Materi Fisika: Gerak dan Gaya

Dalam kehidupan sehari-hari, kita melihat orang berjalan, orang naik sepeda, orang naik sepeda motor, orang mengendarai mobil, orang naik pesawat terbang atau dengan cara lain dalam rangka bepergian dari suatu tempat ke tempat lain. Pengamatan tentang hal tersebut di atas menggambarkan adanya peristiwa perpindahan orang tersebut dari satu tempat ke tempat lain atau dengan kata lain orang tersebut bergerak dari satu tempat ke tempat lain. Semua benda dalam alam semesta ini bergerak, burung-burung terbang, planet berputar, pohon-pohon tumbang, dan elektron-elektron bergerak dalam lintasannya. Konsep gerak sangat penting dalam ilmu fisika, maka kalian harus mempelajari materi ini dengan sungguh-sungguh!

Gambar 1. Peta Konsep Gerak dan Gaya

Ilmu yang mempelajari tentang gerak suatu benda dalam ilmu fisika disebut mekanika. Mekanika pada prinsipnya dibagi menjadi dua bagian.

a. Kinematika yaitu ilmu yang mempelajari gerak suatu benda tanpa memerhatikan penyebab gerak tersebut.

b. Dinamika yaitu ilmu yang mempelajari gerak suatu benda dengan memerhatikan penyebab gerak benda tersebut.

Gerak suatu benda dibagi menjadi dua bagian yaitu gerak lurus dan gerak lengkung. Gerak lurus adalah gerak yang lintasannya berupa garis lurus, sedangkan gerak lengkung adalah gerak yang lintasannya mempunyai pusat kelengkungan. Gerak lurus dikelompokkan menjadi gerak lurus beraturan (GLB), gerak lurus berubah beraturan (GLBB) dan gerak lurus berubah tidak beraturan (GLBTB). Demikian juga gerak lengkung yang lebih khusus yaitu gerak lengkung yang radius kelengkungannya tetap, disebut gerak melingkar. Gerak melingkar dikelompokkan menjadi gerak melingkar beraturan (GMB), gerak melingkar berubah beraturan (GMBB) dan gerak melingkar berubah tidak beraturan (GMBTB).

Analisis Besaran Fisika pada Gerak dengan Kecepatan dan Percepatan Konstan

Dalam kehidupan sehari-hari, jika kita berdiri di stasiun kereta api, kemudian ada kereta api melintas di depan kita maka dapat dikatakan kereta api tersebut bergerak terhadap kita. Kereta api diam jika dilihat oleh orang yang berada di dalam kereta api tetapi jika dilihat oleh orang yang ada di stasiun tersebut maka kereta api tersebut bergerak. Oleh karena itu kereta api bergerak atau diam adalah relatif. Benda disebut bergerak jika kedudukan benda itu mengalami perubahah terhadap acuannya. Secara umum jarak didefinisikan sebagai panjang lintasan sesungguhnya yang ditempuh oleh suatu benda yang bergerak.Sedangkan perpindahan didefinisikan sebagai perubahan kedudukan suatu benda.

Jarak adalah suatu besaran skalar, sedangkan perpindahan adalah suatu besaran vektor. Jika kita mengendarai mobil selama tiga jam perjalanan dan menempuh jarak 180 km maka dapat dikatakan bahwa kelajuan rata-rata adalah 180 km/3 jam atau 60 km/jam.

Secara umum: Kelajuan rata-rata didefinisikan sebagai jarak yang ditempuh oleh suatu benda dibagi waktu yang diperlukan.

Kelajuan rata-rata =  Jarak tempuh total : waktu yang diperlukan

                                    v_rata-rata = s/t

v_rata-rata   = kelajuan rata-rata (m/s)

s           = jarak tempuh total (m),

t           = waktu yang diperlukan (s).

Konsep kecepatan serupa dengan konsep kelajuan, tetapi berbeda karena kecepatan mencakup arah gerakan.

Kecepatan rata-rata didefinisikan sebagai perpindahan suatu benda dibagi waktu yang diperlukan benda tersebut untuk berpindah.

