Gaya pada Fenomena di Sekitar Kita

3. Hukum III Newton

3.2.5. Gaya pada Fenomena di Sekitar Kita

Jika kita amati lebih dalam beberapa fenomena yang terjadi di sekitar kita sangat erat kaitannya dengan hukum-hukum fisika. Peristiwa yang sering kita lihat bahkan mungkin pernah kita alami dapat di bahas secara teoritis dalam ilmu fisika. Beberapa fenomena tersebut antara lain:

1. Tabrakan beruntun di jalan tol

Kita sering mendengar berita tentang tabrakan beruntun yang terjadi di jalan terutama di jalan tol dan menyebabkan beberapa kendaraan mengalami kerusakan baik di bagian depan ataupun di bagian belakang. Mengapa hal itu bisa terjadi?

Penyebabnya karena jarak antara kendaraan sangat dekat. Saat kendaraan di depan tidak ada masalah, mengatur jarak hingga 1 meter saja akan aman asal laju kendaraan

bagaimana jika kendaraan yang di depan mengalami masalah secara tiba-tiba? Apakah jarak 1 meter cukup untuk menghindari tejadinya tabrakan? Tentu saja tidak. Oleh karena itu, jika kita berkendara di jalanan jangan memacu kendaraan dengan kecepatan tinggi dan membuat jarak hanya beberapa meter dari kendaraan di depan kita agar kita bisa menghindari terjadinya kecelakaan.

Gambar 3.12 Tabrakan beruntun di jalan tol

Berapa jarak aman untuk menghindari terjadinya tabrakan? Jarak aman tersebut tergantung pada gaya yang dihasilkan oleh rem kendaraan. Kita coba menghitung gaya pengereman dengan ilustrasi sebagai berikut. Misalnya gaya pengereman mobil Avanza sekitar 13.500 N dengan massa sekitar 1,05 ton. Jika berisi satu penumpang kita bulatkan massanya menjadi 1.100 kg. Jika dilakukan pengereman maka perlambatan yang dihasilkan adalah sebagai berikut.

𝑎 = 𝐹 𝑚

=13.500 1.100

= 12,3 𝑚 𝑠²

Akan tetapi, secara psikologis rata-rata manusia memiliki efek kesadaran atas peristiwa sekitar 1 detik. Sejak melihat peristiwa sampai melakukan respons diperlukan waktu sekitar 1 detik. Jadi, sejak sopir melihat peristiwa di depannya hingga menginjak rem dibutuhkan waktu sekitar 1 detik sedangkan dalam selang waktu tersbut mobil sudah bergerak maju cukup jauh karena kecepatan yang tinggi.

Setelah itu mobil mengalami pengereman. Diasumsikan perlambatan konstan maka gerak maju selama pengereman dapat dihitung dengan persamaan benda yang bergerak dengan percepatan konstan. Sehingga kita dapat memperkirakan gerak maju kendaraan sejak melihat peristiwa sampai kendaraan kita berhenti.

Jika laju kendaraan adalah 100 km/jam – 27,8 m/s, maka jarak untuk berhenti sejak pengereman dilakukan adalah

∆𝑥 = 𝑣² 2𝑎

= (27,8)² 2 𝑥 12,3

= 31,4 𝑚

Karena sopir baru menyadari kejadian sekitar 1 detik sejak melihat kejadian maka ada waktu sekitar 1 detik mobil masih bergerak dengan laju 100 km/jam. Jarak tempuh selama selang waktu tersebut adalah

∆𝑥^′= 𝑣∆𝑡

= 27,8 𝑥 1

= 27,8 𝑚

Dengan demikian, jarak minimum yang harus dijaga oleh mobil di belakang agar tidak terjadi kecelakaan atau tabrakan beruntun sekitar 31,4 + 27,8 = 59 m. Tetapi ketika kita melintasi jalan tol, kita akan melihat betapa banyak kendaraan yang berjarak hanya beberapa meter walaupun kecepatannya di atas 100 km/jam. Setelah kamu mengetahui jarak aman bagi kendaraan, diharapakan kita lebih berhati-hati ketika berkendara dengan kecepatan tinggi agar dapat menghindari terjadinya kecelakaan.

2. Membuat gunung pasir

Pernahkah Anda memperhatikan gundukan beras yang berbentuk gunung di toko kelontong? Kita juga pasti pernah melihat anak kecil di pantai bermain gunung pasir.

Bagaiman gunung beras dan gunung pasir tersebut terbentuk?

