Dinamika Gerak Lurus

DINAMIKA GERAK LURUS

Pada modul 2 kita telah membahas gerak benda yang dinyatakan dalam kecepatan dan percepatan (tanpa memperhatikan penyebab terjadinya gerak tersebut). Sekarang yang menjadi pertanyaan, mengapa benda-benda dapat bergerak? Apa yang membuat benda yang pada mulanya diam mulai bergerak? Apa yang mempercepat atau memperlambat benda? Kita dapat menjawab setiap pertanyaan tersebut dengan mengatakan bahwa untuk melakukan itu semua diperlukan sebuah gaya. Pada modul ini, kalian akan menyelidiki hubungan antara gaya dan gerak. Sebelum kalian mempelajari tentang dinamika ini, pertama kita akan membahas konsep gaya secara kualitatif.

A. Pengertian Gaya
Gaya adalah suatu tarikan atau dorongan yang dapat menimbulkan perubahan gerak. Dengan demikian jika benda ditarik/didorong maka pada benda bekerja gaya dan keadaan gerak benda dapat berubah. Gaya adalah penyebab gerak. Gaya termasuk besaran vektor, karena gaya mempunyai besar dan arahnya. Ketika seseorang mendorong mobil yang mogok, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1, orang tersebut memberikan gaya pada mobil itu. Pada olah raga bulu tangkis, sebuah gaya diberikan atlet pada bola sehingga menyebabkan bola berubah arah gerak.

Ketika sebuah mesin mengangkat lift, atau martil memukul paku, atau angin meniup daun-daun pada sebuah pohon, berarti sebuah gaya sedang diberikan. Kita katakan bahwa sebuah benda jatuh karena gaya gravitasi. Jadi, gaya dapat menyebabkan perubahan pada benda, yaitu perubahan bentuk, sifat gerak benda, kecepatan, dan arah gerak benda. Di sisi lain, gaya tidak selalu menyebabkan gerak. Sebagai contoh, jika kalian mendorong tembok dengan sekuat tenaga, tetapi tembok tetap tidak bergerak. Sebuah gaya memiliki nilai dan arah, sehingga merupakan vektor yang mengikuti aturan-aturan penjumlahan vektor yang telah dibahas pada pada bab 1.

Untuk mengukur besar atau kekuatan gaya, dapat dilakukan dengan menggunakan neraca pegas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.2.

B. Jenis-Jenis Gaya

Gaya merupakan dorongan atau tarikan yang akan mempercepat atau memperlambat gerak suatu benda. Pada kehidupan sehari-hari gaya yang Anda kenal biasanya adalah gaya langsung. Artinya, sesuatu yang memberi gaya berhubungan langsung dengan yang dikenai gaya. Selain gaya langsung, juga ada gaya tak langsung. Gaya tak langsung merupakan gaya yang bekerja di antara dua benda tetapi kedua benda tersebut tidak bersentuhan. Contoh gaya tak langsung adalah gaya gravitasi. Pada subbab ini Anda akan mempelajari beberapa jenis gaya, antara lain, gaya berat, gaya normal, dan gaya gesekan.

1. Gaya Berat

Pada kehidupan sehari-hari, banyak orang yang salah mengartikan antara massa dengan berat. Misalnya, orang mengatakan “Doni memiliki berat 65 kg”. Pernyataan orang tersebut keliru karena sebenarnya yang dikatakan orang tersebut adalah massa Doni. Anda harus dapat membedakan antara massa dan berat. Massa merupakan ukuran banyaknya materi yang dikandung oleh suatu benda. Massa (m) suatu benda besarnya selalu tetap dimanapun benda tersebut berada, satuannya kg. Berat merupakan gaya gravitasi bumi yang bekerja pada suatu benda. Satuan berat adalah Newton (N). Hubungan antara massa dan berat dijelaskan dalam hukum II Newton. Misalnya, sebuah benda yang bermassa m dilepaskan dari ketinggian tertentu, maka benda tersebut akan jatuh ke bumi. Jika gaya hambatan udara diabaikan, maka gaya yang bekerja pada benda tersebut hanyalah gaya gravitasi (gaya berat benda). Benda tersebut akan mengalami gerak jatuh bebas dengan percepatan ke bawah sama dengan percepatan gravitasi. Jadi, gaya berat yang dialami benda besarnya sama dengan perkalian antara massa (m) benda tersebut dengan percepatan gravitasi (g) di tempat itu. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.

