Mekanika Newton

MEKANIKA NEWTON

A. Mekanika Newton dan Klasifikasinya Klasifikasinya

Beraba Berabad-ab d-abad ad masala masalah h gerak gerak dan penyeb penyebabn abnya ya menjad menjadii topik topik utama utama dalam dalam filsafat alami (nama lama untuk fisika). Baru kemudian, dengan kemunculan Galileo dan   Newto Newton, n, dipero diperoleh leh kemaju kemajuan an yang yang nyata. nyata. Isaac Isaac Newton Newton (1642(1642-172 1727) 7) dilahi dilahirka rkan n di Inggris, memberikan hasil dari ide Galileo dan Aristoteles, melalui ketiga hukumnya (pertama kali dikemukakan tahun 1686), dalam buku Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Mathematica. (Halliday.1 (Halliday.1978:1 978:107). 07). Dalam volume volume ke tiga karyanya, dia menunjukan menunjukan  bagaimana penggabungan Hukum gravitasi universal dan hukum gerak newton ini, dapat menjelaskan Hukum gerakan planet Kepler . Mekanika klasik  adalah bagian dari ilmu fisika mengenai gaya yang bekerja

  pada benda. Sering dinamakan "mekanika Newton" dari  Newton dan hukum gerak   Newton..  Newton .. Bahkan pada benda yang tampak tak bergerak pun masih dapat dikaitkan dengan mekanika. Mekanika juga pernah dianggap sebagai landasan bagi semua cabang ilmu ilmu fisik fisikaa lain lainny nya. a. Kala Kalaup upun un seka sekara rang ng oran orang g tida tidak k lagi lagi berp berpen enda dapa patt demi demiki kian an,, kenyat kenyataan aannya nya masih masih cukup cukup banyak banyak gejala gejala yang yang berhas berhasil il diklas diklasifi ifikas kasika ikan n atas dasar  dasar  mekanis. Prinsip utama dalam mekanika adalah pengakuan bahwa “gerak suatu benda dipengaruhi oleh benda-benda disekitarnya”. Pengaruh lingkungan ini dengan mudah dapat diamati, misalnya, pada gerak sepotong kapur yang dilemparkan ke dinding kelas. Mula-mula kapur mengalami gerak peluru sebagai akibat tarikan bumi. Gerak berlintasan  parabola itu dibelokkan oleh dinding dan jatuh tergelatak diam di atas lantai. Mekanika Mekanika newton newton dibagi-bagi dibagi-bagi kedalam kedalam klasifikasi klasifikasinya. nya. Bedasarkan Bedasarkan tahapantahapantahapa tahapanny nnya, a, mekani mekanika ka newto newton n dimula dimulaii dengan dengan tahap tahap Kinema Kinematik tikaa yang yang mempel mempelajar ajarii tentan tentang g benda benda berger bergerak, ak, kemudi kemudian an tahap tahap Dinami Dinamika ka membah membahas as tentan tentang g gaya gaya yang yang mempengaru mempengaruhi hi gerak benda. Beberapa puluh puluh tahun lalu sering sering pula dikemukakan dikemukakan tahap statika yang mempelajar tentang benda diam. Tetapi sekarang orang memandangnya sebagai bagian khusus dari dinamika. Sering pula klasifikasi mekanika didasarkan pada  jenis sistemnya. Sehingga dikenal juga mekanika benda titik, mekanika benda tegar dan mekanika fluida.

