DINAMIKA PARTIKEL

Dinamika adalah ilmu yang mempelajari tentang gerak beserta pentebab terjadinya gerak yaitu gaya. Perumusan tentang penyebab gerak benda diberikan oleh Isaac Newton. Newton menemukan bahwa semua persoalan gerak di alam semesta dapat diterangkan dengan hanya 3 hukum yang sederhana.

PERTEMUAN 1

FORMULASI HUKUM-HUKUM NEWTON

Tujuan Pembelajaran :

1. Menyebutkan bunyi hukum I Newton dan persamaannya
2. Menyebutkan aplikasi hukum I Newton dalam kehidupan sehari-hari
3. Menyebutkan bunyi hukum II Newton dan persamannya
4. Menyelesaikan soal hukum II Newton dan menyebutkan aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari
   
5. Menyebutkan bunyi hukum III Newton dan persamaannya
6. Menyebutkan aplikasi hukum III Newton dalam kehidupan sehari-hari

A. HUKUM I NEWTON

Mungkin anda pernah mendorong mobil mainan yang diam, jika dorongan anda lemah mungkin mobil mainan belum bergerak, jika gaya dorong diperbesar mobil bergerak atau jika anda naik sepeda meluncur di jalan raya, jika sepeda direm, sepeda berhenti.

Gambar 1.1. Mobil mainan yang didorong.

Berdasarkan uraian di atas, apakah sebenarnya yang membuat mobil mainan yang mula-mula diam menjadi bergerak, dan sepeda yang mula-mula bergerak menjadi diam?

Agar mobil bergerak dan sepeda berhenti diperlukan energi (tenaga). Energi untuk mendorong mobil dan menghentikan sepeda dikerjakan, pada benda dengan suatu alat tertentu. Saat mendorong mobil Anda memakai tangan dan saat mengerem karet rem menyentuh roda sepeda hingga berhenti.Saat tangan menyentuh mobil dan karet rem menyentuh roda, maka tangan dan karet memberikan gaya tekan yang mempengaruhi benda.

Jadi, yang menyebabkan sebuah benda bergerak atau berhenti adalah energi. Energi diperlukan untuk mengerjakan gaya pada benda. Kemudian gaya akan mempengaruhi gerakan benda.
Penyebab benda bergerak ialah energi. Gaya hanya akan mempengaruhi gerak benda.

Ada beberapa pengaruh gaya pada benda bila gaya bekerja pada suatu benda maka:

1. Gaya akan mengubah kecepatan benda dari diam menjadi bergerak, dari bergerak lalu berhenti. seperti pada gambar dibawah:

Gambar 1.2. Mobil mogok didorong hingga bergerak.

2. Gaya dapat mengubah arah gerak benda, misalnya ditunjukkan oleh gambar1.3. berikut :

Gambar 1.3. Bola ditendang dari sisi gawang lalu disundul ke arah gawang.

3. Gaya juga dapat mengubah bentuk benda.

Jika Anda memiliki balon, tiup dan ikatlah balon, sehingga balon tetap menggembung. Apa yang terjadi jika balon tadi kita tekan perlahan dengan tangan? Pasti Anda akan mendapatkan balon agak kempes, atau bentuk balon berubah. Perubahan bentuk balon karena pengaruh gaya tekan. Gaya dapat mempengaruhi ukuran sebuah benda, karet jika ditarik akan bertambah panjang, sedangkan pegas jika ditekan akan bertambah pendek.

Selanjutnya, coba Anda bayangkan seandainya Anda meletakkan gelas yang diam di atas meja datar, amati beberapa saat, apakah gelas tetap diam atau menjadi bergerak? Anda akan mendapatkan bahwa gelas tetap diam, karena tidak ada gaya yang bekerja pada gelas. Seperti pada gambar dibawah:

Gambar 1.4. Gelas diam tetap diam

Bagaimana jika Anda membayangkan sedang mengamati kelereng yang sedang meluncur di lantai licin yang datar, apakah kelereng akan terus meluncur bergerak atau berhenti? Jika keadaan lantai licin sempurna, Anda akan mendapatkan kelereng terus bergerak, karena tidak ada gaya yang menghentikan kelereng. Seperti pada gambar dibawah:

Gambar 1.5. Kelereng yang bergerak tetap bergerak.

Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa benda yang diam cenderung untuk diam, benda yang bergerak cenderung untuk tetap bergerak. Hal ini disebut sifat kelembaman benda.

Seorang ahli fisika dari Inggris bernama Newton, merumuskan peristiwa-peristiwa seperti di atas, dan selanjutnya disebut dengan Hukum I Newton, yang berbunyi:

"Suatu benda akan tetap diam atau tetap bergerak lurus beraturan jika jumlah seluruh gaya pada benda sama dengan nol".

Hukum di atas dituliskan:

SF = 0 Newton

Dengan SF adalah resultan gaya pada benda (N),
1 newton = 1 kg ms-2.

Contoh soal:

1. Gambar di bawah adalah suatu benda (balok) terletak di atas bidang datar yang licin.

Balok mengalami gaya tarik F1 = 15 N ke kanan dan gaya F2 ke kiri. Jika benda tetap diam berapa besar F2?

Gambar 1.6. Beban mengalami dua gaya

Jawaban
Karena benda tetap diam, sesuai dengan Hukum I Newton

SF = 0
F1-F2 = 0
F2 = F1
= 0

Latihan :

1. Buatlah contoh lain aplikasi hukum I Newton Yang terdapat dalam kehidupan sehari-hari!

HUKUM II NEWTON

Bagaimana hubungan antara Percepatan dan Gaya ?

Pernahkah anda mendorong sesuatu ? mungkin motor yang mogok atau gerobak sampah jika belum pernah mendorong sesuatu seumur hidup anda, gurumuda menyarankan agar sebaiknya anda berlatih mendorong. Tapi jangan mendorong mobil orang lain yang sedang diparkir, apalagi mendorong teman anda hingga jatuh. Ok, kembali ke dorong…



Bayangkanlah anda mendorong sebuah gerobak sampah yang bau-nya menyengat. Usahakan sampai gerobak tersebut bergerak. Nah, ketika gerobak bergerak, kita dapat mengatakan bahwa terdapat gaya total yang bekerja pada gerobak itu. Silahkan dorong gerobak sampah itu dengan gaya tetap selama 30 detik. Ketika anda mendorong gerobak tersebut dengan gaya tetap selama 30 menit, tampak bahwa gerobak yang tadinya diam, sekarang bergerak dengan laju tertentu, anggap saja 4 km/jam. Sekarang, doronglah gerobak tersebut dengan gaya dua kali lebih besar (gerobaknya didiamin dulu). Apa yang anda amati ? wah, gawat kalau belajar sambil ngelamun…



Jika anda mendorong gerobak sampah dengan gaya dua kali lipat, maka gerobak tersebut bergerak dengan laju 4 km/jam dua kali lebih cepat dibandingkan sebelumnya. Percepatan gerak gerobak dua kali lebih besar. Apabila anda mendorong gerobak dengan gaya lima kali lebih besar, maka percepatan gerobak juga bertambah lima kali lipat. Demikian seterusnya. Kita bisa menyimpulkan bahwa percepatan berbanding lurus dengan gaya total yang bekerja pada benda.


Seandainya percobaan mendorong gerobak sampah diulangi. Percobaan pertama, kita menggunakan gerobak yang terbuat dari kayu, sedangkan percobaan kedua kita menggunakan gerobak yang terbuat dari besi dan lebih berat. Jika anda mendorong gerobak besi dengan gaya dua kali lipat, apakah gerobak tersebut bergerak dengan laju 4 km/jam dua kali lebih cepat dibandingkan gerobak sebelumnya yang terbuat dari kayu ?
Tentu saja tidak karena percepatan juga bergantung pada massa benda.


Hubungan ini dikemukakan oleh Newton dalam Hukum II Newton tentang Gerak :

"Jika suatu gaya total bekerja pada benda, maka benda akan mengalami percepatan, di mana arah percepatan sama dengan arah gaya total yang bekerja padanya. Vektor gaya total sama dengan massa benda dikalikan dengan percepatan benda".

Secara matematis dapat dirumuskan :

sF = m.a

Ket :
m = massa benda (kg)
a = percepatan (m/s2)

Jika persamaan di atas ditulis dalam bentuk a = F/m, tampak bahwa percepatan sebuah benda berbanding lurus dengan resultan gaya yang bekerja padanya dan arahnya sejajar dengan gaya tersebut. Tampak juga bahwa percepatan berbanding terbalik dengan massa benda.