Jika kita membuat gunung pasir menggunakan pasir kering maka kemiringan gunung tidak besar, tapi jika kita menggunakan pasir basah maka kita dapat membuat gunung pasir yang lebih terjal. Ketika membuat gunung pasir maka kita harus memperhatikan sudut maksimum kemiringan gunung pasir agar stabil. Jika sudut kemiringan lebih besar daripada sudut kritis maka akan terjadi longsor. Sudut kritis adalah sudut kemiringan lereng gunung pasir yang kita buat. Untuk menentukan sudut kemiringan gundukan pasir, Anda dapat menumpuk pasir hingga membentuk gunung, jika tidak ada pasir Anda dapat menggunakan beras, kacang, atau butiran lainnya.

Ketika kalian amati maka akan terlihat sebanyak apapun Anda menumpuk pasir atau beras atau lainnya maka sudut kemiringan lereng selalu konstan. Perhatikan gambar di

Gambar 3.14 Gundukan kacang hijau (atas) dan kedelai (tengah) membentuk gunung dengan sudut kemiringan lereng 30^o. Sedangkan gundukan beras membentuk gunung

dengan sudut kemiringan lereng 40^o. 3. Cicak/Tokek dapat menempel di dinding

Menurut ilmu biologi, cicak/tokek dapat menempel di dinding dikarenakan struktur kaki cicak/tokek yang mengandung rambut halus. Rambut halus tersebut berikatan dengan dinding, karena jumlah rambut halus pada kaki cicak/tokek sangat banyak maka ikatan yang dihasilkan sangat kuat. Bagaimana para ahli fisika memandang fenomena ini dari sudut ilmu fisika?

Gambar 3.15 Foto kaki cicak/tokek diambil menggunakan mikroskop elektron Adanya bulu halus yang membuat ikatan antara kaki cicak/tokek dengan dinding dapat kita paparkan menggunakan rumus sederhana. Penyebab utama ikatan adalah gaya antar atom di bulu halus kaki cicak/tokek dengan atom di dinding. Besarnya gaya antara kaki cicak/tokek dengan dinding bergantung pada jarak anatara atom di kaki cicak/tokek dengan atom di dinding serta jumlah atom yang berikatan. Jumlah atom yang berikatan dengan luas permukaan kontak anatara kaki cicak/tokek dengan permukaan dinding. Makin besar permukaan kontak maka makin besar gaya tarik.

Adanya bulu halus menyebabkan luas permukaan kontak kaki cicak/tokek dengan dinding meningkat. Besar peningkatan berbanding terbalik dengan jari-jari bulu halus.

Oleh karena itu, jika jari-jari bulu halus sangat kecil maka luas permukaan kontak akan sangat besar sehingga gaya tarik antara kaki cicak/tokek dengan dinding menjadi sangat besar.

Jika kita perkirakan secara kuantitatif, kita misalkan rambut-rambut di kaki cicak/tokek menekuk sehingga ujung bawahnya menempel tertidur di dinding, panjang tekukan ke dinding adalah s. Dimisalkan rambut pada kaki cicak/tokek berbentuk silinder dengan jari-jari r. Dimisalkan pula permukaan kaki cicak/tokek yang menempel memiliki ukuran panjang x dan lebar y. Kita dapat menghitung luas kaki cicak/tokek yang menempel adalah

𝐴 = 𝑥𝑦

Luas penampang satu rambut adalah a = ℼr². Sehingga jumlah rambut cicak/tokek yang menempel pada permukaan adalah

𝑁 =𝐴 𝑎

Lebar penampang memanjang rambut sama dengan diameter rambut. Sehingga luas kontak satu rambut dengan permukaan adalah (2r)s. Karena ada N buah rambut tertekuk yang kontak dengan permukaan maka luas efektif permukaan kontak rambut dengan permukaan menjadi

Persamaan di atas menunjukkan luas penampang kontak berbanding terbalik dengan akar luas penampang rambut. Hal ini berarti makin kecil luas penampang rambut maka luas penampang kontak makin besar.

3.3. RANGKUMAN

1. Pengertian gaya menurut ilmu fisika adalah tarikan atau dorongan yang kita lakukan pada suatu benda. Simbol dari gaya adalah F singkatan dari Force. Satuan gaya dalam SI adalah Newton (N) sebagai penghormatan kepada seorang ilmu Fisika Inggris yng bernama Sir Isaac Newton (1642-1771). Alat untuk mengukur besar gaya adalah neraca pegas atau dinamometer.

