FISIKA
FISIKA ITU ASYIK
Di dalam ilmu fisika, gaya atau kakas adalah apapun yang dapat
menyebabkan sebuah benda bermassa mengalami percepatan.[1].
Gaya memiliki besar dan arah, sehingga merupakan besaran vektor. Satuan SI yang digunakan untuk mengukur gaya adalah Newton (dilambangkan dengan N). Berdasarkan Hukum kedua Newton, sebuah benda dengan massa konstan akan dipercepat
sebanding dengan gaya netto yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan
massanya.
Penjelasan lain yang mirip, gaya
netto yang bekerja pada sebuah benda adalah sebanding dengan laju perubahan momentum yang
dialaminya.[2]
Gaya bukanlah sesuatu yang pokok
dalam ilmu fisika, meskipun ada kecenderungan untuk memperkenalkan ilmu fisika
lewat konsep ini. Yang lebih pokok ialah momentum, energi dan tekanan. Sebenarnya, tak seorang pun dapat mengukur gaya secara
langsung. Tetapi, kalau sesuatu mengatakan seseorang mengukur gaya, sedikit
berpikir akan membuat seseorang menyadari bahwa apa yang diukur sebenarnya
adalah tekanan (atau mungkin kemiringannya). "Gaya" yang Anda rasakan
saat meraba kulit anda,
misalnya, sebenarnya adalah sel syaraf tekanan Anda yang mendapat perubahan tekanan. Ukuran neraca
pegas mengukur ketegangan pegas, yang sebenarnya adalah tekanannya, dll. Dalam
bahasa sehari-hari gaya dikaitkan dengan dorongan atau tarikan, mungkin
dikerahkan oleh otot-otot
kita. Di fisika, kita memerlukan definisi yang lebih presisi. Kita mendefinisikan
gaya di sini dalam hubungannya dengan percepatan yang dialami benda standar
yang diberikan ketika ditempatkan di lingkungan sesuai. Sebagai benda standar
kita menggunakan (atau agaknya membayangkan bahwa kita menggunakannya!)
silinder platinum yang disimpan di International Bureau of Weights and Measures
dekat Paris dan
disebut kilogram standar. Di fisika, gaya adalah aksi atau agen yang
menyebabkan benda bermassa bergerak dipercepat. Hal ini mungkin dialami sebagai
angkatan, dorongan atau tarikan. Percepatan benda sebanding dengan penjumlahan
vektor seluruh gaya yang beraksi padanya (dikenal sebagai gaya netto atau gaya
resultan). Dalam benda yang diperluas, gaya mungkin juga menyebabkan rotasi,
deformasi atau kenaikan tekanan terhadap benda. Efek rotasi ditentukan oleh
torka, sementara deformasi dan tekanan ditentukan oleh stres yang diciptakan
oleh gaya. Gaya netto secara matematis sama dengan laju perubahan momentum
benda dimana gaya beraksi. Karena momentum adalah kuantitas vektor (memiliki
besar dan arah), gaya adalah juga kuantitas vektor. Konsep gaya telah membentuk
bagian dari statika dan dinamika sejak zaman kuno.
Kontribusi kuno terhadap statika berpuncak dalam pekerjaan Archimedes
di abad ke tiga sebelum Masehi, yang masih membentuk bagian fisika modern.
Sebaliknya, dinamika Aristoteles disatukan kesalahpahaman intuisi peranan gaya yang akhirnya
dikoreksi dalam abad ke 17, berpuncak dalam pekerjaan Sir Isaac Newton.
Menurut perkembangan mekanika kuantum, sekarang dipahami bahwa partikel saling
memengaruhi satu sama lain melalui interaksi fundamental, menjadikan gaya
sebagai konsep yang berguna hanya pada konsep makroskopik. Hanya empat interaksi
fundamental yang dikenal: kuat, elektromagnetik, lemah (digabung menjadi satu
interaksi elektrolemah pada tahun 1970-an), dan gravitasi (dalam urutan
penurunan kuat interaksi).
Daftar
isi
Sejarah
Aristoteles dan pengikutnya meyakini
bahwa keadaan alami objek di Bumi tak bergerak dan bahwasannya objek-objek tersebut cenderung
ke arah keadaan tersebut jika dibiarkan begitu saja. Aristoteles membedakan
antara kecenderungan bawaan objek-objek untuk menemukan “tempat alami” mereka
(misal benda berat jatuh), yang menuju “gerak alami”, dan tak alami atau gerak
terpaksa, yang memerlukan penerapan kontinyu gaya. Namun teori ini meskipun
berdasarkan pengalaman sehari-hari bagaimana objek bergerak (misal kuda dan pedati), memiliki kesulitan perhitungan yang menjengkelkan untuk
proyektil, semisal penerbangan panah. Beberapa teori telah dibahas selama
berabad-abad, dan gagasan pertengahan akhir bahwa objek dalam gerak terpaksa
membawa gaya dorong bawaan adalah pengaruh pekerjaan Galileo Galilei.
