Dinamika Gerak

DINAMIKA GERAK

 

A. Massa dan Berat

Massa dan berat merupakan dua hal yang berbeda, meskipun dalam keseharian orang sering mencampur adukkan pengertian keduanya. Misalnya, ada seseorang yang  mengatakan berat tubuhnya 60 kg, padahal yang dimaksud tubuhnya bermassa 60 kg.  Massa adalah ukuran banyaknya materi yang di kandung oleh suatu benda. Atau, Massa adalah ukuran kelembaman ( kemampuan mempertahankan gerak ) suatu benda. Massa suatu benda di manapun sama. Massa benda dan di bumi dan di bulan sama. Massa benda dan di puncak yang tinggi juga sama. Hal biasa di pahami karena massa menyatakan banyaknya zat yang di kandung oleh suatu benda.

Berat adalah gaya gravitasi bumi ( sering disebut gaya tarik bumi ). Karena itu vektor berat selalu berarah tegak lurus pada permukaan bumi menuju ke pusat bumi. Dengan demikian vektor suatu benda dibumi selalu berarah tegak lurus kebawah dimanapun posisi benda diletakkan, baik horizontal, miring atupun tegak.      Berat  adalah besarnya gaya gravitasi bumi yang bekerja pada suatu benda. Berat benda dapat di ubah-ubah  menurut tempat dimana benda tersebut berada. Berat benda di bumi dan di bulan berbeda-beda, karena berat menyatakan ukuran gaya gravitasi yang bekerja pada benda tersebut. Gaya gravitasi bumi lebih besar dari pada gaya gravitasi bulan. Akibatnya berat benda ketika berada di bumi lebih besar dibandingkan beratnya ketika berada di bulan. Berat benda di puncak lebih kecil dibandingkan beratnya ketika berada di tepi pantai. Makin tinggi benda ini dari permukaan bumi, maka beratnya lebih kecil. Massa benda (m) tetap, maka berat benda (w) ditentukan oleh percepatan gravitasi berbeda dengan satu tempat dengan tempat yang lain. Percepatan gravitasi di bulan adalah 1/6 kali gravitasi di bumi. Akibatnya berat benda di bulan 1/6 kali dari beratnya bumi.

Perbedaan massa dan berat
Massa :
     1. Menyatakan banyaknya materi yang terkandung pada suatu benda.
     2. Besarnya di mana-mana tetap
     3. Termasuk besaran skalar (besaran yang hanya memiliki besar saja)
     4. Satuan dalam internasional (SI) adalah kilogram
     5. Diukur dengan menggunakan neraca Ohauss

Berat :
     1. Menyatakan besarnya gaya tarik gravitasi bumi yang bekerja pada suatu          benda
     2. Besarnya berubah-ubah sesuai kedudukannya (tergantung pada percepatan gravitasi di tempat tersebut). Semakin jauh dari pusat bumi berat suatu benda semakin berkurang. Demikian juga berat benda di kutub akan lebih besar dibandingkan berat benda di khatulistiwa.
     3. Termasuk besaran vektor (besaran yang memiliki besar dan arah)
     4. Satuan dalam internasional (SI) adalah newton
     5. Diukur dengan menggunakan neraca pegas (dinamometer)

Misalnya, sebuah apel yang  bermassa 200 g akan mempunyai berat yang berbeda-beda ketika ditimbang pada tempat yang berbeda. Apel yang bermassa 200 g, mempunyai berat 1,96 N  ketika ditimbang dipermukaan bumi (percepatan gravitasi 9,8 m/s²), beratnya 1,952 ketika ditimbang di atas gunung (percepatan gravitasi 9,76 m/s²), bahkan beratnya hanya 0,327 ketika ditimbang di bulan.

Hubungan massa dan berat

Jika suatu benda di lepaskan dari ketinggian tertentu benda akan jatuh. Jika hambatan agin di abaikan , maka satu-satunya gaya yang bekerja pada benda adalah gaya gravitasi bumi ( berat benda ). Benda akan mengalami gerak jatuh bebas dengan percepan kebawah sama dengan percepatan gravitasi.

