Bahan Ajar Fisika BAB Gaya Kelas X SMK

A.      Pengertian Gaya

Gaya adalah suatu kekuatan yang mengakibatkan benda yang dikenainya dapat mengalami perubahan kedudukan atau perubahan bentuk. Gaya dapat berupa tarikan atau dorongan. Sebelum ayunan ditarik atau didorong, ayunan itu tidak bergerak. Ketika ditarik, ayunan itu bergerak ke belakang. Jadi, sebelum dikenai gaya ayunan itu tidak bergerak. Setelah ayunan diberi gaya berupa tarikan, ayunan itu bergerak ke belakang. Demikian juga ketika diberi gaya yang berupa dorongan, ayunan itu juga bergerak. Dengan demikian, gaya menyebabkan benda yang diam menjadi bergerak.

B.       Jenis-jenis Gaya

1. Gaya Gravitasi

 Gaya gravitasi adalah gaya yang dimiliki oleh benda-benda karena massanya. Setiap benda yang memiliki massa akan menarik benda lain yang memiliki massa. Massa bumi sangat besar sehingga bumi memiliki gaya gravitasi yang besar pula. Gaya gravitasi ini berupa gaya tarik, sehingga gravitasi bumi ini mampu menarik benda-benda kecil yang berada dipermukaan bumi.

Gaya tarik bumi pada suatu benda disebut dengan berat benda. Berat benda ini didapat didefinisikan sebagai perkalian antara massa benda dengan percepatan gravitasi. Dari pengukuran diketahui bahwa untuk tempat-tempat yang relatif rendah dari permukaan bumi, besar percepatan gravitasi relatif konstan. Sehingga sering dianggap percepatan gravitasi dipermukaan bumi adalah konstan yaitu g = 9,8 m/s². Selanjutnya berat benda dirumuskan berikut.

w = m.g

dimana : w= berat (N), g = perecepatan gravitasi (m/s²), dan m = massa (kg)

2. Gaya Tekan Normal

Gaya tekan normal adalah gaya yang diberikan oleh lantai (bidang) pada benda. Arah gaya tekan normal selalu tegak lurus terhadap bidang (baik bidang horisontal maupun bidang miring).  Gaya tekan normal timbul akibat dari gaya berat benda yang menekan lantai. Pada contoh di bawah ini, gaya berat menekan lantai akibatnya lantai melawan dengan memberi gaya ke atas pada balok. Gaya ke atas oleh lantai (bidang) inilah yang disebut gaya tekan normal. Besarnya gaya tekan normal ini dipengaruhi oleh posisi bidang tempat balok berada.

3. Gaya Tegangan Tali

Gaya tegangan tali adalah gaya yang bekerja melalui tali, kabel maupun kawat. Sebagai contoh adalah sebuah kereta yang ditarik oleh seekor kuda dengan menggunakan tali. Dalam hal ini, pada balok terdapat gaya tegangan tali T yang besarnya sama dengan gaya kuda

4. Gaya Sentripetal

Gaya sentrpetal adalah gaya yang menyebabkan suatu benda bergerak melingkar. Arah gaya ini menuju titik pusat lingkaran. Apabila suatu benda yang bergerak lurus dan diikat dengan seutas tali maka benda tersebut akan begerak melingkar.

Gaya sentrpetal dirumuskan sebagai :

dimana

F = gaya sentripetal (N),

m = massa benda yang bergerak melingkar (kg),

v =kecepatan gerak melngkar (m/s) dan

R = jari-jari lintasan lingkaran (m)

5. Gaya Gesek

Gaya gesekan adalah gaya yang terjadi jika dua buah benda bersinggungan. Orang dapat berjalan di atas lantai tanpa tergelincir karena adanya gaya gesek yaitu gesekan antara telapak kaki dengan lantai. Mobil berhenti karena direm. Rem mobil adalah gaya gesekan antara roda dengan kampas rem.

Gesekan antara kaki dengan lantai, ban dengan jalan, ban mobil dengan rem, batu meteor dengan atmosfer merupakan contoh gaya gesekan yang menguntungkan. Sedangkan gesekan antar gigi-gigi roda adalah gesekan yang merugikan.

Jenis Gaya Gesek

.

