BAB II. LANDASAN TEORI
B. Kajian Teori
8. Materi Pelajaran
Mekanika klasik atau mekanika Newton adalah teori tentang gerak yang didasarka pada konsep massa dan gaya dan hukum-hukum yang menghubungkan konsep-konsep fisis ini dengan besaran kinematikaperpindahan, kecepatan, dan percepatan. Semua gejala dalam mekanika klasik dapat dijelaskan hanya dengan menggunakan tiga hukum sederhana yang dinamakan hukum Newton tentang gerak.
a. Hukum Pertama Newton
Hukum Pertama Newton menyatakan bahwa sebuah benda dalam keadaan diam atau bergerak dengan kecepatan konstan akan tetap diam atau akan bergerak dengan kecepatan konstan kecuali ada gaya eksternal yang bekerja pada benda itu.
Secara matematis hukum 1 Newton dinyatakan sebagai
= 0 (1)
Gambar 3. Permukaan licin berlapis lilin pada gambar kanan memperkecil gesekan, dan keping akan meluncur lebih jauh dari
Jika anda meluncurkan sebuah keping hoki pada permukaan meja datar, dengan memberikan gaya horizontal dengan tangan Anda (gambar 3). Setelah Anda berhenti medorong , keping tersebut tidak akan terus bergerak; namun akan melambat dan akhirnya berhenti.untuk menjaganya tetap bergerak, Anda harus tetap mendorong (yaitu terus memberikan gaya). Tapi, jika keping hoki diletakkan pada bidang yang licin berlapis lilin maka keping tersebut akan melaju lebih jauh sebelum akhirnya berhenti. Pada setiap kasus, yang membuat lambat adalah gesekan, yaitu interaksi antara permukaan bawah keping dengan permukaan di mana keping tersebut meluncur (Young, 1999: 96).
Gambar 4. Eksperimen Galilleo dengan bola-bola yang menggelinding turun dan naik bidang miring
Galileo mempelajari gerakan dengan melakukan eksperimen di mana ia menggelindingkan bola naik dan turun bidang miring. Ia menemukan, misalnya jika bola digelindingkan menuruni bidang miring, kelajuannya bertambah dengan jumlah yang sama dan dalam selang waktu yang sama. Gambar 3 menunjukkan sebuah bola menggelinding menuruni sebuah bidang miring dan naik bidang lain. Bola menggelinding naik bidang miring kedua sampai hampir
ketinggian yang sama ketika ia mulai, tanpa peduli kemiringan masing-masing bidang miring. Karena kemiringan bidang miring kedua dikurangi, bola menggelinding semakin jauh. Newton menyatakan hasil ini sebagai hukumnya yang pertama (Tipler, 1991:88).
Kecenderungan objek untuk bertahan pada keadaan gerak semula atau kecenderungan objek untuk melawan perubahan pada keadaan gerak semula disebut dengan inersia.
Gambar 5. Seorang pengendara motor yang terlempar dari motornya ketika motornya menabrak mobil
Dari hukum tersebut bisa diambil kesimpulan bahwa benda memiliki sifat untuk mempertahankan geraknya (diam atau bergerak) seperti ditunjukkan oleh gambar 5. Pada gambar 5 di gambarkan bahwa seorang pengendara motor yang menabrak mobil akan bertahan pada gerakannya saat ia mengendarai motor. Inilah yang disebut sebagai kelembaman atau inersia (kemalasan) (Kanginan, 2007: 107).
b. Hukum kedua Newton
Hukum pertama dan kedua Newton dapat dianggap sebagai definisi gaya. Gaya adalah suatu pengaruh pada sebuah benda yang menyebabkan benda mengubah kecepatannya (Tipler, 1991:91).
Hukum kedua Newton berbunyi percepatan yang dihasilkan oleh resultan gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding lurus dengan resultan gaya, searah dengan resultan gaya, dan berbanding terbalik dengan massa benda (Kanginan, 2007: 109). Hal ini ditunjukkan oleh gambar 6.
Gambar 6. Mobil menuruni bidang miring
Secara matematis, hukum kedua Newton dinyatakan dengan
= (2)
Satuan SI untuk gaya adalah Newton (disingkat N), untuk
massa dalam kg, dan pecepatan dalam m/s2. Jika satuan-satuan ini Anda masukkan ke dalam persamaan (2), akan diperoleh.
1 N = (1 kg)(1m/s2) 1 N = 1kg m/s2
Gambar 7. Balok kecil akan menarik balok yang lebih besar karena adanya gaya berat
Gaya yang paling umum dalam pengalaman kita sehari-hari adalah gaya tarikan gravitasi bumi pada sebuah benda. Gaya ini dinamakan berat benda, w. Jika kita menjatuhkan sebuah benda sebuah benda dekat permukaan bumi dan mengabaikan resistansi udara sehingga satu-satunya gaya yang bekerja pada benda itu adalah gaya karena gravitasi, benda dipercepat ke bumi dengan percepatan 9,81 m/s2. Pada tiap titik di ruang, percepatan ini sama untuk semua benda, tak bergantung pada massanya. Kita namakan percepatan ini g. Dari hukum kedua Newton, kita dapat menulis
= (3)
Gambar 7 menjelaskan gaya berat. Dengan adanya gaya berat, maka benda yang lebih kecil mampu menarik benda yang lebih besar. Jika dimisalkan benda yang lebih besar memiliki m1 dan benda yang lebih kecil memiliki m2. Karena balok pada meja tidak memiliki Percepatan Vertikal n dan m1g harus saling mengimbangi. Jika arah ke bawah adalah arah positif untuk percepatan a2 balok ini,
maka hukum kedua Newton memberikan m2g-T = m2a2. Karena kelajuan balok-balok tersebut adalah sama, percepatan a1 dan a2
haruslah sama besarnya (tetapi tidak arahnya), misalkan besarnya disebut a. Maka kita mempunyai persamaan
a = (4)
− = (5)
Dengan demikian kita mendapatkan
− = (6)
atau
= (7)
Dengan menggunakan a = g dan menulis w untuk gaya gravitasi kita dapatkan persamaan 3 (Tipler, 1991:94).