Massa dan berat dihubungkan dengan persamaan
              W = m g
W = berat (N)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s²)

Contoh Soal
Seorang anak  bermassa 40 kg ketika ditimbang di bumi. Jika percepatan gravitasi bumi 9,8 m/s² dan percepatan gravitasi bulan 1/6 kali percepatan gravitasi bumi. Tentukan :
a. berat benda di bumi
b. massa benda di bulan
c. berat benda di bulan

Penyelesaian
Diketahui :
m_bm = 40 kg
g_bm = 9,8 m/s²
g_bl = 1/6 x gbm

Ditanya :
a. W_bm
b. m_bl
c. W_bl

Jawab :
a.  W_bm = m_mb. gbm  = 40. 9,8 = 392 N
b. Massa di mana-mana tetap, sehingga m_bm = m_bl = 40 kg
c. W_bl = m_bl. g_bl  = 40. 1/6. 9,8 = 65,3 N

B. Gaya dan Macam – Macam Gaya

Gaya dibedakan menjadi gaya sentuh dan gaya tak sentuh. Gaya sentuh terjadi jika benda yang memberikan gaya dan benda yang menerima gaya melakukan kontak langsung. Contohnya, orang menarik orang, orang menarik karet, mobil menabrak mobil lain, dan atlet memutar martil. Pada gaya tak sentuh, benda yang memberikan gaya dan benda yang menerima gaya tidak terjadi kontak langsung. Contohnya, gaya tarik matahari pada planet-planet yang mengelilinginya, gaya antara magnet dan besi, serta gaya antara potongan-potongan kertas kecil dengan mistar plastik yang sudah digosok dengan rambut kering.

Besaran gaya dapat diukur menggunakan alat ukur gaya yang sederhana disebut neraca pegas. Neraca pegas terdiri atas sebuah pegas yang digantungi dengan kait penggantung beban. Di atas pegas terdapat jarum penunjuk gaya. Ketika gaya pada kait beban merentangkan pegas, jarum penunjuk akan bergerak pada skala neraca. Angka pada skala neraca menunjukkan besar gaya yang sedang diukur. Semakin kuat pegas, semakin besar gaya yang dapat diukur oleh neraca pegas.

Satuan gaya dalam Satuan Internasional (SI) adalah newton dan dilambangkan N.

Satuan yang lainnya adalah dyne.

1 Newton = 105 dyne.

Gravitasi menimbulkan gaya sebesar 9,8 N pada setiap kilogram massa.

Ada beberapa macam gaya yang kita kenal diantaranya : Gaya gesek, Gaya gravitasi, Gaya otot, Gaya mesin, Gaya pegas, Gaya magnet.

1.     Gaya Gesekan

Gaya gesekan merupakan gaya yang ditimbulkan oleh peermukaan benda yang saling bergesekan. Kedua permukaan yang bergesekan pasti bersentuhan sehingga gaya gesekan dikatakan gaya sentuh. Gaya gesekan arahnya selalu berlawanan dengan arah gerak benda, sehingga dapat melambatkan gerak benda. Gesekan mengubah energi kinetik menjadi energi panas ketika gesekan menahan gaya gesekan.

Gaya gesekan dibedakan menjadi :

• Gaya gesekan statis, merupakan gaya gesekan yang timbul sejak benda diberi gaya sampai sesaat sebelum benda dimulai bergerak.
• Gaya gesekan kinetis, adalah gaya gesekan yang timbul ketika benda bergerak.

 

Gaya gesekan ditentukan oleh kehalusan atau kekasaran permukaan benda yang bersentuhan. Semakin halus permukaan benda maka semakin kecil gaya gesekan. Dan sebaliknya, semakin kasar permukaan benda, semakin besar gaya gesekan. Cara mengurangi gesekan dengan menggunakan minyak pelumas, untuk mengambangkan kedua permukaan sehingga keduanya tidak langsung bersentuhan.

Contoh gaya gesekan dalam kehidupan sehari-hari :

• Pembuatan jalan raya tidak boleh licin sehingga saat bergesekan dengan ban tidak akan tergelincir
• Mata bor dengan gerinda dan pisau yang diasah juga memanfaatkan gaya gesekan sehingga pisau bisa lebih tajam
• Gesekan antara sepatu pemain sepak bola dengan rumput menyebabkan pemain tidak mudah jatuh. Pada bawah sepatu terdapat paku-paku agar tidak tergelincir.
• Korek api menggunakan gesekan.
• Rem sepeda dengan menggunakan dua bantalan karet untuk menjepit poros ban sepeda.

Gaya gesekan yang merugikan :

• Gaya gesekan pada permukaan dan yang sedang bergerak menimbulkan panas pada permukaan tersebut. Ban yang melaju dengan waktu yang lama akan menjadi panas dan mudah pecah.
• Gaya gesekan pada mesin kendaraan menyebabkan mesin cepat aus, cepat panas, dan penggunaan bahan bakar menjadi boros. Karena itu, mesin diberi minyak pelumas untuk mengurangi gesekan.
• Gaya gesekan antara air hujan dengan tanah pegunungan yang tandus menyebabkan erosi dan kesuburan tanah menjadi hilang.
• Gesekan antara mobil dengan udara menyebabkan mobil tidak dapat bergerak dengan kecepatan maksimal.