Kecepatan rata-rata = perpindahan : waktu yang diperlukan

                                        V_rata-rata=(S2 - S1/(t2-t1)

V_rata-rata = kecepatan rata-rata (m/s)

(S2 - S1) = perpindahan dari keadaan 1 ke 2 (m)

(t2-t1) = Interval waktu (s)

Kalau kita mengendarai sepeda motor pada saat awal, mesin motor dihidupkan tetapi sepeda motor masih belum bergerak. Pada saat sepeda motor mulai bergerak maka kecepatannya makin lama makin besar. Hal ini berarti telah terjadi perubahan kecepatan. Pada saat sepeda motor diam kecepatan nol, baru kemudian kecepatan sepeda motor tersebut makin lama makin cepat. Sepeda motor tersebut mengalami perubahan kecepatan dalam selang waktu tertentu. Dengan kata lain, sepeda motor tersebut mengalami percepatan. Percepatan adalah besaran vektor. Percepatan ditulis dengan persamaan sebagai berikut:

Percepatan = perubahan kecepatan : perubahan waktu

                                                    a = Δv/Δt

dengan Δv adalah perubahan kecepatan selama waktu Δt. Percepatan suatu benda dibedakan menjadi dua yaitu percepatan rata-rata dan percepatan sesaat.

Jika seseorang mengendarai mobil makin lama kecepatan mobil makin cepat maka suatu waktu tertentu kecepatan mobil tidak akan bertambah lagi bahkan kecepatan mobil tersebut akan berkurang dan mobil tersebut akan berhenti setelah

sampai ditempat tujuan. Gerak suatu benda yang kecepatanya makin lama makin kecil disebut benda diperlambat.

Suatu benda dikatakan bergerak lurus adalah jika lintasan geraknya berupa garis lurus. Ketika kita mengendarai mobil di jalan tol yang lurus maka kecepatan mobil yang kita naiki bisa berubah-ubah tetapi pada saat tertentu bisa tetap. Sebagai contoh, sebuah mobil sedang bergerak dengan kelajuan 60 km/jam, mobil tersebut harus menambah kelajuannya saat akan mendahului mobil lain di depannya. Pada saat yang lain mobil tersebut harus mengurangi kelajuannya ketika ada lampu lalu lintas yang menyala merah di depannya. Gerak lurus beraturan adalah gerak suatu benda yang lintasannya berupa garis lurus dan memiliki kecepatan yang tetap. Kecepatan tetap artinya besar dan arah kecepatan tidak berubah. Suatu mobil yang bergerak lurus beraturan maka percepatannya adalah nol. Berapa jarak yang ditempuh oleh mobil tersebut setelah bergerak selang waktu t? Jika kecepatan mobil tersebut v maka setelah bergerak selang waktu t dapat dihitung jarak yang ditempuh dengan menggunakan persamaan yaitu:

v = s/t

Keterangan:

_v            = kelajuan rata-rata (m/s)

s           = jarak tempuh total (m)

t           = waktu yang diperlukan (s)

Jika seseorang yang mengendarai sebuah mobil yang lintasan geraknya berupa garis lurus dan bergerak dengan perubahan kecepatannya setiap saat tetap, maka gerak mobil tersebut disebut gerak lurus berubah beraturan. Perubahan kecepatan per satuan waktu disebut percepatan, sehingga gerak lurus berubah beraturan disebut juga sebagai gerak yang lintasannya lurus dan percepatan yang tetap. Sebagai contoh, seseorang yang mengendarai mobil yang lintasannya lurus dan percepatannya tetap. Pada saat t = 0, mobil tersebut bergerak dengan kecepatan v₀, dan pada t kecepatan mobil menjadi v_t, maka berapa jarak yang ditempuh pada saat t? Pada persamaan sebelumnya telah dirumuskan percepatan adalah:

a = Δv/Δt

dengan Δv adalah perubahan kecepatan selama waktu Δt.

Sehingga diperoleh:

                                                a = (vt - v0) / Δt

keterangan:

vt = kecepatan pada waktu t (m/s)

v0 = kecepatan awal (t = 0) (m/s)

a = percepatan (m/s²)

Δt= selang waktu (s),  Δt = t jika t0 = 0

Untuk menghitung suatu benda yang bergerak lurus berubah tidak beraturan tidak bisa menggunakan rumus-rumus di atas. Untuk menyelesaikan soal kita harus mengetahui bagaimana ketergantungan percepatan suatu benda terhadap waktu.