Contoh soal 1 :
Berapakah gaya total yang dibutuhkan untuk memberi percepatan sebesar 10 m/s2 kepada mobil yang bermassa 2000 kg ?

Jawaban :

Dik : m = 2000 Kg
a = 10 m/s2
Dit : F =...?

Jawab : F = m a
F = 2000 kg x 10 m/s2
F = 20.000 N

kerjakan latihan dibawah ini :

1. Ani mendorong sebuah kotak bermassa 1 kg yang terletak pada permukaan meja datar tanpa gesekan,dengan gaya sebesar 5 N. berapakah percepatan yang dialami kotak tersebut ?

2. Sebuah balok dengan massa 4 kg bergerak diatas permukaan lantai licin dengan kecepatan 8 m/s dalam waktu 4 sekon. Berapa besar gaya dalam arah horizontal yang dibutuhkan untuk menjaga balok tetap bergerak dengan kecepatan tetap?

HUKUM III NEWTON DAN JENIS-JENIS GAYA

PERTEMUAN KE 2

Pernahkah kalian menendang batu ? belum… Pernakah kalian menendang sesuatu ? jika pernah, apa yang anda rasakan ? sakit… bisakah dirimu menjelaskan mengapa tangan atau kaki terasa sakit ? Apabila anda tidak bisa menjelaskannya, pelajarilah Hukum III Newton dibawah ini dengan penuh semangat........

Ketika kita mendorong dindng tembok sebuah bangunan maka kita akan merasakan sebuah gaya yang mendorong kita dalam arah yang berlawanan dengan arah dorongan kita terhadap tembok itu. seperti pada gambar 3a dibawah :

Gambar 3a. orang mendorong dinding tembok.

Semakin kuat kita mendorong tembok semakin kuat pula tembok itu melawan dorongan kta. Hal ini menunjukkan bahwa gaya selalu berpasangan dimana keduanya sama besar, tetapi arahnya berlawanan, dan bekerja pada dua buah benda berbeda ini disebut sebagai pasangan reaksi-aksi. Newton menyatakan pasangan aksi-reaksi ini dalam hukum 3 Newton yang berbunyi :

"Jika benda pertama melakukan gaya pada benda ke dua, maka benda kedua akan melakukan gaya yang sama besar pada benda pertama, tetapi arahnya berlawanan dengan arah gaya yang diberikan benda pertama".

Secara matematis, huklum 3 Newton dinyatakan sebagai berikut:

F(aksi) = -F (reaksi)

syarat-syarat gaya aksi reaksi yaitu:
1.Arahnya berlawanan.
2.Besarnya sama (karena sistem diam).
3.Bekerja pada benda yang berbeda.


Aplikasi hukum 3 Newton dalam kehidupan sehari-hari:

1. Pada saat berjalan telapak kaki mendorong lantai kebelakang sebagai aksi dan lantai mendorong telapak kaki kedepan sebagai reaksi.



2. Pada saat berenang, kaki dan tangan mendorong air kebelakang sebagai aksi dan air mendorong kaki dan tangan kedepan sebagai reaksi.


3. Pada senapan ,peluru mendorong senapan kebelakang(aksi). sebagai reaksi, senapan mendorong peluru kedepan sehingga senapan akan terdorong kebelakang. jika senapan ditahan oleh petembak maka petembak akan merasakan dorongan senapan.




Tugas :

Buatlah contoh lain penerapan hukum III Newton yang terdapat dalam kehidupan sehari-hari !


A. Pengertian Gaya

Gaya adalah tarikan atau dorongan. resultan gaya adalah suatu gaya tunggal yang ekivalen dengan gaya yang bekerja pada suatu benda atau system yang ditinjau.

B. Jenis-jenis Gaya

Gaya dapat dibagi menjadi beberapa jenis :

1. Gaya Berat

gaya berat sering disebut dengan berat. terkadang kita sulit untuk membedakan atara berat dengan massa. Massa (m) adalah ukuran banyaknya materi yang dikandung oleh suatu benda, dan dinyatakan dalam satuan (kg), sedangkan berat (w) adalah gaya yang diterima benda akibat gravitasi bumi.