Galileo melakukan eksperimen dimana batu dan peluru meriam keduanya
digelindingkan pada suatu kecuraman untuk membuktikan kebalikan teori gerak
Aristoteles pada awal abad 17. Galileo menunjukkan bahwa benda dipercepat oleh
gravitasi yang mana tak gayut massanya dan berargumentasi bahwa objek
mempertahankan kecepatan mereka jika tidak dipengaruhi oleh gaya - biasanya
gesekan. Isaac Newton dikenal sebagai pembantah secara tegas untuk pertama
kalinya, bahwa secara umum, gaya konstan menyebabkan laju perubahan konstan
(turunan waktu) dari momentum. Secara esensi, ia memberi definisi matematika
pertama kali dan hanya definisi matematika dari kuantitas gaya itu sendiri -
sebagai turunan waktu momentum: F = dp/dt. Pada tahun 1784 Charles Coulomb
menemukan hukum kuadrat terbalik interaksi antara muatan listrik menggunakan
keseimbangan torsional, yang mana adalah gaya fundamental kedua. Gaya nuklir
kuat dan gaya nuklir lemah ditemukan pada abad ke 20. Dengan pengembangan teori
medan kuantum dan relativitas umum, disadari bahwa “gaya” adalah konsep
berlebihan yang muncul dari kekekalan momentum (momentum 4 dalam relativitas
dan momentum partikel virtual dalam elektrodinamika kuantum). Dengan demikian
sekarang ini dikenal gaya fundamental adalah lebih akurat disebut “interaksi
fundamental”.
Jenis-jenis
Gaya
Meskipun terdapat dengan jelas
banyak tipe gaya di alam semesta, mereka seluruhnya berbasis pada empat gaya
fundamental. Gaya nuklir kuat dan gaya nuklir lemah hanya beraksi pada jarak
yang sangat pendek dan bertanggung jawab untuk "mengikat" nukleon
tertentu dan menyusun nuklir. Gaya elektromagnetik beraksi antara muatan
listrik dan gaya gravitasi beraksi antara massa. Prinsip perkecualian Pauli
bertanggung jawab untuk kecenderungan atom untuk tak "bertumpang
tindih" satu sama lain, dan adalah jadinya bertanggung jawab untuk
"kekakuan" materi, namun hal ini juga bergantung pada gaya
elektromagnetik yang mengikat isi-isi setiap atom. Seluruh gaya yang lain
berbasiskan pada keempat gaya ini. Sebagai contoh, gesekan adalah perwujudan
gaya elektromagnetik yang beraksi antara atom-atom dua permukaan, dan prinsip
perkecualian Pauli, yang tidak memperkenankan atom-atom untuk menerobos satu
sama lain. Gaya-gaya dalam pegas dimodelkan oleh hukum Hooke adalah juga hasil
gaya elektromagnetik dan prinsip perkecualian Pauli yang beraksi bersama-sama
untuk mengembalikan objek ke posisi keseimbangan. Gaya sentrifugal adalah gaya
percepatan yang muncul secara sederhana dari percepatan rotasi kerangka acuan.
Pandangan mekanika kuantum modern dari tiga gaya fundamental pertama
(seluruhnya kecuali gravitasi) adalah bahwa partikel materi (fermion) tidak
secara langsung berinteraksi dengan satu sama lain namun agaknya dengan
mempertukarkan partikel virtual (boson). Hasil pertukaran ini adalah apa yang
kita sebut interaksi elektromagnetik (gaya Coulomb adalah satu contoh interaksi
elektromagnetik). Dalam relativitas umum, gravitasi tidaklah dipandang sebagai
gaya. Melainkan, objek yang bergerak secara bebas dalam medan gravitasi secara
sederhana mengalami gerak inersia sepanjang garis lurus dalam ruang-waktu
melengkung - didefinisikan sebagai lintasan ruang-waktu terpendek antara dua
titik ruang-waktu. Garis lurus ini dalam ruang-waktu dipandang sebagai garis
lengkung dalam ruang, dan disebut lintasan balistik objek. Sebagai contoh, bola
basket yang dilempar dari landasan bergerak dalam bentuk parabola sebagaimana
ia dalam medan gravitasi serba sama. Lintasan ruang-waktunya (ketika dimensi
ekstra ct ditambahkan) adalah hampir garis lurus, sedikit melengkung (dengan
jari-jari kelengkungan berorde sedikit tahun cahaya). Turunan waktu perubahan
momentum dari benda adalah apa yang kita labeli sebagai "gaya
gravitasi". Contoh:
-
Objek berat dalam keadaan jatuh bebas. Perubahan
momentumnya sebagaimana
dp/dt = mdv/dt = ma =mg (jika massa
m konstan), jadi kita sebut kuantitas mg "gaya gravitasi" yang
beraksi pada objek. Hal ini adalah definisi berat (W = mg) objek.