1

Mekanika klasik dipahami sebagai mekanika yang berdasarkan hukum newton.   Namun yang masih perlu digarisbawahi adalah hukum-hukum itu dirumuskan dalam mekanika partikel, jadi untuk sistem yang berupa titik massa. Tetapi hal tersebut bukan merupakan pembatasan mutlak, yang disebabkan oleh dua hal. Pertama, benda-benda besar seringkali cukup diperlakukan sebagai titik massa, yakni jika ukurannya tidak perlu diperhitungkan akibat dari toleransi ketidaktelitian  pengukuran lebih besar daripada ukuran benda itu sendiri. Misalnya suatu mobil yang sedang berjalan dari Bandung ke Jakarta berada pada km 64,7. Pernyataan tersebut menyatakan toleransi ketidaktelitian sebesar 0,1 km yang jauh lebih besar dari ukuran mobil itu sendiri. Sehingga mobil itu telah diperlakukan sebagai titik. Kedua, jika system yang ditinjau bukan benda titik, maka benda dilihat tersusun dari banyak sekali bagian-bagian sangat kecil. Masing-masing bagian berupa benda titik  yang ssemuanya mengikuti hukum newton. Sehingga saat membicarakan mekanika  benda-benda makro, landasan semuanya sama, yakni hukum newton.

B. Keterbatasan dan Kegunaan Mekanika Newton

Sejauh manakah tingkat kebrthasilan mekanika newton? Ada baiknya jika   pertanyaan ini dijawab dengan menyimak perjalanan sejarahnya. Hukum newton memiliki sifat sederhana, simetris dan lengkap. Kemudian suksesnya dalam menjelaskan gerak benda-benda langit juga perannya dalam kehidupan sehari-hari, pernah membuat  banyak orang menaruh kepercayaan yang praktis mutlak pada hukum newton.  Namun mulai abad ke 19, ditemukan gejala-gejala alam yang tidak tepat dengan hukum newton terutama pada benda yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Bertambahnya penemuan-penemuan ini kemudian meyadarkan orang   pada kenyataan, mekanika newton tidaklah mutlak. Sehingga perlu perlu dilakukan koreksi-koreksi yang akhirnya melahirkan mekanika relativistik. Koreksi lain dilakukan   berdasarkan sistemnya. Dalan tinjauan partikel-partikel berukuran sangat kecil yang akhirnya melahirkan mekanika kuantum. Dengan keterbatasan yang dimilikinya, ada beberapa alasan mengapa mekanika newton tetap dipelajari. Pertama, mekanika newton lahir berdasarkan pengamatan kejadian sehari-hari, pengamatan pada benda-benda berukuran makro, pada kecepatan  jauh di bawah kecepatan cahaya. Sehingga mekanika newton memiliki ketepatan yang  besar bila diberlakukan pada kategori yang sama. 2

 Namun kurang tepat bila ketepatan mekanika newton diberlakukan pada daerahdaerah berkecepatan tinggi ataau pada system mikroskopis. Tetapi ada syarat penting  bagi rumusan-rumusan baru untuk dapat dianggap sebagai perbaikan mekanika newton. Yaitu selain rumusan tersebut benar di daerah dimana mekanika newton gagal, rumusan trsebut juga harus benar di daerah keberlakuan mekanika newton yang berarti hasil dari rumusan-rumusan baru itu harus sama dengan hasil mekanika newton pada kejadian  biasa. Syarat ini sering disebut prinsip korespondensi yang sering diuangkap “ rumusanrumusan tersebut harus mempunyai mekanika newton sebagai batas klasiknya”. Prinsip ini menjadi terkenal ketika diungkapkan oleh Niels Bohr pada saat awl perkembangan mekanika kuantum. Jadi, dalam mempelajari mekanika kuantum ataupun mekanika relativistic, pada umumnya titik tolaknya adalah mekanika newton. Alasan kedua adalah pada kenyataannya mekanika kuantum ataupun meanika relativistic lebih rumit daripada mekanika newton. Sehingga menurut prinsip korespondensi, mekanika newton boleh dipakai apabila bekerja dalam daerah keberlakuannya. Kerumitan mekanika kuantum dan relativistic membuat mekanika newton menjadi satu-satunya pilihan logis sebagai alat kerja pada hal-hal biasa. Selain dua alasan diatas, hukum newton juga menjadi acuan untuk hukum elektrostatika coulomb dan hukum gravitasi.

C. Hukum-hukum Newton

1. Hukum I Newton   Setiap benda tetap berada dalam keadaan diam atau bergerak dengan laju tetap sepanjang garis lurus (percepatan nol), kecuali terdapat gaya total pada benda tersebut.