 

 

2.    Gaya Berat (Gaya Gravitasi)

Gaya berat merupakan gaya tarik antara dua benda yang memiliki massa. Gaya ini juga disebut gaya gravitasi. Adanya gaya gravitasi bumi menyebabkan semua benda yang ada di permukaan bumi selalu ditarik ke arah pusat bumi. Semakin jauh dari pusat bumi, maka berat benda semakin berkurang.

Penerapan gaya gravitasi dalam kehidupan sehari-hari adalah sebagai berikut :

• Para penerjun bebas mengalami percepatan gravitasi penuh hanya selama beberapa saat setelah melompat dari pesawat.
• Pesawat luar angkasa yang sedang beredar mengelilingi bumi akan mengalami percepatan ke arah bumi akibat gaya gravitasi. Akibatnya penumpang pesawat merasa kehilangan berat badan karena gaya yang dapat menyebabkan benda jatuh bebas.

3.    Gaya Pegas

Gaya pegas adalah gaya yang dimiliki oleh pegas yang tergantung atau pegas yang terenggang ataupun termampatkan. Gaya pegas juga terdapat pada anak panah yang terlepas dari busurnya. Contoh lainnya : perenang yang meloncat dari papan loncat di kolam renang.

4.    Gaya Listrik

Gaya listrik adalah gaya yang ditimbulkan oleh benda-benda yang bermuatan listrik. Contoh gaya listrik adalah alat rumah tangga yang digerakkan dengan tenaga listrik, seperti solder listrik mengubah energi listrik menjadi energi panas, radio mengubah energi listrik menjadi energi bunyi, serta lampu mengubah energi listrik menjadi energi cahaya.

5.    Gaya Otot

Gaya otot adalah tarikan atau dorongan terhadap suatu benda yang dihasilkan oleh otot. Contohnya gaya otot dalam kehidupan sehari-hari adalah kuda yang menarik kereta, orang yang mendorong mobil.

6.    Gaya Mesin

Gaya mesin adalah tarikan atau dorongan yang dilakukan oleh mesin. Contohnya, sebuah mobil yang sedang bergerak melaju karena adanya gaya mesin.

7.    Gaya Magnet

Gaya magnet adalah tarikan atau dorongan yang dilakukan oleh magnet. Contohnya besi diatas meja akan tertarik oleh magnet saat didekatkan.

C. Hukum Newton I,II,III

Hukum 1 Newton
          Hukum Newton ini berbunyi "Jika resultan gaya yang bekerja pada benda yang sama dengan nol,maka benda yang mula2 diam akan tetap diam. Benda yang mula-mula bergerak lurus beraturan akan tetap lurus beraturan".

Rumus Hukum Newton 1 : ∑F = 0, Artinya resultan gaya sama dengan nol.

Benda yang diam akan bergerak jika diberi gaya. Benda yang sudah bergerak dengan kecepatan tertentu, akan tetap bergerak dengan kecepatan itu jika tidak ada gangguan (gaya). Hal diatas merupakan dasar dari Hukum Newton I yang dapat dituliskan sebagai berikut:
Jika gaya total yang bekerja pada benda itu sama dengan nol, maka benda yang sedang diam akan tetap diam dan benda yang sedang bergerak lurus dengan kecepatan tetap akan tetap bergerak lurus dengan kecepatan tetap. Secara sederhana Hukum Newton I mengatakan bahwa percepatan benda nol jika gaya total (gaya resultan) yang bekerja pada benda sama dengan nol. Hukum Newton I sering disebut dengan hukum Inersia, Hukum Newton I ini berlaku jika keadaan benda memenuhi syarat jumlah gaya yang bekerja pada benda adalah sama dengan nol.


Sebenarnya pernyataan hukum Newton I di atas sudah pernah diucapkan oleh Galileo beberapa tahun sebelum Newton lahir Galileo mengatakan: Kecepatan yang diberikan pada suatu benda akan tetap dipertahankan jika semua gaya penghambatnya dihilangkan.
Contoh inersia benda adalah: meja yang diam selamanya akan diam (tidak bergerak) selama tidak ada gaya yang bekerja padanya, karung di atas mobil terlempar ke depan ketika mobilnya tiba-tiba berhenti karena tabrakan.
Contoh:
- Penumpang akan serasa terdorong kedepan saat mobil yang bergerak cepat direm mendadak.
- Koin yang berada di atas kertas di meja akan tetap disana ketika kertas ditarik secara cepat.