-
Objek berat di atas meja ditarik ke bawah menuju lantai
oleh gaya gravitasi (yakni beratnya). Pada waktu yang sama, meja menahan
gaya ke bawah dengan gaya ke atas yang sama (disebut gaya normal),
menghasilkan gaya netto nol, dan tak ada percepatan. (Jika objek adalah
orang, ia sesungguhnya merasa aksi gaya normal terhadapnya dari bawah.)
-
Objek berat di atas meja dengan lembut didorong dalam
arah menyamping oleh jari-jari.
-
Akan tetapi, ia tidak pindah karena gaya dari jari-jari
tangan pada objek sekarang dilawan oleh gaya baru gesekan statis,
dibangkitkan antara objek dan permukaan meja.
-
Gaya baru terbangkitkan ini secara pasti menyeimbangkan
gaya yang dikerahkan pada objek oleh jari, dan lagi tak ada percepatan
yang terjadi.
-
Gesekan statis meningkat atau menurun secara otomatis.
Jika gaya dari jari-jari dinaikkan (hingga suatu titik), gaya samping yang
berlawanan dari gesekan statis meningkat secara pasti menuju titik dari
posisi sempurna.
-
Objek berat di atas meja didorong dengan jari cukup
keras sehingga gesekan statis tak dapat membangkitkan gaya yang cukup
untuk menandingi gaya yang dikerahkan oleh jari, dan objek mulai terdorong
melintasi permukaan meja. Jika jari dipindah dengan kecepatan konstan, ini
perlu untuk menerapkan gaya yang secara pasti membatalkan gaya gesek
kinetik dari permukaan meja dan kemudian objek berpindah dengan kecepatan
konstan yang sama. Kecepatan adalah konstan hanya karena gaya dari jari
dan gesekan kinetik saling menghilangkan satu sama lain. Tanpa gesekan,
objek terus-menerus bergerak dipercepat sebagai respon terhadap gaya
konstan.
-
Objek berat mencapai tepi meja dan jatuh. Sekarang
objek, yang dikenai gaya konstan dari beratnya, namun dibebaskan dari gaya
normal dan gaya gesek dari meja, memperoleh dalam kecepatannya dalam arah
sebanding dengan waktu jatuh, dan jadinya (sebelum ia mencapai kecepatan
dimana gaya tahanan udara menjadi signifikan dibandingkan dengan gaya
gravitasi) laju perolehan momentum dan kecepatannya adalah konstan. Fakta
ini pertama kali ditemukan oleh Galileo.
-
Objek berat suspended pada timbangan. Karena objek
tidak bergerak (sehingga turunan waktu dari momentumnya adalah nol) maka
selama percepatan jatuh bebas g ia harus mengalami percepatan yang
diarahkan sama dan berlawanan a = -g dikarenakan aksi pegas.
-
Percepatan ini dikalikan dengan massa objek adalah apa
yang kita labeli sebagai "gaya reaksi pegas" yang mana secara
nyata sama dan berlawanan dengan berat objek mg.
-
Mengetahui massa (katakanlah, 1 kg) dan percepatan
jatuh bebas (katakanlah, 9,8 meter/detik2) kita dapat menentukan timbangan
dengan tanda "9,8 N". Pasang beragam massa (2 kg, 3 kg, ...)
kita dapat mengkalibrasi timbangan dan kemudian menggunakan skala tertentu
ini untuk mengukur banyak gaya yang lain (gesek, gaya reaksi, gaya
listrik, gaya magnetik, dst).