Secara matematis, Hukum I Newton dapat dinyatakan sebagai berikut : ΣF=0 Benda yang diam dan benda yang melakukan GLB mempunyai kesamaan percepatan =0 Kecenderungan suatu benda untuk tetap bergerak atau mempertahankan keadaan diam dinamakan inersia. Karenanya, hukum I Newton dikenal juga dengan julukan

 Hukum Inersia atau  Hukum Kelembaman.Sifat lembam ini dapat kita amati, misalnya ketika mengeluarkan saus tomat dari botol dengan mengguncangnya. Pertama, kita memulai dengan menggerakan botol ke bawah; pada saat kita mendorong botol ke atas, saus akan tetap bergerak ke bawah dan jatuh pada makanan. 3

Kecenderungan sebuah benda yang diam untuk tetap diam juga diakibatkan oleh inersia atau kelembaman. Misalnya ketika kita menarik selembar kertas yang ditindih oleh tumpukan buku tebal dan berat. Jika lembar kertas tadi ditarik dengan cepat, maka tumpukan buku tersebut tidak bergerak. Contoh lain yang sering kita alami adalah ketika berada di dalam mobil. Apabila mobil bergerak maju secara tiba-tiba, maka tubuh kita akan sempoyongan ke belakang, demikian juga ketika mobil tiba-tiba direm, tubuh kita akan sempoyongan ke depan. Hal ini diakibatkan karena tubuh kita memiliki kecenderungan untuk tetap diam jika kita diam dan juga memiliki kecenderungan untuk terus bergerak jika kita telah bergerak. Perlu diingat bahwa yang terjadi pada Hukum Pertama Newton adalah gaya total. Sebagai contoh (perhatikan gambar di bawah), sebuah kotak yang diam di atas meja datar akan memiliki dua gaya yang bekerja padanya, yakni : gaya ke bawah akibat gaya gravitasi dan gaya dorong ke atas oleh permukaan meja. Dorongan ke atas dari  permukaan meja, hanyalah sebesar gaya tarik ke bawah akibat gravitasi, jadi gaya total yang dialami buku adalah nol. Ingat bahwa besarnya gaya tersebut sama namun memiliki arah yang berlawanan sehingga saling menghilangkan. Karena besarnya gaya total = 0,  buku tersebut berada dalam kesetimbangan, yang membuatnya diam alias tidak bergerak 

(benda bergerak dari keadaan diam jika gaya total tidak nol/jika ada gaya total. Pada kasus benda yang sedang bergerak, apabila gaya total nol maka benda bergerak dengan laju tetap). Gaya ke atas dari permukaan disebut Gaya Normal (N), karena arahnya normal atau tegak lurus terhadap permukaan yang bersentuhan. Mengenai Gaya Normal akan kita bahas pada topik khusus.

Catatan penting : Gaya yang ditunjukan dalam gambar hanya besarnya saja, dan antara gaya normal dan gaya berat bukan hubungan aksi reaksi (Hukum  III Newton), karena aksi reaksinya mereka(gaya normal dan gaya berat .red) memiliki pasangan masing-masing. 4

Tahukah anda ?

Hukum Pertama Newton telah dibuktikan oleh para astronout pada saat berada di luar angkasa. Ketika seorang astronout mendorong sebuah pensil ( pensil mengambang 

karena tidak ada gaya gravitasi),  pensil tersebut bergerak lurus dengan laju tetap dan  baru berhenti setelah menabrak dinding pesawat luar angkasa. Hal ini disebabkan karena di luar angkasa tidak ada udara, sehingga tidak ada gaya gesek yang menghambat gerak   pensil tersebut.