Hukum 2 Newton
          Bunyi hukum ke-2 Newton adalah “Perceoatan yang ditimbulkan oleh gaya yang bekerja pada benda berbanding lurus dengan besar gayanya dan berbanding terbalik dengan masa benda”.
Penerapan hukum 2 newton ini adalah Mobil yang melaju dijalan raya akan mendapatkan percepatan yang sebanding dengan gaya dan berbading terbalik dengan massa mobil tersebut. Hukum Newton II akan membicarakan keadaan benda jika resultan gaya yang bekerja tidak nol. Bayangkan anda mendorong sebuah benda yang gaya F dilantai yang licin sekali sehingga benda itu bergerak dengan percepatan a. Menurut hasil percobaan, jika gayanya diperbesar 2 kali ternyata percepatannya menjadi 2 kali lebih besar. Demikian juga jika gaya diperbesar 3 kali percepatannya lebih besar 3 kali lipat. Dan sini kita simpulkan bahwa percepatan sebanding dengan resultan gaya yang bekerja. Dan massa bendanya divariasikan tetapi gayanya dipertahankan tetap sama. Jika massa benda diperbesar 2 kali, ternyata percepatannya menjadi ½ kali. Demikian juga jika massa benda diperbesar 4 kali, percepatannya menjadi ¼ kali percepatan semula. Dari sini kita bisa simpulkan bahwa percepatan suatu benda berbanding terbalik dengan massa benda itu.
Kedua kesimpulan yang diperoleh dari eksperimen tersebut dapat diringkaskan dalam Hukum Newton II : Percepatan suatu benda sebanding dengan resultan gaya yang bekerja dan berbanding terbalik dengan massanya.

Rumus Hukum Newton 2  : 

a = ∑F  atau F = m x a

Keterangan :  F = Gaya dalam newton (N)
                        m= Masa benda dalam kilogram (kg)
                         a = Percepatan dalam (m/s²)

Hukum 3 Newton
          Untuk hukum ke 3 Newton ini berbunyi "Jika benda pertama mengerjakan gaya terhadap benda kedua, maka benda kedua akan mengerjakan gaya terhadap benda pertama yang besarnya sama, tetapi arahnya berlawanan."
Hukum ketiga menyatakan bahwa tidak ada gaya timbul di alam semesta ini, tanpa keberadaan gaya lain yang sama dan berlawanan dengan gaya itu. Jika sebuah gaya bekerja pada sebuah benda (aksi) maka benda itu akan mengerjakan gaya yang sama besar namun berlawanan arah (reaksi). Dengan kata lain gaya selalu muncul berpasangan. Tidak pernah ada gaya yang muncul sendirian.
Contoh :
üGaya gravitasi bumi
          Gaya aksi adalah berat benda itu W = mg. Gaya ini dialami benda akibat tarikan bumi (abaikan gaya-gaya lain).  Gaya reaksinya adalah gaya pada bumi akibat tarikan benda itu, WR = -W.
Gaya reaksi WR ini akan memberikan percepatan pada bumi mendekati benda sama seperti gaya W menarik benda ke permukaan akibat gaya reaksi sangat kecil sekali, sehingga boleh diabaikan bumi boleh dianggap tetap diam).
 Rumus Hukum Newton 3 : F aksi = - F reaksi

Contohnya: Mendorong mobil, gaya tarik menarik magnet.

 

D. Aplikasi Hukum Newton Pada Gerak

Hukum-hukum Newton tentang gerak dapat menjelaskan beberapa peristiwa gerak dalam kehidupan sehari-hari. Sebagai contoh, alasan mengapa pengendara mobil dianjurkan untuk menggunakan sabuk pengaman. Menurut Hukum I Newton suatu benda akan cenderung mempertahankan kedudukannya. Jika benda diam, cenderung tetap diam, dan jika benda bergerak cenderung terus bergerak. Ketika naik mobil ada dua kemungkinan yang terjadi, yaitu mobil diam tiba-tiba bergerak dan ketika melaju kencang tiba-tiba mobil direm mendadak. Pada kemungkinan pertama(mobil diam tiba-tiba bergerak ),tidak terlalu berbahaya karena tubuh akan tertahan oleh jok mobil, tetapi pada kemungkinan kedua (mobil tiba-tiba di rem) sangat berbahaya karena tubuh akan cenderung bergerak dan jika tidak menggunakan sabuk pengaman tubuh bisa terhenyak pada dashboard mobil. Seseorang akan mengalami gaya tekan dasboard mobil sebesar 10 kali berat badannya jika dihentikan mendadak pada kelajuan 70 km/jam.