Definisi
Kuantitatif
Kita memiliki pemahaman intuitif ide
gaya, karena gaya dapat secara langsung dirasakan sebagai dorongan atau
tarikan. Sebagaimana dengan konsep fisika yang lain (misal temperatur), ide
intuitif dikuantifikasi menggunakan definisi operasional yang konsisten dengan
persepsi langsung, namun lebih presisi. Secara historis, gaya pertama kali
secara kuantitatif diselidiki dalam keadaan keseimbangan statis dimana beberapa
gaya membatalkan satu sama lain. Eksperimen demikian membuktikan sifat-sifat
yang rumit bahwa gaya adalah kuantitas vektor aditif: mereka memiliki besar dan
arah. Sehingga, ketika dua gaya berkasi pada suatu objek, gaya hasil, resultan,
adalah penjumlahan vektor gaya asal. Hal ini disebut prinsip superposisi. Besar
resultante bervariasi dari perbedaan besar dua gaya terhadap penjumlahan
mereka, gayut sudut antara garis-garis aksi mereka. Sebagaimana dengan seluruh
penambahan vektor hasil-hasil ini dalam aturan jajaran genjang: penambahan dua
vektor yang diwakili oleh sisi-sisi jajaran genjang, memberi vektor resultan
ekivalen yang sama dalam besar dan arah terhadap transversal jajaran genjang.
Sebagaimana dapat ditambahkan, gaya juga dapat diuraikan (atau dipecah).
Sebagai contoh, gaya horisontal menunjuk timur laut dapat dipecah menjadi dua
gaya, satu menunjuk ke utara dan satu menunjuk timur. Jumlahkan
komponen-komponen gaya ini menggunakan penambahan vektor menghasilkan gaya
asal. Vektor-vektor gaya dapat juga menjadi tiga dimensi, dengan komponen
ketiga (vertikal) pada penjuru sudut terhadap dua komponen horisontal. Kasus
paling sederhana dari keseimbangan statis adalah ketika dua gaya adalah sama
dalam besar namun berlawanan arah. Ini menyisakan cara yang paling biasa dari
pengukuran gaya, menggunakan peralatan sederhana semisal timbangan berat dan
neraca pegas. Menggunakan peralatan demikian, beberapa hukum gaya kuantitatif
ditemukan: gaya gravitasi sebanding dengan volume objek yang terdiri dari
material (secara luas dimanfaatkan saat ini untuk mendefinisikan standar
berat); prinsip Archimedes untuk gaya apung; analisis Archimedes dari
pengungkit; hukum Boyle untuk tekanan gas; dan hukum Hooke untuk pegas:
seluruhnya diformulasikan dan secara eksperimental dibuktikan sebelum Isaac
Newton menguraikan secara rinci tiga hukum geraknya. Gaya kadang-kadang
didefinisikan menggunakan hukum kedua Newton, sebagai perkalian massa m kali
percepatan atau lebih umum, sebagai laju perubahan momentum. Pendekatan ini
diabaikan oleh sejumlah besar buku teks. Dengan pertimbangan yang lebih, hukum
kedua Newton dapat diambil sebagai definisi kuantitatif massa; secara pasti
dengan menuliskan hukum sebagai persamaan, satuan relatif gaya dan massa
ditetapkan. sukses empirik yang diberikan hukum Newton, hal itu kadang-kadang
digunakan untuk mengukur kuat gaya (sebagai contoh, menggunakan orbit astronomi
untuk menentukan gaya gravitasi).
Gaya
dalam Relativitas Khusus
Dalam teori relativitas khusus,
massa dan energi adalah sama (sebagaimana dapat dilihat dengan menghitung kerja
yang diperlukan untuk mempercepat benda). Ketika kecepatan suatu objek
meningkat demikian juga energinya dan oleh karenanya ekivalensi massanya
(inersia). Hal ini memerlukan gaya yang lebih besar untuk mempercepat benda
sejumlah yang sama daripada itu lakukan pada kecepatan yang lebih rendah.
Definisi masih valid.
Gaya
dan Potensial
Disamping gaya, konsep yang sama
secara matematis dari medan energi potensial dapat digunakan untuk kesesuaian. Sebagai
contoh, gaya gravitasi yang beraksi pada suatu benda dapat dipandang sebagai
aksi medan gravitasi yang hadir pada lokasi benda. Pernyataan ulang secara
matematis definisi energi (melalui definisi kerja), medan skalar potensial
didefinisikan sebagai medan yang mana gradien adalah sama dan berlawanan dengan
gaya yang dihasilkan pada setiap setiap titik. Gaya dapat diklasifikasi sebagai
konservatif atau non konservatif. Gaya konservatif sama dengan gradien
potensial.