2. Gaya dapat pula digolongkan berdasarkan titik kerja gayanya. Gaya yang titik kerjanya

Sedangkan gaya yang titik kerjanya tidak bersentuhan dengan benda disebut gaya tak sentuh, seperti gaya gravitasi bumi, gaya magnet, dan gaya listrik statis.

3. Gaya gesek adalah suatu gaya yang berlawanan arah dengan gerak benda atau arah kecenderungan benda bergerak. Gaya gesek terjadi akibat adanya sentuhan antara dua buah benda. Simbol gaya gesek adalah f dan satuannya Newton (N). Besar gaya gesek dipengaruhi oleh keadaan permukaan benda yang saling bersentuhan. Permukaan yang kasar akan menghasilkan gaya gesek yang lebih besar daripada permukaan yang licin.

Besar gaya gesek dipengaruhi pula pada berat ringannya benda yang bergesekan.

4. Gaya gesek antara dua buah benda padat yang saling bergerak lurus terbagi menjadi dua macam yaitu gaya gesek statis dan gaya gesek kinetis. Gaya gesek statis didefinisikan sebagai gaya gesek yang timbul pada suatu benda selama benda tersebut diam. Secara matematis, rumus gaya gesek kinetis adalah sebagai berikut.

𝑓_𝑠 = 𝜇_𝑠. 𝑁

5. Jika gaya gesek statis timbul pada saat benda dalam keadaan diam, maka gaya gesek kinetis muncul ketika benda tersebut bergerak. Secara matematis, rumus gaya gesek kinetis adalah sebagai berikut.

𝑓_𝑘 = 𝜇_𝑘. 𝑁

6. Gaya pegas dalam ilmu fisika, didefinisikan dalam hukum hooker yang dihasilkan dari gagasan Robert Hooke. Secara matematis, rumus gaya gesek kinetis adalah sebagai berikut.

F = k.x

7. Konstanta pegas adalah besarnya pergerakan pegas saat terjadinya sebuah gaya.

Berbagai fenomena yang terjadi pada pegas antara lain regangan, mampatan, tegangan, hubungan gaya tarik terhadap Modulus Young, dan modulus elastis.

8. Pegas dapat disusun dengan dua cara yaitu susunan pegas seri dan susunan pegas paralel. Secara matematis, rumus susunan pegas seri sebagai berikut:

ks = ½ k

Sedangkan untuk persamaan n pada pegas dengan susunan seri adalah ks = k/n

Secara matematis, rumus susunan pegas paralel sebagai berikut.

kp = 2k

sedangkan persamaan n untuk pegas yang disusun paralel yakni kp = n.k

9. Gaya gravitasi bumi adalah jenis gaya yang paling utama, sebab persamaannya tidak dapat diturunkan lagi menjadi bentuk gaya yang lebih sederhana (gaya fundamental).

Untuk menghitung nilai gravitasi, kalian dapat memakai rumus yang berada di bawah ini.

𝐹 = 𝐺𝑚₁𝑚₂ 𝑟²

10. Ruang atau area yang dipengaruhi oleh gaya gravitasi disebut medan gravitasi, besarannya dinyatakan sebagai kuat medan gravitasi (g), yaitu gaya gravitasi tiap massa medan gravitasi, atau bisa disebut juga percepatan gravitasi. Secara matematis, rumus gaya gesek kinetis adalah sebagai berikut.

𝑔 = 𝐺𝑚

𝑟²

11. Ada tiga jenis gravitasi yang umum diketahui yaitu gravitasi Matahari, Bulan, dan Bumi. Gaya Gravitasi matahari sebesar 274 m/s². Gaya gravitasi Bulan tidak sebesar Matahari, namun tetap memiliki fungsi yang penting. Gravitasi Bulan menyebabkan pasang dan surut air laut. Gravitasi di Bumi berfungsi untuk menarik atmosfer serta menahannya sehingga makhluk hidup bisa bernapas dengan baik.

12. Gaya magnet adalah gaya yang ditimbulkan oleh dorangan dan tarikan dari magnet.

Berdasarkan sifat kemagnetannya, jenis bahan magnet secara umum terbagi menjadi dua, yaitu bahan magnetik (feromagnetik) dan bahan nonmagnetik. Feromagnetik adalah benda yang dapat ditarik dengan kuat oleh magnet. Bahan nonmagnetik terbagi atas (1) Paramagnetik adalah benda yang dapat ditarik dengan lemah oleh magnet kuat dan (2) Diamagnetik adalah benda yang menolak magnet. Benda ini tidak dapat ditarik sama sekali oleh magnet meski berada sangat dekat dengan magnet yang kuat.