Dengan menggunakan sabuk pengaman kecelakaan semacam itu dapat diminimalisiasi. Mobil-mobil terbaru selain dilengkapi sabuk pengaman, juga ditambah dengan balon udara yang akan menggembung jika terjadi tabrakan. Sabuk Pengaman Mengapa mobil perlu terus-menerus diinjak pedal gasnya agar kelajuan sepeda motor konstan? Selain gaya dorong mesin, mobil juga mengalami gaya-gaya gesekan baik dari mesin maupun udara. Menurut Hukum I Newton, agar benda bergerak dengan kelajuan konstan, resultan gaya harus sama dengan nol. Karena itu gaya gesekan ini harus diimbangi Ilmu Pengetahuan Alam 2 Paket 6 Penerapan Hukum-hukum Newton dalam Gerak 6 - 7 dengan gaya tarik/dorong mesin sepeda motor dengan cara digas. Ketika mobil bergerak dengan kelajuan konstan, gaya dorong mesin sama dengan gaya gesek.

Mobil dan Gaya Gesekan Mengapa sepeda balap dirancang seringan mungkin? Sepeda Balap Dibuat Seringan Mungkin Menurut Hukum II Newton semakin ringan sepeda yang digunakan, semakin sedikit gaya yang harus diberikan agar sepeda melaju dengan percepatan tertentu. Semakin ringan sepeda berarti waktu yang diperlukan untuk mencapai kecepatan tertentu juga semakin cepat atau dapat dikatakan akselerasinya tinggi. Hal ini tentunya juga dapat menghemat tenaga bagi pembalap. Karena itu, sepeda balap dibuat dari bahan khusus yang sangat kuat, tetapi juga sangat ringan. Mengapa seorang karateka harus mempunyai kuda-kuda yang kokoh? Karateka dan Kuda-kudanya Menurut Hukum III Newton, setiap ada aksi selalu ada reaksi. Menurut Hukum I Newton, benda yang memiliki inersia besar akan sulit digerakkan dan kalau Ilmu Pengetahuan Alam 2 Paket 6 Penerapan Hukum-hukum Newton dalam Gerak 6 - 8 bergerak sulit dihentikan.

Dengan kuda-kuda yang baik, seorang karateka seolah-olah menyatu dengan lantai sehingga inersianya besar. Dengan demikian, tidak mudah roboh ketika terpukul lawan. Apa sajakah aplikasi Hukum I, II dan III Newton dalam bidang pekerjaan? Hukum I, II dan III Newton amat diperlukan dalam berbagai bidang pekerjaan terutama yang berkaitan dengan mekanika. Perancangan dan konstruksi bangunan misalnya banyak memanfaatkan Hukum I dan III Newton tentang gerak karena konstruksi bangunan lebih banyak memerlukan kajian statika atau mekanika pada benda-benda diam. Sementara, para insinyur yang bekerja dengan benda-benda bergerak sering memerlukan perhitungan yang cermat terkait dengan penerapan Hukum II Newton tentang gerak.

Berbagai Kegiatan Mekanika Beberapa contoh permasalahan mekanika yang lain antara lain sebagai berikut. Dua buah balok dihubungkan dengan sebuah tali ringan melalui sebuah katrol yang tanpa gesekan. Benda 50 kg terletak di atas lantai yang memiliki koefisien gesekan 0,2, sementara benda 30 kg tergantung di udara. Berapakah percepatan sistem benda? Jawab Sketsa gaya-gaya yang bekerja pada sistem benda dapat digambarkan sebagai berikut (Gambar 6.8). Gambar 6.8 Gaya-gaya yang Bekerja pada Sebuah Benda dan Diagram Gayanya Ilmu Pengetahuan Alam 2 Paket 6 Penerapan Hukum-hukum Newton dalam Gerak 6 - 9 Karena terdapat gesekan antara balok 1 dan lantai, berlaku rumus: f N m g N ges = μ. = μ. . = 0,2.50.9,8 = 98 m .a T 98N 1 = − Pada m2, berlaku rumus: g m .a 2 2 − = Jika dua buah persamaan tersebut dijumlahkan, akan didapatkan: 2,4 s2 m Jadi percepatan sistem benda adalah 2,4 m/s2. Dua buah balok dihubungkan dengan sebuah tali ringan melalui sebuah katrol yang tanpa gesekan.