Berdasarkan Hukum II Newton, berat benda dirumuskan:

w = m.g

di mana

w = gaya gravitasi bumi pada benda atau berat benda dalam Newton
m = massa benda, dalam kg
g = percepatan gravitasi bumi yang besarnya 9,8 ms-2 kadang-kadang untuk memudahkan dibulatkan menjadi 10 ms-2

Contoh soal :

Berat benda yang massanya 2 kg, jika g = 9,8 ms-2 adalah:

w = m g
w = 2. 9,8
w = 19,6 Newton.

Semua benda yang berada di atas permukaan bumi pada jarak tertentu dari pusat bumi akan mengalami gaya gravitasi yang dinamakan gaya berat w. Gaya berat w kedudukannya pada pusat massa benda itu dan arahnya menuju pusat bumi. Beberapa gambar gaya berat benda diperlihatkan oleh gambar 2.6.

Gambar 2.6. Kedudukan Gaya Berat.

Dari gambar 2.6. nampak bahwa gaya berat (w) dapat digambarkan mengambil kedudukan tegak lurus terhadap permukaan tanah.

Dalam menyelesaikan persoalan-persoalan dinamika penempatan gaya berat dan gaya normal dalam sistem benda turut menentukan hasil yang diperoleh.

2. Gaya Normal

Ketika balok jatuh telah sampai kelantai gaya gravitasi tetap bekerja walaupun benda sudah berhenti. Sesuai Hukum III Newton , gaya aksi (Gaya Berat) yang dikerjakan benda pada lantai akan menimbulkan gaya reaksi dari lantai pada benda gaya ini di sebut Gaya Normal.

Arah gaya normal selalu tegak lurus dengan permukaan sentuh.

3. Gaya Gesekan

Gaya gesekan adalah gaya yang ditimbulkan ketika dua permukaan benda saling bersentuhan. Arah Gaya gesekan selalu berlawanan dengan arah gerak benda. Ada dua jenis gaya gesekan, yakni :

• Gaya gesekan statis

Gaya gesekan statis adalah gaya gesekan yang menyebabkan benda tidak dapat bergerak (statis ). Nilai gaya yang dikerjakan harus lebih besar daripada gaya gesek statis maksimum.

Besarnya gaya ini: gesekan statis maksimum pada benda artinya jika kita ingin mendorong benda sampai dapat bergerak besarnya


Dimana

µs = koefisien gesek statis


Mengapa anak tersebut tidak mampu membuat lemari brankas bergerak..?

Hal itu terjadi karena gaya yang di berikan anak itu masih lebih kecil dari pada gaya gesek statis maksimum lemari brankas.

Ternyata brankas itu dapat bergerak walaupun lajunya lambat.

Kelajuan lambat ini di karenakan gaya gesek statis yang bekerja pada lemari brankas.

• Gaya gesekan kinetis

Gaya gesek kinetis adalah gaya gesek yang terjadi saat benda bergerak.gaya gesek kinetis menghambat laju benda, arah gaya gesek kinetic berlawanan dengan arah gerak benda. Besarnya gaya gesek kinetis adalah:

Dimana:

µk = koefisien gesek kinetic
N = Gaya normal benda, Newton


4. Gaya Sentripetal

Gaya Sentripetal adalah gaya yang di miliki benda saat benda bergerak dalam lintasan berbentuk lingkaran, dengan gaya sentripetal benda dapat bertahan pada lintasannya.

Perhatikan gerak benda di bawah ini!


Gaya sentripetal pada tali menyebabkan benda tetap dalam lintasan melingkar.



kerjakan latihan dibawah ini :

1. Mengapa gaya gesekan statis selalu lebih besar daripada gaya gesekan kinetis?
2. Misalakan sebongkah batu dapat ditempatkan pada suatu tempat diangkasa luar yang jauh dari semua nemda langit( satelit, planet, dan matahari) sehingga percepatan grafitasi ditempat tersebut nyaris nol. tenteu berat batu ditempat tersebut juga nyaris nol. sehingga batu kehilangan berat dan akan tampak melayang-layang. aakah massa batu juga nyaris nol?
3. apakah kekasaran atau kehalusan permukaan mempengaruhi besar gaya gesekan?