Jika anda mendorong sebuah kotak besar yang diam di atas lantai dengan sebuah gaya horizontal kecil, maka mungkin saja kotak tak bergerak sama sekali. Alasannya karena lantai melakukan gaya horizontal yang dinamakan gesekan statis fs, yang mengimbangi gaya yang anda kerjakan (gambar 8). Gaya gesekan ini disebabkan oleh ikatan molekul-molekul kontak dan lantai di tempat terjadinya kontak yang sangat erat antara kedua permukaan. Gaya ini berlawanan arah dengan gaya luar yang dikerjakan. Gaya gesekan statik agak mirip dengan gaya pendukung yang dapat menyesuaikan diri dari nol sampai suatu gaya maksimum fs maks, bergantung pada
seberapa kuat anda mendorong. Jika anda mendorong cukup kuat, kotak akan meluncur di atas lantai. Jika kotak meluncur, ikatan molekuler secara terus menerus dibentuk dan dipecah, dan potongan-potongan kecil permukaan berpecahan. Hasilnya adalah sebuah gaya gesekan kinetik fk (dinamakan juga gesekan luncuran) yang melawan gerakan (Tipler, 1991:122-123).
Gaya gesekan statik maksimum fs,maks sebanding dengan gaya normal antara permukaan-permukaan:
m , = (8)
dengan dinamakan koefisien gesekan statik. Koefisien gesekan satatik ini bergantung pada sifat permukaan kotak dan lantai. Jika kita mengerjakan gaya horizontal yang lebih kecil dari fs, maks pada kotak, gaya gesekan akan tepat mengimbangi gaya horizontal ini, secara umum kita dapat menulis
m , ≤ (10)
Gaya gesekan kinetik berlawanan dengan arah gerakan. Seperti gesekan statik, gesekan kinetik adalah gejala yang rumit dan belum dimengerti secara lengkap. Koefisien gesekan kinetik didefinisikan sebagai rasio besarnya gesekan kinetik fk dengan gaya normal fn. Maka,
Gambar 8. Gesekan menghambat seseorang dalam melakukan usaha c. Hukum ketiga Newton
Hukum ketiga Newton kadang-kadang disebut hukum interaksi atau hukum aksi reaksi. Hukum ini menggambarkan sifat penting dari gaya, yaitu bahwa gaya-gaya yang terjadi selalu berpasangan. Jika sebuah gaya dikerjakan pada sebuah benda A, maka harus ada benda lain B yang mengerjakan gaya itu (Tipler, 1991:97).
Gambar 9. Gaya aksi-reaksi kaki pada tembok
Orang pada gambar 4 akan merasakan sakit pada kakinya, padahal kakinya lah yang melakukan aksi. Hal itu dapat terjadi karena reaksi dari tendangannya, tembok mengerjakan gaya pada jari kakinya. Sayangnya, jari kakinya tidak sekuat tembok sehingga ia merasa kesakitan. Hal ini bisa dinyatakan sebagai berikut :
Gaya Tembok pada Jari kaki
Gaya Jari kaki pada tembok
Untuk setiap aksi, ada suatu reaksi yang sama besar namun berlawanan arah (Kanginan, 2007: 109). Dan secara matematis dinyatakan dengan
= − (12)
Perlu dipertegas bahwa dua gaya yang digambarkan pada hukum ketiga Newton bekerja pada benda yang berbeda. Ini penting dalam masalah yang melibatkan hukum pertama dan kedua Newton yang melibatkan gaya yang bekerja pada sebuah benda (Young, 1999:107).
Gambar 10. Gerakan mendayung merupakan aksi, sedangkan gerak perahu maju merupakan reaksinya
Pada hukum Newton III seperti ditunjukkan oleh gambar 11, menyatakan bahwa gaya dalam sebuah gerakan dipengaruhi oleh objek eksternal. Hal ini setara dengan pernyataan bahwa sebuah gaya tunggal yang terisolasi dari gaya lainnya tidak akan mungkin ada. Gaya pada objek 1 yang dikenakan pada objek 2 biasa disebut aksi, sebaliknya gaya pada objek 2 yang dikenakan kepada objek 1 disebut reaksi. Kenyataanya, kedua gaya dapat disebut aksi ataupun
rekasi. Gaya aksi sama besarnya dengan gaya rekasi namun arahnya berlawanan (Resnick, 1998: 121).
Gambar 11. Meriam yang menembakkan pelurunya