Benda 50 kg terletak di atas lantai yang memiliki koefisien gesekan 0,8, sementara benda 30 kg tergantung di udara. Berapakah percepatan sistem benda? Jawab Sketsa gaya-gaya yang bekerja pada sistem benda dapat digambarkan sebagai berikut. Gaya-gaya yang Bekerja pada Sebuah Benda dan Diagram Gayanya Karena terdapat ada gesekan antara balok 1 dan lantai, berlaku rumus: f N m g N ges = μ. = μ. . = 0,8.50.9,8 = 392 392N Pada m2, berlaku rumus: Jika dua buah persamaan tersebut dijumlahkan akan didapatkan: 1,2 s2 a = − m Meskipun secara matematis perhitungan tersebut benar, dalam kenyataannya tidak mungkin benda bergeser ke kiri. Inilah salah satu sifat gaya gesekan yang penting. Jika gaya tarik besarnya lebih kecil daripada gaya gesekan, Ilmu Pengetahuan Alam 2 Paket 6 Penerapan Hukum-hukum Newton dalam Gerak 6 - 10 benda masih dalam keadaan diam. Jadi, karena gaya tarik 294 N sementara gaya gesekan statis maksimum adalah 392, sesungguhnya benda tetap diam.

Menurut hukum I Newton, besarnya gaya gesekan adalah 294, yakni saling menghilangkan dengan gaya tarik yang disebabkan oleh benda 2. Balok A massanya 2 kg dan balok B massanya 3 kg terletak di atas lantai yang licin sempurna sebagaimana Gambar 6.10 di bawah. Sistem Dua Buah Balok Dikenai Gaya Jika balok A mendapatkan gaya dorong sebesar 50 N, carilah: a) percepatan tiap-tiap balok! b) gaya aksi-reaksi antara balok A dan balok B! Jawab: Percepatan tiap-tiap balok dapat dihitung dari perbandingan gaya dengan keseluruhan massa sistem. 10 . 5 50 s2 N m m m a F A B = = + Σ = Jadi percepatan sistem benda adalah 10 m/s2. Untuk mencari gaya aksi reaksi antara kedua balok kita dapat menerapkan hukum II Newton untuk salah satu balok. Misalnya balok A resultan gaya adalah selisih gaya dorong dan gaya reaksi balok B ( BA f ). Pada balok A berlaku rumus: 2 50 50 BA A BA A f m f m a F − = − = Σ = f N BA 50 − = 2.10 = 20 Jadi = 30 N Gaya tersebut sama dengan gaya yang diterima oleh balok B akibat aksi balok A Ilmu Pengetahuan Alam 2 Paket 6 Penerapan Hukum-hukum Newton dalam Gerak 6 - 11 Rangkuman 1. Permasalahan gerak dalam kehidupan sehari-hari dapat dijelaskan dengan menggunakan Hukum Newton tentang gerak. 2. Permasalahan gerak pada benda diam dan benda bergerak dengan kelajuan konstan dapat dianalisis dengan Hukum-hukum Newton I tentang gerak. 3. Permasalahan gerak pada benda yang bergerak dengan percepatan konstan dapat dianalisis dengan Hukum-hukum Newton II tentang ergak. 4. Permasalahan yang terkait dengan hubungan antar benda-benda dapat dianalisis dengan Hukum-hukum Newton III tentang gerak

 

 

E. Usaha dan Energi

Dalam fisika, usaha berkaitan dengan suatu perubahan. Seperti kita ketahui, gaya dapat menghasilkan perubahan. Apabila gaya bekerja pada benda yang diam , benda tersebut bisa berubah posisinya. Sedangkan bila gaya bekerja pada benda yang bergerak, benda tersebut bisa berubah kecepatannya. Usaha yang dilakukan oleh suatu gaya adalah hasil kali antara komponen gaya yang segaris dengan perpindahan dengan besarnya perpindahan. Usaha juga bisa didefinisikan sebagai suatu besaran scalar yang di akibatkan oleh gaya yang bekerja sepanjang lintasan.

Misalkan suatu gaya konstan F yang bekerja pada suatu benda menyebabkan benda berpindah sejauh s dan tidak searah dengan arah gaya F, seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Komponen gaya yang segaris dengan perpindahan adalah F_x = F cos .

F.    W = F_x . s = (F cos ) . s = Fs cos

Dengan :

 

W = Usaha (joule = J)

F = gaya (N)

S = perpindahan (m)

      = sudut antara F dan s (derajat atau radian)

Jika sebuah benda menempuh jarak sejauh S akibat gaya F yang bekerja pada benda tersebut maka dikatakan gaya itu melakukan usaha, dimana arah gaya F harus sejajar dengan arah jarak tempuh S.
USAHA adalah hasil kali (dot product) antara gaya den jarak yang ditempuh.

W = F S = |F| |S| cos q

q = sudut antara F dan arah gerak

Satuan usaha/energi : 1 Nm = 1 Joule = 10⁷ erg

Dimensi usaha energi: 1W] = [El = ML2T-2

Kemampuan untuk melakukan usaha menimbulkan suatu ENERGI (TENAGA).