5

2. Hukum II Newton Percepatan sebuah benda berbanding terbalik dengan masanya dan sebanding dengan gaya eksternal yang bekerja padanya. ( Tipler, 1991. h. 88)

3. Hukum III Newton KETERANGAN GAMBAR

1. Gaya aksi reaksi terjadi secara berpasangan, arahnya berlawanan, besarnya sama, dan bekerja pada benda yang berbeda. 2. Terdapat  tiga pasangan aksi-reaksi yang berarah horizontal pada gambar  diatas. Pertama, pasangan aksireaksi gaya aksi dorongan Anda (panah merah sedang) dengan gaya reaksi dorongan balik balok pada  Anda (biru sedang). Kedua,  pasangan aksi-reaksi gaya aksi kaki  Anda pada tanah (panah biru  panjang) dan gaya reaksi tanah pada  Anda (merah panjang). Ketiga gaya aksi balok pada tanah (merah  pendek) dan gaya reaksi tanah pada balok (biru pendek). Gaya reaksi 6

tanah pada benda juga dikenal sebagai gaya gesekan. 3. Terdapat  dua gaya pada balok B yakni gaya dorong Anda (merah) dan gaya gesek (biru). Karena gaya merah (ke kanan) lebih besar daripada gaya biru (ke kiri) maka ada resultan gaya ke kanan.

"To every Action there is always opposed an equal Reaction?" - Isaac Newton, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. Ada pepatah mengatakan "Tak kenal maka tak sayang". Pepatah ini tak hanya berlaku untuk para remaja yang sedang jatuh cinta akan tetapi juga berlaku buat para pelajar yang sedang belajar fisika. Sudahkah Anda mengenal hukum aksi-reaksi atau hukum ketiga Newton? Tentu saja sudah! Gaya aksi sama dengan (min) Gaya reaksi atau F aksi = -F reaksi. Itulah jawaban yang paling sering didengar kalau seseorang bertanya mengenai bunyi hukum tersebut. Jawaban ini

tidak

hanya

salah

tempat

karena

merupakan

persamaan

matematika (bukan pernyataan) akan tetapi juga dapat menimbulkan kesalahpahaman konsep. Ibarat mengenal seseorang, hanya namanya saja. Kita tidak akan menghafalkan bunyi hukum aksi-reaksi karena pelajaran fisika bukanlah pelajaran menghafal bait-bait Shakespeare atau menghafal lagu-lagu wajib nasional. Kita akan berkenalan dengan hukum tersebut melalui pendekatan konsep dan aplikasi sehari-hari. Mari kita mengenal hukum aksi-reaksi secara benar! Hukum aksireaksi menjelaskan tentang interaksi antara dua benda. Newton menyadari bahwa gaya tidak bisa muncul dengan sendirinya. Gaya selalu muncul secara berpasangan.   Jika sebuah benda A memberikan gaya kepada benda B (F[A pada B]) maka benda B akan memberikan gaya kepada benda A dengan arah yang berlawanan (F[B pada A]) dan bernilai sama besar (lihat gambar 1). Perhatikan bahwa gaya yang disebabkan oleh A (F[A pada B]) berada/bekerja pada benda B (panah merah). Sebaliknya gaya yang disebabkan oleh B (F[B pada A]) berada pada benda A (biru). Kedua gaya ini berpasangan dan berlawanan arah tetapi tak saling meniadakan karena tidak bekerja pada benda yang sama. Mereka

bekerja

pada

benda yang

berbeda. Gaya

mana

yang 7

merupakan

gaya

aksi

dan

reaksi

tidak

menjadi

masalah.

Sekarang gantilah benda A dengan Anda! Anda sedang mendorong sebuah benda B yang memiliki roda dibagian bawah (lihat gambar 2). Dorongan kaki Anda membuat Anda dan benda B bergerak ke kanan. Bagaimana menjelaskan fenomena tersebut menurut hukum aksireaksi? Untuk menjelaskan mengapa balok B bergerak kita hanya melihat gaya-gaya yang bekerja pada balok B saja (lihat gambar 3). Ada dua gaya yang bekerja pada balok B yakni gaya dorongan tangan Anda (panah merah sedang) dan gaya dorongan balik tanah pada balok B (biru kecil). Perhatikan bahwa kedua gaya ini bukan merupakan pasangan aksi-reaksi karena bekerja pada benda yang sama! Gaya ini berlawanan arah. Oleh karena gaya dorong tangan lebih besar daripada gaya gesek tanah maka ada resultan gaya ke arah gaya dorong, yakni ke kanan. Hal

