kedua ini suatu percepatan benda akan berpengaruh terhadap gaya yang diberikan pada benda. Atau suatu massa yang berbeda apabila diberikan sautu gaya yang sama bisa jadi menimbulkan percepatan yang berbeda. Untuk lebih memahami amatilah gambar 2.3
Pada gambar 2.3 dijelaskan bahwa (a) sebuah benda bermassa m kg dari keadaan diam dikenai gaya sebesar F = 4N yang besarnya diukur dengan neraca pegas ternyata benda itu bergerak dengan kecepanan v yang besarnya berubah-ubah tiap waktu. Sehingga timbul besarnya percepatan yang arahnya mengikuti
gaya sebesar t v a D D
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
41
dialami benda adalah
dt dv t v a t = D D = ®0
lim menuju ke kanan, jika gaya yang diberikan
konstan sebesar F maka kecepatan akan bertambah secara konstan. Agar nilai gaya yang diberikan tetap konstan apabila massa yang diberikan dua kali massa semula maka percepatan benda akan menjadi setengah kali semula. Jika massa benda setengah kali massa semula maka percepatan benda menjadi dua kali semula hal ini berjalan seterusnya dengan suatu perbandingan bahwa besarnya nilai massa berbanding terbalik dengan percepatan benda atau secara matematika
dapat diurakan m a¥ 1 .
Dalam gambar (2.3 b) kecepatan benda juga tetap menuju ke arah kanan, tetapi arah gaya ke kiri. Dalam kondisi ini benda akan berjalan lebih lambat (jika gaya tersebut terus bekerja pada akhirnya arah gerak benda akan diam dan jika gaya terus bekerja maka kecepatan benda akan berbalik arah ke kiri). Percepatan sekarang mengarah ke kiri sama dengan arah gaya F. Berdasarkan uraian di atas maka dapat disimpulkan bahwa besar percepatan berbanding lurus dengan gaya
Gambar 2.3 Percepatan a=dv/dtsebanding dengan gaya F dan arahnya
sama dengan arah gaya
F a v (b) m 4N a m (a) F v 4 N
commit to user
dan juga arah percepatan benda. Atau dengan kata lain bahwa perbandingan gaya dengan perubahan percepatan akan menunjukkan suatu nilai konstanta dengan persamaan 2.2 a F dt dv F m= = / atau a m dt dv m F= = ……….(2.2)
Pada persamaan (2.2) di atas lebih dikenal dengan persamaan hukum kedua Newton yang telah ditentukan dengan suatu eksperimen.
c. Hukum ketiga Newton
Dalam sifat gaya yang ketiga ini Newton dalam Haliday (1992:114) mengatakan bahwa “Untuk setiap aksi selalu terdapat reaksi yang sama besar dan berlawanan arah, atau aksi timbal balik satu terhadap yang lain antara dua benda akan sama besar, dan berarah ke bagian yang berlawanan.” Dalam perkataan lain jika benda A melakukan gaya pada benda B, maka benda B akan melakukan gaya pula pada benda A dengan gaya yang sama besar tetapi berlawanan arah. Perlu diingat bahwa gaya aksi dan reaksi selalu terjadi berpasangan dan bekerja pada benda yang berbeda. Sebagai contoh dapat ditampilkan pada gambar 2.4.
Pada gambar 2.5 sebuah layar monitor diletakkan di atas bidang datar maka akan terjadi suatu gaya normal sebesar n yang arahnya tegak lurus ke atas dari titik pusat meja segai rekasinya bekerja gaya monitor terhadap table (meja) Fmt. Sedangkan reaksi dari gaya gravitasi atau sama dengan gaya earth (bumi) terhadap monitor (Fg=FEm) adalah gaya dari pusat bumi menuju monitor (FmE).
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
43
Secara matematis hokum ketiga Newton dapat dijabarkan sebagai berikut ini
2 1 F
F =
Dengan memperhatikan devinisi dari hokum kedua newton, maka
1 2 2 1 2 2 1 1 2 2 1 1 ) ( a a m m a m a m dt dv m dt dv m -= -= ÷ ø ö ç è æ -= d. Gaya Gesekan
Gesekan sangat penting dalam kehidupan sehari-hari. Gesekan memiliki banyak keguanaan, di samping juga merugikan. Manusia dapat berjalan dan berlari karena juga adanya gaya gesekan antara kaki dan bidang. Gaya gesekan ini juga disebut dengan gaya kontak. Arah Gaya gesek selalu berlawanan dengan arah tarikan dan sejajar dengan bidang kontak. Gaya gesek ini selalau menghambat gerakanan suatu benda. Untuk lebih jelasnya perhatikan gambar 2.5.