Keterangan :
w : gaya berat (N)
m : massa benda (kg)
g : percepatan gravitasi (ms-2)

2. Gaya Normal

Anda ketahui bahwa benda yang dilepaskan pada ketinggian tertentu akan jatuh bebas. Bagaimana jika benda tersebut di letakkan di atas meja, buku misalnya? Mengapa buku tersebut tidak jatuh? Gaya apa yang menahan buku tidak jatuh? Gaya yang menahan buku agar tidak jatuh adalah gaya tekan meja pada buku. Gaya ini ada karena permukaan buku bersentuhan dengan permukaan meja dan sering disebut gaya normal. Gaya normal (N) adalah gaya yang bekerja pada bidang yang bersentuhan antara dua permukaan benda, yang arahnya selalu tegak lurus dengan bidang sentuh. Jadi, pada buku terdapat dua gaya yang bekerja, yaitu gaya normal (N) yang berasal dari meja dan gaya berat. Kedua gaya tersebut besarnya sama tetapi berlawanan arah, sehingga membentuk keseimbangan pada buku. Ingat, gaya normal selalu tegak lurus arahnya dengan bidang sentuh. Jika bidang sentuh antara dua benda adalah horizontal, maka arah gaya normalnya adalah vertikal. Jika bidang sentuhnya vertikal, maka arah gaya normalnya adalah horizontal. Jika bidang sentuhya miring, maka gaya normalnya juga akan miring. Perhatikan Gambar 4.6.

3. Gaya Gesekan

Jika Anda mendorong sebuah almari besar dengan gaya kecil, maka almari tersebut dapat dipastikan tidak akan bergerak (bergeser). Jika Anda mengelindingkan sebuah bola di lapangan rumput, maka setelah menempuh jarak tertentu bola tersebut pasti berhenti. Mengapa hal-hal tersebut dapat terjadi? Apa yang menyebabkan almari sulit di gerakkan dan bola berhenti setelah menempuh jarak tertentu? Gaya yang melawan gaya yang Anda berikan ke almari atau gaya yang menghentikan gerak bola adalah gaya gesek. Gaya gesek adalah gaya yang bekerja antara dua permukaan benda yang saling bersentuhan. Arah gaya gesek berlawanan arah dengan kecenderungan arah gerak benda. Untuk benda yang bergerak di udara, gaya geseknya bergantung pada luas permukaan benda yang bersentuhan dengan udara. Makin besar luas bidang sentuh, makin besar gaya gesek udara pada benda tersebut sedangkan untuk benda padat yang bergerak di atas benda padat, gaya geseknya tidak tergantung luas bidang sentuhnya. Gaya gesekan dapat dibedakan menjadi dua, yaitu gaya gesekan statis dan gaya gesekan kinetis. Gaya gesek statis (fs) adalah gaya gesek yang bekerja pada benda selama benda tersebut masih diam. Menurut hukum I Newton, selama benda masih diam berarti resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut adalah nol. Jadi, selama benda masih diam gaya gesek statis selalu sama dengan yang bekerja pada benda tersebut. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.

Keterangan:
fs : gaya gesekan statis maksimum (N)
s: koefisien gesekan statis

Gaya gesek kinetis (fk) adalah gaya gesek yang bekerja pada saat benda dalam keadaan bergerak. Gaya ini termasuk gaya dissipatif, yaitu gaya dengan usaha yang dilakukan akan berubah menjadi kalor. Perbandingan antara gaya gesekan kinetis dengan gaya normal disebut koefisien gaya gesekan kinetis (ms). Secara matematis dapat di tulis sebagai berikut.

Keterangan:
fk : gaya gesekan kinetis (N)
k: koefisien gesekan kinetis

C. Hukum-Hukum Newton

Dalam modul ini, Anda akan mempelajari hukum gerak Newton secara berurutan. Hukum pertama, memperkenalkan konsep kelembaman yang telah diusulkan sebelumnya oleh Galileo. Hukum kedua, menghubungkan percepatan dengan penyebab percepatan, yakni gaya. Hukum ketiga, merupakan hukum mengenai aksi-reaksi. Newton menuliskan ketiga hukum geraknya dalam sebuah buku yang terpenting sepanjang sejarah, yakni Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, yang dikenal sebagai principia.

