Gaya dan hukum Newton

Tiga aturan yang menjelaskan mengapa segala sesuatu di alam semesta bergerak seperti yang kita lihat.

​

Apa itu gaya?

Gaya adalah dorongan atau tarikan. Itu saja. Itulah seluruh definisinya.

• Mendorong kereta belanja → gaya.
• Bumi menarikmu ke bawah → gaya (kita menyebutnya gravitasi).
• Magnet menangkap penjepit kertas → gaya.
• Lantai menahanmu agar tetap berdiri → gaya (ya, lantai secara aktif mendorongmu ke atas).

Gaya diukur dalam newton (N). Satu newton kira-kira setara dengan berat sebuah apel kecil di tanganmu. Ingatlah itu — angka-angka yang kamu lihat nanti jadi terasa lebih nyata.

​

Tiga hukum Newton, dalam bahasa sehari-hari

Newton menulis tiga kalimat yang pada dasarnya menjelaskan seluruh gerak mekanik. Berikut versi terjemahannya.

​

Hukum pertama — hukum kemalasan

Sebuah benda akan terus melakukan apa yang sedang dilakukannya kecuali ada gaya yang mengubahnya.

Kalau diam, ya tetap diam. Kalau bergerak, ya terus bergerak lurus dengan kelajuan yang sama. Selamanya.

“Tapi tunggu, banyak benda berhenti sendiri kan?”

Tidak. Bola yang menggelinding di rumput berhenti karena gesekan (gaya dari rumput) dan hambatan udara (gaya dari udara). Hilangkan keduanya — bayangkan bola itu di permukaan tanpa gesekan di ruang hampa — dan ia akan menggelinding selamanya.

Hukum ini juga disebut inersia. Inersia hanyalah kemalasan alam semesta: benda tidak mengubah geraknya kecuali ada sesuatu yang memaksanya.

​

Hukum kedua — hukum matematika

Gaya = massa × percepatan. $F = ma$

Persamaan kecil ini melakukan banyak pekerjaan. Mari kita baca apa yang sebenarnya dikatakannya.

• Gaya lebih besar → percepatan lebih besar. Dorong kereta lebih kuat, ia melaju lebih cepat. Jelas.
• Massa lebih besar → percepatan lebih kecil untuk gaya yang sama. Dorong mobil sekuat kamu mendorong kereta belanja — mobilnya hampir tidak bergerak. Juga jelas, begitu kamu menyadarinya.

Jadi massa hanyalah ukuran seberapa keras kepala suatu benda menolak dipercepat. Bola boling itu “berat” karena ia menolak. Bola pingpong tidak.

​

Coba di kepalamu

Kamu mendorong buku 1 kg dengan gaya 2 N. Seberapa cepat ia melaju?

$a = \frac{F}{m} = \frac{2 \text{ N}}{1 \text{ kg}} = 2 \text{ m/s}^2$

Setiap detik, kelajuannya bertambah 2 m/s. Keren.

Sekarang dorong tas ransel 10 kg dengan gaya 2 N yang sama.

$a = \frac{2}{10} = 0.2 \text{ m/s}^2$

Massa sepuluh kali lipat → percepatan sepersepuluhnya. Persamaannya cocok dengan firasatmu.

​

Hukum ketiga — hukum dorong balik

Untuk setiap aksi, ada reaksi yang sama besar dan berlawanan arah.

Setiap kali kamu mendorong sesuatu, benda itu mendorongmu kembali dengan gaya yang persis sama besar.

Kedengarannya lebih aneh dari yang sebenarnya. Contoh:

• Kamu mendorong tanah ke bawah dengan kakimu → tanah mendorongmu ke atas. Begitulah cara kamu berjalan.
• Roket mendorong gas panas ke bawah → gas mendorong roket ke atas. Begitulah cara roket terbang.
• Kamu bersandar di dinding → dinding mendorongmu balik dengan gaya yang sama. Kalau tidak, kamu akan jatuh menembusnya.

Kebingungan umum: kalau gayanya sama besar dan berlawanan arah, kenapa ada yang bisa bergerak? Karena kedua gaya itu bekerja pada benda yang berbeda. Saat kamu mendorong kereta, kamu merasakan dorongan ke belakang dan kereta merasakan dorongan ke depan. Kereta dipercepat ke depan, kamu tetap di tempat (karena gesekan dengan lantai mengimbangi dorongan balik dari kereta).

​

Gaya-gaya yang akan kamu temui berulang kali

Gravitasi

Bumi menarik segalanya ke pusatnya. Di permukaan Bumi, ia mempercepat apa pun sekitar 9.8 m/s² (kita menyebutnya $g$). Benda 1 kg merasakan gaya ke bawah sekitar 9.8 N. Itulah beratnya.

Gaya normal

Dorongan balik yang diberikan permukaan saat ada sesuatu yang menempel padanya. Duduk di kursi → kursi mendorongmu ke atas dengan gaya yang pas untuk menahanmu. Ini hukum ketiga Newton beraksi.

Gesekan

Gaya yang menahan dua permukaan agar tidak saling menggeser. Tanpa gesekan, kamu tidak bisa berjalan, menyetir, atau memegang pensil. Dengan terlalu banyak gesekan, tidak ada yang bisa bergerak. Insinyur menghabiskan separuh hidupnya mengatur gesekan.

Tegangan

Tarikan di sepanjang tali, kabel, atau benang. Kalau kamu menggantung beban dari tali, tali itu mengalami tegangan. Seluruh tali menarik sama besar di sepanjangnya — itu sebabnya satu mata rantai lemah memutus seluruh rantai.

Gaya terapan

Apa pun yang kamu (atau motor, atau pegas) dorong atau tarik secara langsung. Gaya “input” di kebanyakan soal.

​

Cara menyelesaikan soal gaya apa pun (metode ala insinyur)

1. Gambar bendanya

   Cukup sebuah kotak. Tidak perlu jadi karya seni.

2. Gambar setiap gaya yang bekerja padanya sebagai panah

   Panjang panah = seberapa besar gayanya. Arah panah = ke mana gaya itu mendorong. Ini disebut diagram bebas benda, dan ini adalah alat paling berguna dalam mekanika.

3. Jumlahkan gaya di setiap arah

   Gaya yang berlawanan arah saling meniadakan. Yang tersisa adalah gaya total.

4. Terapkan F = ma

   Gaya total dibagi massa = percepatan. Selesai.

Kalau gaya total = 0, percepatan = 0. Benda itu akan tetap diam atau meluncur dengan kecepatan tetap. Ini disebut kesetimbangan, dan beginilah cara setiap jembatan, gedung, dan kursi tetap di tempatnya.

Selanjutnya: Energi dan usaha

Cara lain untuk memikirkan gaya — sering kali lebih mudah, selalu elegan.