Energi dan usaha merupakan besaran skalar.

Beberapa jenis energi di antaranya adalah:

1. ENERGI KINETIK (E_k)
   
   E_{k trans} = 1/2 m v²

E_{k rot} = 1/2 I w²

m = massa
v = kecepatan
I = momen inersia
w = kecepatan sudut

2. ENERGI POTENSIAL (E_p)
   
   E_p = m g h
   
   h = tinggi benda terhadap tanah
3. ENERGI MEKANIK (E_M)E_M = E_k + E_p

Nilai E_M selalu tetap/sama pada setiap titik di dalam lintasan suatu benda.

Pemecahan soal fisika, khususnya dalam mekanika, pada umumnya didasarkan pada HUKUM KEKEKALAN ENERGI, yaitu energi selalu tetap tetapi bentuknya bisa berubah; artinya jika ada bentuk energi yang hilang harus ada energi bentuk lain yang timbul, yang besarnya sama dengan energi yang hilang tersebut.

E_k + E_p = E_M = tetap

E_k1 + E_p1 = E_k2 + E_p2

ENERGI POTENSIAL PEGAS (E_p)

E_p = 1/2 k D x² = 1/2 F_p Dx

F_p = - k Dx

Dx = regangan pegas
k = konstanta pegas
F_p = gaya pegas

Tanda minus (-) menyatakan bahwa arah gaya F_p berlawanan arah dengan arah regangan x.

2 buah pegas dengan konstanta K₁ dan K₂ disusun secara seri dan paralel:

seri	paralel
1 = 1 + 1 Ktot K1 K2	Ktot = K1 + K2

Note: Energi potensial tergantung tinggi benda dari permukaan bumi. Bila jarak benda jauh lebih kecil dari jari-jari bumi, maka permukaan bumi sebagai acuan pengukuran. Bila jarak benda jauh lebih besar atau sama dengan jari-jari bumi, make pusat bumi sebagai acuan.

4.  Energi Potensial Gravitasi

Energi potensial ini berpotensi untuk melakukan usaha dengan cara mengubah ketinggian. Semakin tinggi kedudukan suatu benda dari bidang acuan, semakinbesar pula energy potensial gravitasinya. Usaha untuk mengangkat benda setinggi h adalah

W = Fs = mgh

Dengan demikian, pada ketinggian h benda mamiliki energy potensial gravitasi, yaitu kemampuan untuk melakukan usaha sebesar W = mgh. Jadi, energy potensial gravitasi dapat dirumuskan sebagai

EP = mgh

Dengan,

EP = energy potensial gravitasi (Joule)

m = massa benda (kg)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

h = ketinggian benda dari bidang acuan (m)

 

G. Hukum Konservasi Energi

Hukum konservasi energi di sebut juga hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dihancurkan.  Energi hanya dapat dilestarikan. Pada tahun 1831 Faraday telah memperkenalkan bidang listrik magnet. Pada percobaan sebelumnya ia telah menemukan bahwa arus listrik dapat menghasilkan sifat kemagnetan, kemudian di percobaan berikutnya ia menunjukkan bahwa magnet memiliki kekuatan dalam keadaan tertentu untuk menghasilkan listrik. Ia telah membuktikannya, dan memang benar adanya hubungan antara listrik dan sifat kemagnetan. Ia kemudian menujukkan bahwa seluruh bagian, baik banyak ataupun sedikit akan dipengaruhi oleh gaya magnet, dan bahkan cahaya dapat dipengaruhi oleh magnet contohnya pada fenomena polarisasi. Ia yakin bahwa ia telah melengkapi segala sesuatu yang berhubungan dengan kelistrikan secara keseluruhan, konvertibilitas listrik dan aksi kimia.

Kemudian ia menghubungkannya dengan cahaya, afinitas kimia, sifat kemagnetan, dan kelistrikan. Dan lebih jauh, ia mengetahui sepenuhnya bahwa tak seorangpun dapat memproduksi kekuatan (energi) dan menyediakan satu sama lain sampai kapanpun. “ Tidak  di tempat manapun” katanya. “ Apakah mungkin  ada energi yang tercipta dengan sendirinya tanpa adanya suatu  pemasok yang cocok untuk menyediakannya.” Faraday kemukakan ini nyaris tidak disadari sebagian besar orang dan ini merupakan sebuah kebenaran dan setelah keluarnya pernyataan ini, gagasan yang dibuatnya ini kemuadian dikenal sebagai sebagai doktrin dari “konservasi energi”, hukum yang menyatakan pengubahan energi dai satu bentuk ke bentuk lainnyatidak akan pernah terjamin dalam suatu kuantitas yang sama, atau singkatnya “untuk menciptakan atau memusnahkan energi adalah suatu ketidakmungkinan, dan seluruh fenomena dari materi di alam semesta terbentuk dari transformasi energi.

