Dinamika Gerak Lurus: materi, rumus, soal, penyelesaian soal serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari

Sahabat fisioner, pada materi kinematika gerak lurus 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 materi ini, sahabat fisioner akan menyelidiki hubungan antara gaya dan gerak. Sebelum sahabat fisioner mempelajari tentang dinamika ini, pertama kita akan membahas konsep gaya secara kualitatif.

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 di atas, 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 materi sebelumnya. Untuk mengukur besar atau kekuatan gaya, dapat dilakukan dengan menggunakan neraca pegas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar berikut.

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 (w) 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 (w) 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.

w = m . g

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 (w). 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 di atas.

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.

fs = Ms.N

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.

Benda yang diam akan bergerak jika terkena gaya. Hal ini dipelajari oleh Sir Isaac Newton (1642 - 1727) yaitu seorang ilmuwan dari Inggris (Lihat Gambar diatas). Hasil pengamatan Newton menghasilkan ketentuan yang dikenal dengan hukum Newton.

Pernahkan sahabat fisioner menumpang bis? Saat bis tiba-tiba berhenti maka tubuh kita akan terdorong ke depan. Gerakan tubuh kita melawan arah penghentian bis menunjukkan bahwa tubuh cenderung ingin terus bergerak. Sedangkan saat kita naik bis dan bis tiba-tiba bergerak, biasanya kita akan terdorong ke arah belakang dari tempat duduk kita. Gerakan tubuh berlawanan dengan pergerakan bis menunjukkan bahwa tubuh kita cenderung untuk diam. Fenomena seperti ini dikenal dengan istilah kelembaman. Kelembaman dari suatu benda dinyatakan oleh Newton dalam pernyataannya yang dikenal dengan Hukum I Newton.

Prinsip inilah yang menyebabkan kamu terdorong ke depan ketika bus tiba-tiba direm atau terdorong ke belakang ketika bus bergerak maju secara mendadak. Keadaan tersebut berhubungan dengan sifat kelembaman dirimu. Oleh sebab itu, Hukum I Newton dikenal dengan hukum kelembaman. Dari hukum tersebut dapat diperoleh bahwa apabila gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol (F = 0), maka :

Hukum I Newton ini diaplikasikan oleh pesulap dalam permainan trik sulap menarik taplak meja yang diatasnya berisi sejumlah makanan. Pesulap mengupayakan menarik taplak meja dengan sangat cepat sehingga makanan yang ada di atas taplak meja tidak ikut tertarik. Hal ini dapat terjadi karena makanan yang ada di atas taplak meja cenderung untuk mempertahankan keadaan diamnya. Hal ini sesuai dengan hukum I Newton bahwa benda yang diam cenderung untuk mempertahankan keadaan diamnya.

Pengaruh Gaya terhadap Percepatan

Bagaimanakah akibatnya pada suatu benda apabila resultan gaya yang bekerja padanya tidak sama dengan nol? Tentu hanya ada satu kemungkinan, benda pasti akan bergerak. Apabila resultan gaya yang bekerja pada benda tidak sama dengan nol tetapi konstan, benda akan bergerak lurus berubah beraturan. Benda yang bergerak lurus berubah beraturan kecepatannya berubah secara beraturan sehingga mengalami percepatan yang tetap. Ketika kamu mendorong mobil seorang diri, tentu mobil tersebut bergerak lambat. Beda halnya ketika kamu bersama teman-temanmu mendorongnya, mobil tersebut lebih mudah lagi bergerak. Hal ini terjadi karena gaya yang diberikan terhadap mobil olehmu sendiri lebih kecil dibandingkan ketika kamu dibantu teman-temanmu. Semakin besar resultan gaya yang bekerja pada suatu benda, percepatannya akan semakin besar. Besarnya percepatan suatu benda sebanding dengan resultan gayanya. Apabila percepatan disimbolkan dengan a dan resultan gaya disimbolkan dengan ∑F, dapat dituliskan

Suatu benda memiliki sifat kelembaman yang selanjutnya disebut massa kelembaman. Massa kelembaman ini sangat memengaruhi percepatan gerak suatu benda. Jika dibandingkan dengan mendorong sebuah mobil, mendorong sebuah sepeda motor akan lebih mudah. Sepeda motor akan lebih cepat gerakannya dibandingkan dengan mobil ketika kita dorong sendirian. Untuk resultan gaya tetap yang bekerja pada suatu benda dengan massa semakin besar, semakin kecil percepatan yang terjadi. Hal ini membuktikan bahwa percepatan benda berbanding terbalik dengan massa benda. Apabila massa kelembaman benda disimbolkan dengan m, diperoleh hubungan percepatan dan massa sebagai berikut.

Gejala-gejala tersebut telah dipelajari sebelumnya oleh Newton sehingga menghasilkan Hukum II Newton.

Apabila kamu memiliki sepatu roda, coba pakailah sepatu roda Anda. Kemudian ikatkan sebuah tali pada dinding, lalu tariklah tali tersebut. Apakah yang terjadi? Apabila kamu tarik dinding melalui tali, ternyata kamu tertarik oleh dinding, seolah-olah ada gaya yang menarikmu ke dinding sebagai reaksi dari gaya tarik yang kamu berikan. Kegiatan tersebut menunjukkan bahwa apabila kamu memberikan gaya aksi pada suatu benda, ternyata benda tersebut akan mengadakan gaya reaksi yang arahnya berlawanan. Adanya gaya aksi dan reaksi yang saling berlawanan saat suatu gaya bekerja pada benda dinyatakan oleh Newton dalam Hukum III Newton.

Secara matematis hukum III Newton dapat dirumuskan sebagai :

F_aksi = - F_reaksi

tanda ( - ) menunjukkan arah gaya yang berlawanan.

Aplikasi hukum III Newton ini terlihat dengan jelas pada tank yang menembakkan senjatanya (Lihat gambar di atas). Ketika peluru terdorong keluar tank, laras tank akan terdorong ke belakang. Hal tersebut terjadi karena adanya gaya reaksi yang dialami oleh peluru dan laras tank.