1. Hukum I Newton

Pada prinsipnya, benda yang diam akan tetap diam sebelum ada gaya yang menarik atau mendorongnya sehingga dapat bergerak. Demikian juga pada benda yang sedang bergerak dengan kecepatan konstan akan tetap bergerak dengan kecepatan konstan dan akan dapat berhenti jika ada gaya yang melawan gerak tersebut. Keadaan ini disimpulkan oleh Newton sebagai berikut.
“ Jika resultan gaya pada suatu benda sama dengan nol, maka benda yang diam akan tetap diam dan benda yang bergerak akan tetap bergerak dengan kecepatan tetap”
Pernyataan di atas dikenal sebagai Hukum Pertama Newton. Kecenderungan benda mempertahankan keadaannya, yaitu diam atau bergerak dengan kelajuan konstan dalam garis lurus, disebut kelembaman atau inersia. Oleh karena itu, Hukum Pertama Newton disebut juga sebagai hukum Kelembaman. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

Ukuran kuantitas kelembaman suatu benda adalah massa. Setiap benda memiliki tingkat kelembaman yang berbeda-beda. Makin besar massa suatu benda, makin besar kelembamannya. Saat mengendarai sepeda motor Anda bisa langsung memperoleh kelajuan besar dalam waktu singkat. Namun, saat Anda naik kereta, tentu memerlukan waktu yang lebih lama untuk mencapai kelajuan yang besar. Hal itu terjadi karena kereta api memiliki massa yang jauh lebih besar daripada massa sepeda motor.

2. Hukum II Newton

Hukum I Newton hanya membahas benda yang tidak dikenai gaya dari luar, artinya benda tidak mengalami percepatan. Bagaimana jika suatu benda mendapat gaya dari luar atau pada benda tersebut bekerja beberapa gaya yang resultannya tidak sama dengan nol? Pada kondisi ini benda mengalami perubahan percepatan.
Misalkan Anda mendorong sebuah kotak di atas lantai licin (gaya gesek diabaikan) dengan gaya F, ternyata dihasilkan percepatan sebesar a. Saat gaya dorong terhadap kotak Anda perbesar menjadi dua kali semula (2F), ternyata percepatan yang dihasilkan juga dua kali semula (2a). Ketika gaya dorong Anda tingkatkan menjadi tiga kali semula (3F), ternyata percepatan yang dihasilkan juga menjadi tiga kali semula (3a). Jadi, dapat disimpulkan bahwa percepatan berbanding lurus dengan besarnya resultan gaya yang bekerja pada suatu benda (a ~ f).
Sekarang, taruhlah sebuah kotak (dengan massa sama) di atas kotak yang tadi Anda dorong (massa kotak menjadi 2 kali semula (2m)). Ternyata dengan gaya F dihasilkan percepatan yang besarnya setengah percepatan semula (1/2 a). Kemudian tambahkan lagi sebuah kotak (dengan massa sama) di atas kotak yang tadi Anda dorong (massa menjadi 3 kali semula). Ternyata dengan gaya F dihasilkan percepatan yang besarnya sepertiga percepatan semula (1/3 a). Jadi, dapat disimpulkan bahwa percepatan berbanding
terbalik dengan massa benda (a ~ 1/m).
Berdasarkan dua kesimpulan tersebut Newton menggabungkannya menjadi sebuah pernyataan, yang dikenal dengan hukum II Newton, yaitu “Percepatan yang dihasilkan oleh resultan gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding lurus dengan resultan gaya, dan berbanding terbalik dengan massa benda”. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

Keterangan:
a : percepatan benda (ms-2)
F : resultan gaya yang bekerja pada benda (N)
m : massa benda (kg)

Kerjakanlah sebagai latihan!

1. Sebuah bola bermassa 0,5 kg ditedang oleh sebuah gaya sehingga bergerak dengan percepatan 2 m/s2. Tentukan besar gaya yang bekerja pada bola tersebut!

2. Sebuah kertas kardus dengan massa 0,3 kg ditendang dengan gaya 10 N oleh seseorang. Tentukan percepatan yang dialami oleh kardus tersebut!

3. Sebuah benda ditendang dengan gaya 20 N sehingga bergerak dengan percepatan 4 m/s2. Tentukan massa benda tersebut!

3. Hukum III Newton

Gaya selalu muncul berpasangan. Ketika Anda memukul pasak kayu menggunakan palu, pasak akan memberikan gaya kepada palu. Demikian pula, ketika Anda berjalan di atas lantai, Anda memberikan gaya pada lantai melalui telapak kaki atau alas sepatu Anda maka lantaipun memberikan gaya pada telapak kaki atau alas sepatu Anda sebagai reaksi terhadap gaya yang Anda berikan. Dengan kata lain, ketika suatu benda memberikan gaya pada benda lainnya, benda kedua akan memberikan gaya yang sama dan berlawanan arah pada benda pertama. Pernyataan di atas dikenal sebagai Hukum Ketiga Newton. Sifat pasangan gaya aksi-reaksi besarnya selalu sama, segaris, saling berlawanan arah, dan bekerja pada benda yang berbeda. Secara matematis hukum III Newton dapat di tulis sebagai berikut.