yang

sama

dapat

kita

lakukan

untuk

menjelaskan

pergerakan Anda ke kanan. Pada diri Anda bekerja dua gaya yakni gaya dorong balik balok (biru sedang) dan gaya gesek tanah (merah panjang). Karena gaya gesek tanah lebih besar maka Anda terdorong ke kanan. Jika gaya dorong balok (merah sedang) lebih kecil daripada gaya gesek tanah maka balok tidak bergerak. Itu sebabnya digunakan roda. Roda akan memperkecil gaya gesek sehingga balok lebih mudah digerakkan. Sekarang kita tahu mengapa kuda yang menarik kereta tidak bisa menipu kusirnya dengan dalih hukum ketiga bahwa sekuat apapun kuda menarik kereta maka kereta akan menarik kuda dengan gaya yang sama dan berlawanan. Jelas sang kuda keliru! Gaya aksi-reaksi harus bekerja pada dua benda yang berbeda sehingga mereka tidak saling meniadakan pada benda yang sama. Gaya yang bekerja pada kuda adalah gaya gesek tanah dan gaya tarik kereta. Keduanya bukan gaya aksi reaksi karena sama-sama bekerja pada kuda (satu benda).   Jika gaya gesek tanah lebih besar (artinya kuda harus mendorong tanah dengan gaya yang kuat) daripada gaya gesek tanah maka kuda akan memiliki gaya netto dan iapun bergerak bersama kereta (ingat kereta memiliki roda jadi gaya gesek kereta kecil dibandingkan gaya tarik kuda). Mari kita berimajinasi lagi! Saat kita diam sambil berdiri diatas tanah ada dua gaya vertikal yang bekerja pada kita, yakni gaya berat 8

(-mg) ke arah bawah/bumi dan gaya normal tanah (mg) ke atas. Keduanya saling menimbangi dan bernilai sama. Apakah keduanya merupakan gaya aksi reaksi? Tentu tidak! Mereka bekerja pada benda yang sama (pada Anda). Lalu siapakah pasangan gaya berat pada tubuh Anda? Ia harus bekerja pada benda lain. Benda itu adalah bumi. Benar! Bumi yang besar sedang ditarik oleh Anda tapi karena massa Anda yang menyebabkan gaya F (-m g), sangat sangat kecil dibandingkan massa Bumi maka percepatan yang diterima Bumi sangatlah kecil (a = F/M = (m g)/M, M bumi sangat besar). Keberadaan gaya normal yang merupakan reaksi dari gaya aksi benda yang menyentuh tanah menjelaskan mengapa Anda diam diatas tanah dan tidak menembus bumi! Karena resultan gaya Anda nol maka tentu saja Anda tidak menghilang dalam tanah atau terbang ke atas! Gaya

gesek

memainkan

peranan

yang

sangat

penting

meskipun kita seringkali tidak menyadarinya. Gaya gesek inilah yang sebenarnya membuat kita dapat berjalan dan mobil dapat bergerak. Kita berjalan dengan mendorong tanah kebelakang menggunakan kaki kita! Gaya kaki ini bekerja pada tanah. Sebagai reaksinya tanah akan mendorong kita kedepan dan kitapun berjalan tanpa berterimakasih?untung saja kita tidak berpijak pada es yang sangat licin karena gaya geseknya bisa amat kecil sehingga menyulitkan kita untuk terdorong ke depan dengan syarat kita tidak terjatuh terlebih dahulu.

9

DAFTAR PUSTAKA

Halliday & Resnick. 1994. Fisika edisi ke 3. Saduran. Jakarta: Erlangga. http: fisika 1\ELHOBELA

Web-Blog edukasi.htm

Sears, Zemansky. 1962. Fisika untuk Universitas 1. Saduran bebas. Chatib, Nabris. Jakarta.  Tipler, Paul. 1991. Fisika untuk Sains dan Teknik. Jilid 1. Alih bahasa. Prasetio, Lea. Jakarta: Erlangga.

10