Pemikiran faraday ini merupakan dasar dari hukum kekekalan energi, dengan kata lain, mulai muncul ide untuk melakukan penelitian mengenai konservasi energi ini muncul setelah gagasan faraday muncul.

Energi panas, tidak mampu dibuat, melainkan bentuk dari suatu transformasi energi. Untuk membuktikan kebenaran mengenai konservasi energi ini, pad abad ke-18 Count Rumford and Humphry Davy  menunjukkan,  kerja mungkin diubah kedalam bentuk panas, dan penafsiran yang benar dari fakta ini berarti transormasi dari molar menjadi gerakan intro molekular. Namun sebelum Joule bereksperimen dengan transformai panas, seorang berkebangsaan Denmark  telah mempelajarinya terlebih dahulu, seorang ahli filsafat Kopenhagen, Colding namanya telah mendapat ide yang sama dan telah mempertunjukkannya. Dan masih di era yang sama di negara Jerman, 3 orang ilmuan yang telah terlebih dahulu melakukannya dari Joule dan Colding hampir mampu menunjukkan kebenaran dari hukum ini, namun sayangnya mereka belum dapat memaparkan secara jelas dan tidak mampu mempertunjukkannya. Nama dari ketiga orangan jerman itu adalah Mohn, Mayer, dan Helmothz. Mereka bertiga telah berjasa besar memberikan doktrin terhadap konservasi energi yang saat ini tengah menjadi perhatian kita.

Karangan Mayer pada 1847

Helmholtz merangkum kesimpulan dalam esainya sebagai berikut: Tidak mungkin untuk menurunkan jumlah tak terbatas dari kekuatan mekanik (energi) meskipun dengan cara apapun termasuk mengkombinasikannya sedimikian rupa secara alamiah.

 

THOMSON DAN HUKUM KEKEKALAN ENERGI M(1824 – 1907)

 

Tahun 1847, untuk pertama kalinya Thomson mendengar karya James Joule mengenai hubungan panas dan gerak mekanis. Asas penyimpanan tenaga dalam karya Joule kelak dikenal sebagai Hukum Termodinamika Pertama. Meskipun Joule diakui sebagai penemu utama termodinamika, Thomsonlah yang "memantapkan termodinamika menjadi disiplin ilmu yang resmi dan merumuskan hukumnya yang pertama dan kedua dengan terminologi yang tepat."

Hukum Termodinamika Pertama menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, tetapi bentuknya dapat diubah. Artinya, jumlah tenaga/zat di alam semesta adalah tetap. "Hukum ini secara meyakinkan mengajarkan bahwa alam semesta tidak menciptakan diri sendiri! Struktur alam semesta sekarang adalah hasil konservasi, bukan inovasi sebagaimana dinyatakan oleh teori evolusi."Tahun 1851, Thomson menerbitkan tulisan berjudul "On the Dynamical Theory of Heat", yang mendukung teori Joule mengenai panasdan gerak. Tulisan ini merupakan langkah penting dalam prosesperpaduan bagian fisika yang terpisah-pisah. Karya ini juga memuat Hukum Termodinamika Kedua versi Thomson. (Tanpa diketahui Thomson,tahun sebelumnya, ahli fisika Jerman, R.J.E. Clausius sudah mengajukan hukum yang sama dengan Hukum Termodinamika Kedua versi Thomson.)

Hukum Kedua Termodinamika juga disebut Hukum Peluruhan Energi. Asasuniversal yang mendasari hukum ini menunjukkan bahwa semua sistem,jika tidak diprogram sebelumnya atau tidak diatur dengan tepat,cenderung berubah dari keadaan teratur menjadi tidak teratur. Inimenunjukkan bahwa secara keseluruhan, alam semesta berprosesterus-menerus menuju kondisi di mana pengaturan semakin berkurang. Ringkasnya, hukum termodinamika menunjukkan bahwa "jumlah tenaga dialam semesta tidak berubah, tapi tenaga yang ada senantiasa berkurang."

Energi disipasi adalah energi yang hilang dalam suatu sistem. Hilang dalam arti berubah menjadi energi lain yang tidak menjadi tujuan suatu sistem. Contohnya, energi panas yang timbul akibat gesekan, Energi listrik yang terbuang akibat adanya hambatan pada kawat penghantar.Energi panas pada trafo. trafo itu dikehendaki untuk mengubah tegangan. Namun pada kenyataan timbul panas pada trafo. Panas ini dapat dianggap energi disipasi.