Gaya
konservatif
Gaya konservatif yang beraksi pada
sistem tertutup memiliki sebuah kerja mekanis terkait yang memperkenankan
energi untuk mengubah hanya antara bentuk kinetik atau potensial. Hal ini
berarti bahwa untuk sistem tertutup, energi mekanis netto adalah kekal kapan
pun gaya konservatif beraksi pada sistem. Gaya, oleh karena itu, terkait secara
langsung dengan perbedaan energi potensial antara dua lokasi berbeda dalam
ruang dan dapat ditinjau sebagai artifak, benda (artifact) medan potensial
dalam cara yang sama bahwa arah dan jumlah aliran air dapat ditinjau sebagai
artifak pemetaan kontur (contour map) dari ketinggian area. Gaya konservatif
meliputi gravitasi, gaya elektromagnetik, dan gaya pegas. Tiap-tiap gaya ini,
oleh karena itu, memiliki model yang gayut pada posisi seringkali diberikan
sebagai vektor radial eminating dari potensial simetri bola.
Gaya
non konservatif
Untuk skenario fisis tertentu,
adalah tak mungkin untuk memodelkan gaya sebagaimana dikarenakan gradien
potensial. Hal ini seringkali dikarenakan tinjauan makrofisis yang mana
menghasilkan gaya sebagai kemunculan dari rata-rata statistik makroskopik dari
keadaan mikro. Sebagai contoh, friksi disebabkan oleh gradien banyak potensial
elektrostatik antara atom-atom, namun mewujud sebagai model gaya yang tak gayut
sembarang vektor posisi skala makro.
Gaya non konservatif selain friksi
meliputi gaya kontak yang lain, tegangan, tekanan, dan seretan (drag). Akan
tetapi, untuk sembarang deskripsi detail yang cukup, seluruh gaya ini adalah
hasil gaya konservatif karena tiap-tiap gaya makroskopis ini adalah hasil netto
gradien potensial mikroskopis. Hubungan antara gaya non konservatif makroskopis
dan gaya konservatif mikroskopis dideskripsikan oleh perlakuan detail dengan
mekanika statistik. Dalam sistem tertutup makroskopis, gaya non konservatif
beraksi untuk mengubah energi internal sistem dan seringkali dikaitkan dengan
transfer panas. Menurut Hukum Kedua Termodinamika, gaya non konservatif hasil
yang diperlukan dalam transformasi energi dalam sistem tertutup dari kondisi
terurut menuju kondisi lebih acak sebagaimana entropi meningkat
Hukum gerak Newton
Dari Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas
Hukum Newton
pertama dan kedua, dalam bahasa Latin, dari edisi asli journal Principia Mathematica tahun 1687.
Hukum gerak Newton adalah tiga hukum fisika yang menjadi dasar mekanika klasik. Hukum ini menggambarkan hubungan antara gaya yang bekerja pada suatu benda dan gerak yang disebabkannya. Hukum ini telah dituliskan dengan pembahasaan yang berbeda-beda selama hampir 3 abad,[1] dan dapat dirangkum sebagai berikut:
-
Hukum Pertama: setiap benda akan memiliki kecepatan yang konstan kecuali ada gaya yang
resultannya tidak nol bekerja pada benda tersebut.[2][3][4] Berarti jika resultan gaya nol, maka pusat massa dari suatu benda tetap diam, atau bergerak
dengan kecepatan konstan (tidak mengalami
percepatan).
-
Hukum Kedua: sebuah benda dengan massa M mengalami gaya resultan sebesar F akan
mengalami percepatan a yang arahnya sama
dengan arah gaya, dan besarnya berbanding lurus terhadap F dan berbanding
terbalik terhadap M. atau F=Ma. Bisa juga diartikan resultan gaya yang
bekerja pada suatu benda sama dengan turunan dari momentum linear benda tersebut terhadap waktu.
-
Hukum Ketiga: gaya aksi dan reaksi dari dua benda
memiliki besar yang sama, dengan arah terbalik, dan segaris. Artinya jika
ada benda A yang memberi gaya sebesar F pada benda B, maka benda B akan
memberi gaya sebesar –F kepada benda A. F dan –F memiliki besar yang sama
namun arahnya berbeda. Hukum ini juga terkenal sebagai hukum aksi-reaksi,
dengan F disebut sebagai aksi dan –F
adalah reaksinya.
Ketiga hukum gerak ini pertama dirangkum oleh Isaac Newton dalam karyanya Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, pertama kali diterbitkan pada 5 Juli 1687.[5] Newton menggunakan karyanya untuk menjelaskan dan meniliti gerak dari bermacam-macam benda fisik maupun sistem.[6] Contohnya dalam jilid tiga dari naskah tersebut, Newton menunjukkan bahwa dengan menggabungkan antara hukum gerak dengan hukum gravitasi umum, ia dapat menjelaskan hukum pergerakan planet milik Kepler.