Contoh lain yang menunjukkan gaya aksi reaksi adalah ketika Anda berjalan di atas lantai. Saat berjalan, kaki Anda menekan lantai ke belakang (aksi). Sebagai reaksi, lantai mendorong telapak kaki Anda ke depan sehingga Anda dapat berjalan. Pernahkah Anda memperhatikan tank yang sedang menembak? Pada saat menembakkan peluru, tank mendorong peluru ke depan (aksi). Sebagai reaksi, peluru mendorong tank ke belakang sehingga tank terdorong ke belakang. Gaya aksi-reaksi inilah yang menyebabkan tank terlihat tersentak ke belakang sesaat setelah memuntahkan peluru.

C. Penerapan Hukum Newton

Pada kehidupan sehari-hari Anda pasti dapat menemui contoh penerapan hukum-hukum Newton. Dalam subbab ini Anda akan membahas beberapa contoh penerapan hukum-hukum Newton. Misalnya pada gerak lurus, gerak vertikal, dan gerak melingkar beraturan. Untuk menyelesaikan permasalahan yang menggunakan hukum I dan II Newton pada suatu benda, ada beberapa catatan. Pertama, gambarlah diagram secara terpisah yang menggambarkan semua gaya yang bekerja pada benda tersebut (gambar diagram bebas). Kedua, gaya yang searah dengan perpindahan benda dianggap positif, sedangkan gaya yang berlawanan arah dengan perpindahan benda dianggap negatif.

1. Gerak Benda pada Bidang Datar

2. Gerak Dua Benda yang Bersentuhan

3. Gerak Benda pada Bidang Miring

4. Gerak Benda yang Dihubungkan dengan Katrol

5. Gaya Tekan Kaki pada Lantai Lift

Rangkuman

1. Elastisitas adalah kemampuan suatu benda untuk kembali ke bentuk awalnya segera setelah gaya luar yang diberikan kepadanya dihilangkan. Benda yang memiliki elastisitas disebut benda elastis, sedangkan benda yang tidak memiliki elastisitas disebut benda plastis.

2. Tegangan (stress) didefinisikan sebagai perbandingan antara gaya yang bekerja pada benda dengan luas penampang benda.

3. Regangan (strain) adalah perbandingan antara pertambahan panjang dengan panjang mula-mula.
4. Menurut Hukum Hooke, besarnya pertambahan panjang benda pada daerah elastisitas sebanding dengan gaya yang bekerja pada benda.

F = k.x.

5. Konstanta pegas total secara seri dirumuskan.

6. Konstanta pegas total secara paralel dirumuskan.

kparalel = k1 + k2 + k3 +. . .

7. Modulus elastisitas atau modulus Young adalah perbandingan antara tegangan dan regangan:

Tes

1. Apakah yang terjadi jika sebuah karet gelang terus kita tarik dengan kedua tangan? Mengapa?

2. Sebuah timbangan pegas yang memiliki konstanta pegas 1000 N/m dan panjangnya 0,2 m digantungkan pada ketinggian 1 m dari tanah. Timbangan tersebut kemudian digunakan untuk menimbang beban seberat 20 kg dan memiliki panjang 0,1 m. Ketika beban yang ditimbang tersebut digantungkan, kira-kira beban tersebut menyentuh tanah atau tidak? (g = 10 m/s2)

3. Terdapat dua buah sepeda motor. Sepeda motor pertama dipasangi dua buah shockbreaker yang mempunyai konstanta pegas sama yaitu 200 N/m. Panjang shockbreaker tersebut adalah 30 cm. Sepeda motor kedua dipasangi dua buah shockbreaker yang mempunyai konstanta pegas sama yaitu 150 N/m. Panjang shockbreaker tersebut adalah 29 cm. Ketika kedua sepeda motor tersebut dinaiki oleh satu orang, panjang masing-masing shockbreakernya menjadi 22 cm. Manakah yang lebih berat, antara orang yang menaiki sepeda motor pertama atau orang yang menaiki sepeda motor kedua?

4. Terdapat dua buah kawat logam. Logam pertama dengan luas penampang 5 mm2 ditarik oleh gaya 3 N hingga panjangnya bertambah dari 50 cm menjadi 50,04 cm. Kawat logam kedua dengan luas penampang 4 mm2 ditarik oleh gaya 2 N hingga panjangnya bertambah dari 60 cm menjadi 60,06 cm. Kawat logam manakah yang lebih kuat?