Analisis Besaran Fisika Pada Gerak Melingkar dengan Laju Konstan

Gerak melingkar adalah gerak yang lintasannya mempunyai pusat kelengkungan dengan radius kelengkungan tetap. Dalam kehidupan sehari-hari kita sering melihat contoh gerak melingkar, antara lain: bumi mengitari matahari, bulan mengitari bumi, jarum jam yang berputar, roda kendaraan yang berputar, baling-baling kipas angin yang berputar, dan sebagainya.

Vektor kecepatan benda yang bergerak melingkar selalu berubah-ubah dan arah vektor kecepatannya adalah sesuai dengan arah garis singgung dari titik di mana benda tersebut berada. Contoh sebuah benda yang melakukan gerak melingkar dengan laju tetap sepanjang busur lingkaran yang beradius R disebut gerak melingkar beraturan (GMB).

Gerak melingkar lintasannya adalah lingkaran maka jarak tempuh benda adalah busur lingkaran. Jika dalam selang waktu t benda menempuh busur lingkaran s maka dikatakan benda mempunyai laju linear sebesar v yang besarnya adalah:

                                                v =  s/t

dengan:

v = laju linear (m/s),

s = adalah panjang busur lingkaran sebagai lintasan (m),

t = adalah waktu tempuh (s).

Waktu yang diperlukan oleh benda untuk berputar satu kali putaran sempurna disebut periode dan dinyatakan dengan lambang T. Satuan periode dalam sistem SI adalah sekon (s). Jumlah putaran yang dilakukan oleh benda tiap satu satuan waktu disebut frekuensi dan diberi lambang f. Satuan frekuensi dalam sistem SI adalah s^-1 atau hertz (Hz). Hubungan periode dan frekuensi dinyatakan sebagai berikut:

                                                f =  1 / T

dengan:

T = periode (s).

f = frekuensi (Hz).

Kecepatan sudut dalam gerak melingkar adalah analog dengan kecepatan linear dalam gerak lurus. Suatu benda bermassa m bergerak melingkar telah menempuh sudut 𝜽. Benda yang bergerak melingkar mempunyai kecepatan sudut sebesar 𝝎 (dibaca omega). Kecepatan sudut didefinisikan sebagai sudut yang ditempuh tiap satuan waktu t dan dirumuskan:

                                                𝝎 = 𝜽 / t

Benda yang berputar dalam waktu satu periode (t = T) maka sudut yang ditempuh adalah 2π radian sehingga kecepatan sudut dapat dirumuskan:

𝝎 = 2π / T atau 𝝎 = 2πf

Suatu benda yang menempuh sudut 2π  radian maka lintasan linier benda tersebut adalah sama dengan keliling lingkaran tersebut yaitu s = 2πR sehingga kecepatan linier dapat dihitung dengan persamaan berikut:

                                                v = 2πR / T atau v = 𝝎R

Penerapan Hukum Newton sebagai Prinsip Dasar Dinamika

Hukum I Newton

Sir Isaac Newton dilahirkan di Woolsthrope Inggris, pada tanggal 25 Desember 1642. Beliau adalah salah satu ilmuwan yang paling hebat dalam sejarah. Newton merumuskan konsep dasar dan hukum mekanika, mengembangkan teori kedua kalkulus diferensial dan integral, dan teori grafitasi. Beliau juga menyusun teori tentang gaya berat, pembiasan cahaya. Sebagai kelanjutan karyanya dalam hal cahaya, ia merancang teleskop pantulan yang pertama. Newton mampu menjelaskan gerak planet, aliran pasang surut, dan berbagai hal tentang gerak Bumi dan Bulan. Ia menyusun teorinya dalam buku Principia yang merupakan salah satu buku ilmu pengetahuan paling hebat yang pernah ada. Berikut ini beberapa teori yang dikemukakannya.