Daftar isi
Tinjauan
Hukum Newton diterapkan pada benda yang dianggap sebagai partikel,[7] dalam evaluasi pergerakan misalnya, panjang benda tidak dihiraukan, karena obyek yang dihitung dapat dianggap kecil, relatif terhadap jarak yang ditempuh. Perubahan bentuk (deformasi) dan rotasi dari suatu obyek juga tidak diperhitungkan dalam analisisnya. Maka sebuah planet dapat dianggap sebagai suatu titik atau partikel untuk dianalisa gerakan orbitnya mengelilingi sebuah bintang.
Dalam bentuk aslinya, hukum gerak Newton tidaklah cukup untuk menghitung gerakan dari obyek yang bisa berubah bentuk (benda tidak padat). Leonard Euler pada tahun 1750 memperkenalkan generalisasi hukum gerak Newton untuk benda padat yang disebut hukum gerak Euler, yang dalam perkembangannya juga dapat digunakan untuk benda tidak padat. Jika setiap benda dapat direpresentasikan sebagai sekumpulan partikel-partikel yang berbeda, dan tiap-tiap partikel mengikuti hukum gerak Newton, maka hukum-hukum Euler dapat diturunkan dari hukum-hukum Newton. Hukum Euler dapat dianggap sebagai aksioma dalam menjelaskan gerakan dari benda yang memiliki dimensi.[8]
Ketika kecepatan mendekati kecepatan cahaya, efek dari relativitas khusus harus diperhitungkan. [9]
Hukum pertama Newton
Walter Lewin
menjelaskan hukum pertama Newton.(MIT
Course 8.01)[10]
Lex I: Corpus
omne perseverare in statu suo quiescendi vel movendi uniformiter in directum,
nisi quatenus a viribus impressis cogitur statum illum mutare.
Hukum I:
Setiap benda akan mempertahankan keadaan diam atau bergerak lurus beraturan,
kecuali ada gaya yang bekerja untuk mengubahnya.[11]
Hukum ini menyatakan bahwa jika resultan gaya (jumlah vektor dari semua gaya yang bekerja pada benda) bernilai nol, maka kecepatan benda tersebut konstan. Dirumuskan secara matematis menjadi:
Artinya :
-
Sebuah benda yang sedang diam akan
tetap diam kecuali ada resultan gaya yang tidak nol bekerja padanya.
-
Sebuah benda yang sedang bergerak,
tidak akan berubah kecepatannya kecuali ada resultan gaya yang tidak nol bekerja
padanya.
Hukum pertama newton adalah penjelasan kembali dari hukum inersia yang sudah pernah dideskripsikan oleh Galileo. Dalam bukunya Newton memberikan penghargaan pada Galileo untuk hukum ini. Aristoteles berpendapat bahwa setiap benda memilik tempat asal di alam semesta: benda berat seperti batu akan berada di atas tanah dan benda ringan seperti asap berada di langit. Bintang-bintang akan tetap berada di surga. Ia mengira bahwa sebuah benda sedang berada pada kondisi alamiahnya jika tidak bergerak, dan untuk satu benda bergerak pada garis lurus dengan kecepatan konstan diperlukan sesuatu dari luar benda tersebut yang terus mendorongnya, kalau tidak benda tersebut akan berhenti bergerak. Tetapi Galileo menyadari bahwa gaya diperlukan untuk mengubah kecepatan benda tersebut (percepatan), tapi untuk mempertahankan kecepatan tidak diperlukan gaya. Sama dengan hukum pertama Newton : Tanpa gaya berarti tidak ada percepatan, maka benda berada pada kecepatan konstan.
Hukum kedua Newton
Walter Lewin
menjelaskan hukum dua Newton dengan menggunakan gravitasi sebagai contohnya.(MIT OCW)[12]
Hukum kedua menyatakan bahwa total gaya pada sebuah partikel sama dengan banyaknya perubahan momentum linier p terhadap waktu :
Karena hukumnya hanya berlaku untuk sistem dengan massa konstan,[13][14][15] variabel massa (sebuah konstan) dapat dikeluarkan dari operator diferensial dengan menggunakan aturan diferensiasi. Maka,
Dengan F adalah total gaya yang bekerja, m adalah massa benda, dan a adalah percepatan benda. Maka total gaya yang bekerja pada suatu benda menghasilkan percepatan yang berbanding lurus.
Massa yang bertambah atau berkurang dari suatu sistem akan mengakibatkan perubahan dalam momentum. Perubahan momentum ini bukanlah akibat dari gaya. Untuk menghitung sistem dengan massa yang bisa berubah-ubah, diperlukan persamaan yang berbeda.