Kunci Jawaban

1. Karet gelang terus menerus ditarik artinya gaya yang diberikan terus diperbesar. Jika gaya terus diperbesar, maka ketika gaya tersebut melebihi batas elastisitas dan gaya tersebut dihilangkan maka karet tidak akan kembali ke bentuknya semula. Karet sudah menjadi benda plastis. Jika gaya yang diberikan melebihi titik tekuk, maka hanya dibutuhkan tambahan gaya tarik kecil untuk menghasilkan pertambahan panjang yang besar. Jika gaya yang diberikan melebihi titik patah, maka karet akan terputus.

2. Diketahui:
k = 1000 N/m
x0 = 0,6 m
h = 1 m
m = 20 kg
g = 10 m/s2
Ditanyakan: Apakah beban tersebut menyentuh tanah atau tidak?
Jawab:
Menurut hukum Hooke pertambahan panjang pegas adalah

Panjang pegas keseluruhannya menjadi:

Jadi panjang pegas keseluruhannya ditambah panjang beban menjadi

Karena beban pegas digantung pada ketinggian 1 m jadi beban tidak menyentuh tanah.

3. Diketahui:
k1 = 2000 N/m
x01 = 30 cm = 0,3 m
k2 = 1500 N/m
x02 = 29 cm = 0,29 m
x = 22 cm = 0,22 m
Ditanyakan: Manakah yang lebih berat, antara orang yang menaiki sepeda motor pertama atau orang yang menaiki sepeda motor kedua?
Jawab:
Untuk sepeda motor pertama
Konstanta pegas pengganti sepeda motor pertama

Perubahan panjang shockbreaker sepeda motor pertama
(tanda (–) menyatakan pegas memendek)
Gaya yang bekerja pada sepeda motor 1 adalah

Untuk sepeda motor kedua
Konstanta pegas pengganti sepeda motor kedua

Perubahan panjang shockbreaker sepeda motor kedua
(tanda (–) menyatakan pegas memendek)
Gaya yang bekerja pada sepeda motor 2 adalah
Jadi,
F1 = 320 N
F2 = 210 N
Karena F1 > F2, maka orang yang menaiki sepeda motor pertama lebih berat dibandingkan dengan orang yang menaiki sepeda motor kedua.

4. Diketahui:
A1 = 5 mm2 =5 × 10-6 m2
F1 = 3 N
L01 = 50 cm
L1 = 50,04 cm
A2 = 4 mm2 = 4 × 10-6 m2
F2 = 2 N
L02 = 60 cm
L2 = 60,04 cm
Ditanyakan: Kawat logam manakah yang lebih kuat?
Jawab:
Kawat logam pertama

Kawat logam kedua

E1 = 0,75 x 109 N/m2
E2 = 0,75 x 109 N/m2
Karena E1 = E2, maka logam pertama dan logam kedua sama kuatnya.

Umpan Balik

a. Kriteria Penilaian Tes
Skor Kriteria
5 Memberikan suatu penyelesaian lengkap dan benar
4 Memberikan suatu penyelesaian yang benar, sedikit cacat, tetapi memuaskan
3 Memberikan suatu penyelesaian yang benar, banyak cacat, tetapi hampir memuaskan
2 Memberikan suatu penyelesaian yang ada unsur benarnya, tetapi tidak memadai
1 Mencoba memberikan suatu penyelesaian, tetapi salah total
0 Tidak mencoba memberikan penyelesaian sama sekali

b. Rumus untuk menghitung skor akhir tes

Contoh:
Dalam tes yang terdiri dari 5 buah soal, dengan menggunakan kriteria penilaian tes, anda mendapatkan nilai sebagai berikut.

No Tes Nilai
1 4
2 5
3 3
4 5
5 3
Jumlah 20

Karena jumlah soal adalah 5, maka nilai skor maksimumnya adalah 5 × 5 = 25.

Jadi nilai Anda adalah 80.

c. Pedoman menentukan tingkat pencapaian sasaran belajar
KKM untuk mata pelajaran fisika kelas X semester genap adalah 75.
• Jika nilai yang Anda dapatkan dalam tes kurang dari 75, maka Anda belum tuntas.
• Jika nilai yang Anda dapatkan dalam tes lebih dari atau sama dengan 75, maka Anda sudah tuntas.

d. Tindak lanjut
• Jika nilai Anda belum tuntas, maka Anda perlu menempuh remidi.
• Jika nilai Anda sudah tuntas, maka Anda bisa melanjutkan ke materi pembelajaran berikutnya.

Sumber :  https://fisikakontekstual.wordpress.com/materi-dinamika-gerak-lurus/