13. Macam-macam magnet yang dapat kita temui dalam kehidupan sehari-hari, (1) Magnet batang, (2) Magnet silinder, (3) Magnet jarum, (4) Magnet U (magnet ladam), (5) Magnet cincin, dan (6) Magnet keping. Gaya magnet dapat dimanfaatkan pada alat-alat yang berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi gerak, misalnya motor listrik dan alat ukur listrik.

14. Gaya listrik didefinisikan sebagai gaya yang timbul akibat muatan listrik suatu benda.

Gaya listrik disebut juga dengan gaya Coulomb karena ditemukan oleh ahli fisika asal Perancis yang bernama Charles Augustin de Coulomb. bunyi Hukum Coulomb: “Besar gaya tarik-menarik atau tolak-menolak antara dua benda bermuatan

15. Apabila suatu benda akan mengalami perpindahan muatan saat benda benda tersebut berada dalam satu medan listrik. Gaya gerak listrik dapat didefinisikan sebagai perbedaan potensial ujung penghantar tanpa dialiri arus listrik. Gaya gerak listrik juga biasa disebut GGL. Ilmuan yang pertama menjelaskan temuan ini adalah Michhael Faraday.

Rumus Gaya Coloumb / Listrik

𝐹 = 𝑘𝑞₁𝑞₂

16. Ada beberapa cara mengukur gaya yang dapat kita lakukan untuk mengetahui sebuah gaya sebagai berikut:

1. Pahami hubungan antara gaya, massa, dan percepatan 2. Ukurlah massa benda yang diberikan.

3. Ukurlah percepatan benda.

4. Kalikan massa benda dengan percepatannya

17. Hukum Newton pertama kali dikemukakan oleh Sir Isaac Newton (1643 – 1722), seorang ahli fisika, matematika, dan filsafat asal Inggris. Hukum I Newton berbunyi “jika resultan gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol maka benda yang mula-mula diam akan tetap diam dan benda yang mula-mula bergerak lurus beraturan akan tetap bergerak lurus beraturan” Secara matematis, HK I Newton dinyatakan sebagai berikut:

∑ 𝐹 = 0

18. HK II Newton berbunyi “Jika ada resultan gaya yang bekerja pada sebuah benda, maka akan dihasilkan suatu percepatan dalam arah yang sama dengan resultan gaya.

Besarnya percepatan tersebut berbanding lurus terhadap resultan gaya dan berbanding

terbalik terhadap massa bendanya”. Secara matematis, HK II Newton ini dinyatakan sebagai berikut:

𝑎 =^{∑ 𝐹}

𝑚 atau ∑𝐹 = 𝑚. 𝑎

19. HK III Newton berbunyi “Jika benda I mengerjakan gaya terhadap benda II maka benda II mengerjakan gaya pada benda I yang besarnya sama, tetapi dengan arah yang berlawanan dengan arah gaya dari benda I”

𝐹₁ = −𝐹₂ 𝐹_{𝑎𝑘𝑠𝑖} = −𝐹_{𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖}

20. Gaya pada fenomena di sekitar kita antara lain, tabrakan beruntun yang terjadi di jalan terutama di jalan tol, membuat gunung pasir menggunakan pasir kering atau beras atau kacang hijau, dan cicak/tokek dapat menempel di dinding.

3.4. LATIHAN/TUGAS

Jawablah pertanyaan di bawah ini dengan baik dan benar!

1. Tuliskan ayat Al-Qur’an yang berkaitan dengan materi gaya selain ayat yang sudah disebutkan dalam buku ajar ini!

2. Sebuah pegas membutuhkan gaya 4,5 N untuk memampatkannya dari panjang 50 cm menjadi 45 cm. Hitunglah konstanta pegas, k!

3. Tiga buah pegas identik dengan konstanta elastisitas masing-masing 95 N/m disusun dengan secara paralel. Tentukan konstanta pegas pengganti dari rangkaian tersebut?

4. Tiga buah pegas memiliki masing-masing konstanta pegas 100 N/m, 200 N/m dan 400 N/m. Apabila ketiga pegas itu dirangkai secara seri, maka tentukan konstanta pegas penggantinya?

5. Ada planet A dan B dengan perbandingan masa yakni 2 : 3. Sementara untuk jari – jarinya berbanding 1:4. Apabila diketahui berat planet A adalah w, maka berapa berat benda pada planet B?