Sesuai dengan hukum pertama, turunan momentum terhadap waktu tidak nol ketika terjadi perubahan arah, walaupun tidak terjadi perubahan besaran. Contohnya adalah gerak melingkar beraturan. Hubungan ini juga secara tidak langsung menyatakan kekekalan momentum: Ketika resultan gaya yang bekerja pada benda nol, momentum benda tersebut konstan. Setiap perubahan gaya berbanding lurus dengan perubahan momentum tiap satuan waktu.
Hukum kedua ini perlu perubahan jika relativitas khusus diperhitungkan, karena dalam kecepatan sangat tinggi hasil kali massa dengan kecepatan tidak mendekati momentum sebenarnya.
Impuls
Impuls J muncul ketika sebuah gaya F bekerja pada suatu interval waktu Δt, dan dirumuskan sebagai[16][17]
Impuls adalah suatu konsep yang digunakan untuk menganalisis tumbukan.[18]
Sistem dengan massa berubah
Sistem dengan massa berubah, seperti roket yang bahan bakarnya digunakan dan mengeluarkan gas sisa, tidak termasduk dalam sistem tertutup dan tidak dapat dihitung dengan hanya mengubah massa menjadi sebuah fungsi dari waktu di hukum kedua.[14] Alasannya, seperti yang tertulis dalam An Introduction to Mechanics karya Kleppner dan Kolenkow, adalah bahwa hukum kedua Newton berlaku terhadap partikel-partikel secara mendasar.[15] Pada mekanika klasik, partikel memiliki massa yang konstant. Dalam kasus partikel-partikel dalam suatu sistem yang terdefinisikan dengan jelas, hukum Newton dapat digunakan dengan menjumlahkan semua partikel dalam sistem:
dengan Ftotal adalah total gaya yang bekerja pada sistem, M adalah total massa dari sistem, dan apm adalah percepatan dari pusat massa sistem.
Sistem dengan massa yang berubah-ubah seperti roket atau ember yang berlubang biasanya tidak dapat dihitung seperti sistem partikel, maka hukum kedua Newton tidak dapat digunakan langsung. Persamaan baru digunakan untuk menyelesaikan soal seperti itu dengan cara menata ulang hukum kedua dan menghitung momentum yang dibawa oleh massa yang masuk atau keluar dari sistem:[13]
dengan u adalah kecepatan dari massa yang masuk atau keluar relatif terhadap pusat massa dari obyek utama. Dalam beberapa konvensi, besar (u dm/dt) di sebelah kiri persamaan, yang juga disebut dorongan, didefinisikan sebagai gaya (gaya yang dikeluarkan oleh suatu benda sesuai dengan berubahnya massa, seperti dorongan roket) dan dimasukan dalam besarnya F. Maka dengan mengubah definisi percepatan, persamaan tadi menjadi
Sejarah
Hukum kedua Newton dalam bahasa aslinya (latin) berbunyi:
Lex II:
Mutationem motus proportionalem esse vi motrici impressae, et fieri secundum
lineam rectam qua vis illa imprimitur.
Diterjmahkan dengan cukup tepat oleh Motte pada tahun 1729 menjadi:
Law II: The
alteration of motion is ever proportional to the motive force impress'd; and is
made in the direction of the right line in which that force is impress'd.
Yang dalam Bahasa Indonesia berarti:
Hukum Kedua:
Perubahan dari gerak selalu berbanding lurus terhadap gaya yang dihasilkan /
bekerja, dan memiliki arah yang sama dengan garis normal dari titik singgung
gaya dan benda.
Hukum ketiga Newton
Hukum Ketiga
Newton. Para pemain sepatu luncur es memberikan gaya pada satu sama-lain dengan
besar yang sama tapi berlawanan arah.
Penjelasan hukum
ketiga Newton.[19]
|
“
|
|
Lex
III: Actioni contrariam semper et æqualem esse reactionem: sive corporum
duorum actiones in se mutuo semper esse æquales et in partes contrarias
dirigi.
|
|
”
|
|
“
|
|
Hukum
ketiga : Untuk setiap aksi selalu ada reaksi yang sama besar dan
berlawanan arah: atau gaya dari dua benda pada satu sama lain selalu sama
besar dan berlawanan arah.
|
|
”
|
Benda apapun yang menekan atau menarik benda lain mengalami tekanan atau tarikan yang sama dari benda yang ditekan atau ditarik. Kalau anda menekan sebuah batu dengan jari anda, jari anda juga ditekan oleh batu. Jika seekor kuda menarik sebuah batu dengan menggunakan tali, maka kuda tersebut juga "tertarik" ke arah batu: untuk tali yang digunakan, juga akan menarik sang kuda ke arah batu sebesar ia menarik sang batu ke arah kuda.