Gambar 2.4 hukum III Newton bekerja pada sebuah layar monitor
commit to user
Perhatikan pada gambar 2.5 di atas pada balok yang diam dengan berat W bekerja gaya normal sebesar N diberikan gaya mendatar F yang bernilai kecil. Dengan gaya yang diberikan tadi ternyata benda belum bergerak, sehingga dapat dipastikan ada gaya lain yang menghambat sehingga balok tidak bergerak. Gaya hambat tersebut besarnya pasti sama dengan gaya F yang bekerja, tetapi arahnya berlawanan. Gaya hambat tidak mungkin lebih besar dari gaya F. Gaya hambat yang melawan gaya F dinamakan gaya gesek statis fs. besarnya nilai gaya gesek statis ini dipengaruhi oleh besarnya koefisien kontak permukaan benda (ms) dan berat benda atau dengan matematis besarnya gaya gesek statis adalah:
N
fs =ms ………(2.4)
Pada gambar 2.6 gaya F terus diperbesar, gaya gesek statis fs juga semakin besar dan melawan gaya F, sampai suatu saat gaya gesek statis mencapai nilai maksimum. Jika F terus diperbesar, gaya gesek statis berada pada nilai terbesar dan tidak mampu melawan gaya F sehingga balok mulai bergerak dengan percepatan a searah F. Gaya gesek yang bekerja pada suatu benda dipengaruhi oleh koefisien suatu bidang sentuh perhatikan Gambar 2.6. Koefisien gesek diberi lambang m, dan karena ada dua jenis gesekan, koefisien gesek juga ada dua, yaitu F = gaya tarik fS = gaya gesek
Gambar 2.5 Gaya gesek berlawanan dengan arah gerak benda N
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
45
koefisisen gesek statis (ms) dan koefisien gesek kinetis (mk). Dimana ms>mk. Hubungan antara gaya gesek dan koefisien gesek adalah.
N
fk =mk. ……….(2.3)
Besarnya perbandingan antara gaya gesek statis dan gaya gesek kinetis ditampilkan pada gambar 2.7.
Gambar 2.6 F > fs benda akan bergerak dengan percepatan a dan
gaya gesek yang bekerja adalah gaya gesek kinetis (fk)
a
fk
Gambar 2.7 grafik perbandingan antara gaya gesek static dan gaya gesek kinetic Sumber: Serway, 2009;131
commit to user
Pada gambar 2.7 merupakan grafik hubunngan antara besarnya gaya gesek (f) dan gaya yang diberikan terhadap suatu benda F. Jika suatu benda yang diam diberikan gaya yang kecil sebesar F maka benda akan cenderung mempertahankan posisi diamnya sebagaimana hukum I Newton. Gaya F ini akan ditahan oleh gaya gesek statis yang nilainya selalu sama besar. Pada gambar 2.7 ditunjukkan dengan terbentuknya grafik linier pada daerah static region. Jika gaya F terus diperbesar sampai benda tepat akan bergerak maka nilai fs telah mencapai nilai maksimal dan yang bekerja adalah gaya gesek kinetik. Pada gambar 2.7 ditandai dengan mulai turunya grafik dari keadaan puncak dan mulai stabil dapat dilihat pada daerah kinetic region.
e. Arah Gaya kontak
Dalam kehidupan sehari-hari yang dialamai oleh manusia ternyata letak suatu benda tidak selalu dalam bidang yang horizontal ada juga letak benda yang terdapat pada bidang miring, contohnya adalah ketika sebuah mobil melewati jalan yang miring ke atas atau ke bawah. Selain itu juga ada letak benda yang menempel pada bidang vertikal misalnya adalah papan tulis yang dipasang di dinding kelas.
Penguraian gaya kontak yang terjadi apabila benda terdapat pada bidang datar adalah digambarkan dalam Gambar 2.5 Jika suatu benda diletakkan pada bidang miring maka penguraian gaya-gaya yang bekerja adalah sebagaimana pada gambar 2.8
perpustakaan.uns.ac.id digilib.uns.ac.id
commit to user
47
Pada gambar 2.7 terjadi penguraian gaya-gaya terhadap subu x dan sumbu
y. karena letak benda miring maka sumbu x mengikuti bidang suatu benda dan sumbu y mengikuti gaya normal yang diberikan oleh benda.
Ketika gaya ditarik ke atas sebesar f, maka gaya yang berpenagruh pada benda tersebut adalah f dan mg sinq benda mempunyai kemungkinan untuk dapat bergerak ke atas dengan kecepatan v. Gaya normal (N) akan selalu tegak lurus terhadap bidang kontak besarnya sama dengan nilai mg cosq , arah gaya gesek sebesar f akan searah dengan bidang kontak dan berlawanan arah dengan f.
B. PENELITIAN YANG RELEVAN
Penelitian yang relevan berkenanaan dengan judul yang diambil adalah sebagai berikut ini:
1. Arni Astuti (2009) Tesis dengan judul “Pembelajaran Kimia dengan Model