6. Apabila dua planet masing – masing bermassa 2 x 10²⁰ kg serta 4 x 10²⁰ kg, memiliki jarak antara kedua pusat planet sebesar 2 x 10⁵ km. Maka hitunglah besar gaya tarik menarik antara kedua planet tersebut!

7. Perbandingan kuat terhadap medan gravitasi bumi untuk dua benda, dimana satu di permukaan bumi serta satu yang lainnya berada di ketinggian berjarak ½ R dari permukaan bumi (R = jari-jari bumi) yaitu?

8. Bumi mengalami adanya percepatan gravitasi sebesar 9,8 m/s2. Hitunglah nilai percepatan gravitasi terhadap ketinggian R dari permukaan bumi? (R : jari-jari bumi)

9. Diketahui terdapat 2 planet yang bermassa berbeda yakni 4 × 1020 kg serta 2 × 1020 kg. Kedua planet tersebut mempunyai jarak 2×105 km. Berapa besar gaya gravitasi diantara kedua planet tersebut?

10. Dua buah titik A dan B berjarak 3 meter, masing-masing bermuatan listrik +4 x10-4 C dan -1 x10-4 C. Titik C terletak di antara A dan B, berjarak 2 meter dari A dan bemuatan listrik +3 x10-5 C. hitung besar gaya elektrostatis dari C!

3.5. RUJUKAN

Depdiknas. (2005). Ilmu Pengetahuan Alam-Fisika. Jakarta: Dirjen Dikdasmen

Kemendikbud. (2017). Aktif Bergerak; Ilmu Pengetahuan Alam Paket A Setara SD/MI Tingkatan II. Jakarta:

M.Pd.I. Romlah Dra. (1981). Ayat-ayat Al-Qur’an Dan Fisika, Journal of Chemical Information and Modeling, LIII.

Paul A. Tipler. (1998). FISIKA Untuk Sains Dan Teknik, ed. By Joko Sutrisno, 3rd edn (Jakarta: PT. Gelora Aksara Pratama).

Serway, R.A. (1982). Physics for Scientist and Engineers. Second Edition. Sounders College Publishing.

3.6. BACAAN YANG DIANJURKAN

David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker. (2010). FISIKA DASAR Edisi 7 Jilid 1, ed. by Wibi Hardani, Ade M. Drajat, Lemeda Sinarmata, 7th edn (Jakarta:

PT. Gelora Aksara Pratama)

BAB 4

Artinya: dan di bumi ini terdapat bagian-bagian yang berdampingan, dan kebun-kebun anggur, tanaman-tanaman dan pohon kurma yang bercabang dan yang tidak bercabang, disirami dengan air yang sama. Kami melebihkan sebahagian tanaman-tanaman itu atas sebahagian yang lain tentang rasanya. Sesungguhnya pada yang demikian itu terdapat tanda-tanda (kebesaran Allah) bagi kaum yang berfikir.” (QS. Ar Rad : 4)

Secara harfiah, ayat di atas tedapat suatu proses tumbuhnya pohon anggur, tanaman-tanaman, dan pohon kurma yang ada di kebun karena disirami dengan air dan mendapatkan sinar matahari yang cukup. Air dan sinar matahari menjadi energi bagi pepohonan teseut untuk tumbuh dan berbuah sehingga manusia dapat mengambil manfaat dari tumbuhnya pepohonan tesebut.

Dalam ilmu fisika, energi didefenisikan sebagai kemampuan untuk melakukan usaha. Pengertian usaha yang dimaksud berbeda dengan pengertian usaha yang digunakan sehari-hari. Usaha dalam ilmu fisika disebut juga dengan kerja, yaitu berkaitan dengan perpindahan dan gaya (tarikan atau dorongan). Seseorang dikatakan melakukan usaha (kerja) jika dia melakukan gaya terhadap suatu benda sehingga benda tersebut berpindah tempat.

Di alam ini, tersedia berbagai macam energi yang selalu berubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya. Sebagai contoh, energi air terjun dapat diubah menjadi energi listrik, energi listrik dapat diubah menjadi energi gerak pada kipas angin, energi kimia dalam tubuh yang berasal dari bahan makanan dapat diubah menjadi energi gerak ketika anda berlari, serta masih banyak lagi contoh lainnya. Energi tidak dapat diciptakan juga tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapat diubah dari satu bentuk energi kebentuk energi lain. Jadi, energi itu kekal adanya.

Pembahasan pada bab 4 ini meliputi: usaha (kerja), efek usaha (kerja) pada laju benda, energi, daya, serta perubahan energi dan sumber energi. Setelah mempelajari