Hukum ketiga ini menjelaskan bahwa semua gaya adalah interaksi antara benda-benda yang berbeda,[20] maka tidak ada gaya yang bekerja hanya pada satu benda. Jika benda A mengerjakan gaya pada benda B, benda B secara bersamaan akan mengerjakan gaya dengan besar yang sama pada benda A dan kedua gaya segaris. Seperti yang ditunjukan di diagram, para peluncur es (Ice skater) memberikan gaya satu sama lain dengan besar yang sama, tapi arah yang berlawanan. Walaupun gaya yang diberikan sama, percepatan yang terjadi tidak sama. Peluncur yang massanya lebih kecil akan mendapat percepatan yang lebih besar karena hukum kedua Newton. Dua gaya yang bekerja pada hukum ketiga ini adalah gaya yang bertipe sama. Misalnya antara roda dengan jalan sama-sama memberikan gaya gesek.
Secara sederhananya, sebuah gaya selalu bekerja pada sepasang benda, dan tidak pernah hanya pada sebuah benda. Jadi untuk setiap gaya selalu memiliki dua ujung. Setiap ujung gaya ini sama kecuali arahnya yang berlawanan. Atau sebuah ujung gaya adalah cerminan dari ujung lainnya.
Secara matematis, hukum ketiga ini berupa persamaan vektor satu dimensi, yang bisa dituliskan sebagai berikut. Asumsikan benda A dan benda B memberikan gaya terhadap satu sama lain.
Dengan
Fa,b adalah gaya-gaya yang bekerja pada A oleh
B, dan
Fb,a adalah gaya-gaya yang bekerja pada B oleh
A.
Newton menggunakan hukum ketiga untuk menurunkan hukum kekekalan momentum,[21] namun dengan pengamatan yang lebih dalam, kekekalan momentum adalah ide yang lebih mendasar (diturunkan melalui teorema Noether dari relativitas Galileo dibandingkan hukum ketiga, dan tetap berlaku pada kasus yang membuat hukum ketiga newton seakan-akan tidak berlaku. Misalnya ketika medan gaya memiliki momentum, dan dalam mekanika kuantum.
Pentingnya hukum Newton dan jangkauan validitasnya
Hukum-hukum Newton sudah di verifikasi dengan eksperimen dan pengamatan selama lebih dari 200 tahun, dan hukum-hukum ini adalah pendekatan yang sangat baik untuk perhitungan dalam skala dan kecepatan yang dialami oleh manusia sehari-hari. Hukum gerak Newton dan hukum gravitasi umum dan kalkulus, (untuk pertama kalinya) dapat memfasilitasi penjelasan kuantitatif tentang berbagai fenomena-fenomena fisis.
Ketiga hukum ini juga merupakan pendekatan yang baik untuk benda-benda makroskopis dalam kondisi sehari-hari. Namun hukum newton (digabungkan dengan hukum gravitasi umum dan elektrodinamika klasik) tidak tepat untuk digunakan dalam kondisi tertentu, terutama dalam skala yang amat kecil, kecepatan yang sangat tinggi (dalam relativitas khususs, faktor Lorentz, massa diam, dan kecepatan harus diperhitungkan dalam perumusan momentum) atau medan gravitasi yang sangat kuat. Maka hukum-hukum ini tidak dapat digunakan untuk menjelaskan fenomena-fenomena seperti konduksi listrik pada sebuah semikonduktor, sifat-sifat optik dari sebuah bahan, kesalahan pada GPS sistem yang tidak diperbaiki secara relativistik, dan superkonduktivitas. Penjelasan dari fenomena-fenomena ini membutuhkan teori fisika yang lebih kompleks, termasuk relativitas umum dan teori medan kuantum.
Dalam mekanika kuantum konsep seperti gaya, momentum, dan posisi didefinsikan oleh operator-operator linier yang beroperasi dalam kondisi kuantum, pada kecepatan yang jauh lebih rendah dari kecepatan cahaya, hukum-hukum Newton sama tepatnya dengan operator-operator ini bekerja pada benda-benda klasik. Pada kecepatan yang mendekati kecepatan cahaya, hukum kedua tetap berlaku seperti bentuk aslinya F = dpdt, yang menjelaskan bahwa gaya adalah turunan dari momentum suatu benda terhadap waktu, namun beberapa versi terbaru dari hukum kedua tidak berlaku pada kecepatan relativistik
Komentar
Posting Komentar