 Pada saat mobil dijalankan agak cepat pertama kali dan kita tidak menyadari maka kita akan terdorong ke belakang. Pada saat mobil mendadak berhenti maka kita terdorong ke depan. Terdorongnya ke belakang pada saat mobil dijalankan agak cepat pada saat awal dan terdorongnya kita ke depan pada saat mobil mendadak berhenti ini menunjukkan bahwa kita berusaha untuk tetap mempertahankan posisi kita semula. Sifat suatu benda untuk mempertahankan keadaan semula itu disebut sifat kelembaman suatu benda. Sifat kelembaman suatu benda ini oleh Newton disebut sebagai Hukum I Newton.

Hukum I Newton berbunyi,” Sebuah benda tetap pada keadaan awalnya yang diam atau bergerak dengan kecepatan konstan, jika tidak ada suatu gaya eksternal netto yang memengaruhi benda tersebut”. Hukum I Newton disebut juga sebagai hukum kelembaman atau hukum inersi dan dirumuskan sebagai berikut:

Jika jumlah gaya ΣF = 0 maka benda yang diam akan tetap diam atau benda yang bergerak dengan kecepatan konstan tetap bergerak dengan kecepatan konstan.

2.      Hukum II Newton

Dalam kehidupan sehari-hari kita melihat sebuah gerobak ditarik oleh seekor sapi, seseorang mendorong kereta sampah, dan mobil bergerak makin lama makin cepat. Dari fenomena-fenomena tersebut akan muncul suatu pertanyaan bagaimana hubungan antara kecepatan, percepatan terhadap gaya sebagai penyebab adanya gerakan-gerakan tersebut? Pertanyaan ini dijelaskan oleh Newton yang dikenal sebagai Hukum II Newton. Definisi Hukum II Newton adalah sebagai berikut:

Hukum II Newton: Percepatan sebuah benda berbanding terbalik dengan massa dan sebanding dengan gaya eksternal yang bekerja pada benda tersebut. Percepatan yang ditimbulkan oleh suatu gaya besarnya berbanding lurus dan searah dengan gaya tersebut dan berbanding terbalik dengan massa benda. Persamaannya dirumuskan sebagai berikut:

   

                        a =  ΣF / m

dengan:

F = gaya yang bekerja pada benda (N),

m = massa benda (kg),

a = percepatan benda (m/s²)

Satuan gaya menurut sistem SI adalah newton (N), sedang kadang-kadang satuan gaya menurut sistem cgs adalah dyne.

Aplikasi nyata dari gerak lurus berubah beraturan dengan percepatan a positif (gerak lurus dipercepat dengan percepatan a tetap) ini adalah suatu benda yang dijatuhkan dari ketinggian h meter dengan kecepatan awal nol atau tanpa kecepatan awal. Percepatan yang dialami oleh benda tersebut adalah percepatan gravitasi bumi g (m/s²). Lintasan gerak benda ini berupa garis lurus. Gerak benda semacam ini yang disebut gerak jatuh bebas. Gerak jatuh bebas didefinisikan sebagai gerak suatu benda yang dijatuhkan dari ketinggian tertentu di atas tanah tanpa kecepatan awal dan dalam geraknya hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi.

3.      Hukum III Newton

Kalau kita meletakkan sebuah buku di atas meja dalam kondisi tertentu buku tersebut diam di atas meja. Buku mempunyai massa dan gaya berat. Jika buku diam tentu ada sesuatu yang mengimbangi gaya berat buku tersebut. Gaya apa yang mengimbangi gaya berat buku tersebut? Masalah ini oleh Newton dijelaskan dalam Hukum III Newton. Apabila sebuah benda pertama mengerjakan gaya pada benda kedua, maka benda kedua mengerjakan gaya pada benda pertama sama besar dan arahnya berlawanan dengan arah gaya pada benda pertama tersebut. Hubungan antara gaya aksi dan reaksi dirumuskan sebagai berikut:

ΣFaksi = - ΣFreaksi

(tanda negatif menunjukkan arah aksi berlawanan dengan arah reaksi).

Demikianlah penjelasan pengantar pada materi Gerak dan Gaya, semoga dapat menjadi dasar yang kuat untuk kalian dalam memahami Materi Gerak dan Gaya yang lebih kompleks.