Pada gambar di samping, sebuah balok ditarik dengan gaya F ke kanan ternyata tidak bergerak. Hal ini dapat terjadi jika ada gaya lain yang melawan F. Gaya yang melawan ini besarnya sama F dan arahnya ke kiri yang menyebabkan resultan gaya pada balok adalah nol.  Gaya yang melawan ini disebut gaya gesek statis. Besarnya gaya gesek statis sama besar dengan gaya tarik pada benda.  Apabila gaya tarik F diperbesar maka balok akan bergerak. Pada saat bergerak gaya gesekan balok dengan lantai disebut dengan gaya gesekan kinetis. Dari pengukuran ternyata gaya gesekan kinetis lebih kecil dari gaya gesekan statis maksimum.

Besar Gaya

Besar gaya gesek dinyatakan dengan grafik di samping. Pada saat benda ditarik dengan gaya yang semakin membesar maka gaya gesekan statis akan membesar sampai maksimum. Apabila gaya tarik diperbesar lagi, maka benda bergerak dan gaya gesekan kinetisnya tetap. Gaya gesekan kineis lebih kecil dari gaya gesekan statis maksimum. Dari percobaan diketahui bahwa besarnya gaya gesekan sebanding dengan gaya tekan normal.

fges ~ N

Dengan konstanta pembanding = μ

Sehingga dirumuskan

fges = μ N

 

Konstanta μ disebut dengan koefisien gesekan. Besarnya koefisien gesekan tergantung tergantung dari kehalusan permukaan bidang yang bersentuhan, tidak tergantung luas permukaan. Semakin halus permukaan akan menimbulkan gaya gesekan yang semakin kecil.

C.  HUKUM I NEWTON

Di alam banyak dijumpai benda yang selamanya dalam keadaan diam, misalnya sebuah batu di hutan. Selain itu ada juga benda yang bergerak terus menerus tanpa henti, misalnya bumi mengelilingi matahari!. Mengapa batu dihutan selalu diam? Dan mengapa pula bumi selalu mengelilingi matahari?

Keadaan selalu diam ataupun selalu bergerak terus menerus ini disebut dengan istilah lembam (inersia = malas). Sifat lembam yaitu sifat ingin selalu mempertahankan keadaannya. Benda yang diam akan mempertahankan keadaan diamnya, sedangkan benda yang bergerak akan mempertahankan keadaan geraknya. Di bumi, sebuah benda dipengaruhi oleh lebih dari satu gaya. Benda akan dalam keadaan lembam apabila gaya-gaya yang bekerja padanya memiliki resultan nol. Gaya yang resutalnya nol sering disebut gaya-gaya setimbang. Batu di hutan, dipengaruhi gaya gravitasi dan gaya normal yang besarnya sama dan saling berlawanan. Dalam tata surya, bumi tidak dipengaruhi oleh gaya apapun sehingga tetap mempertahankan keadaan geraknya.

Sifat lembam ini dijelaskan oleh Newton dengan hukum I Newton yaitu:

” Jika resultan gaya yang bekerja pada suatu benda sama dengan nol, maka benda yang diam akan tetap diam dan benda yang bergerak lurus beraturan akan tetap bergerak lurus beraturan. “.

Dirumuskan :

       F = 0

       a = 0

      Keterangan : F = resultan gaya ( N )

                                  a = percepatan ( m/s²)

 Jika ΔF = 0 maka percepatan nol artinya kecepatannya tetap. Apabila benda semula diam (v=0) maka selamanya akan tetap diam. Apabila benda bergerak dengan kecepatan v maka selamanya benda akan bergerak dengan kecepatan yang tetap v.

D. Hukum II Newton

Pada saat kita akan mengendarai motor, setelah mesin digas maka motor yang semula diam menjadi bergerak. Apabila gas diperbesar maka motor akan melaju semakin cepat. Apabila motor direm maka laju akan semakin lambat bahkan berhenti. Motor yang digas atau direm ini dikatakan mengalami perubahan gerak (perubahan kecepatan). Perubahan gerak ini terjadi karena adanya gaya.

Apabila sebuah benda mendapat sebuah atau beberapa gaya yang resultanya tidak nol, maka benda akan mengalami perubahan gerak. Perubahan gerak ini ditunjukkan dengan adanya perubahan kecepatan atau dikatakan timbul percepatan. Pengaruh gaya terhadap percepatan ini dirumuskan dalam hukum II Newton.

Dari suatu percobaan diketahui bahwa besar percepatan yang terjadi sebanding dengan gaya atau resultan gaya yang menimbulkannya. Hal ini dinyatakan dengan hukum II Newton yaitu, " besarnya percepatan benda sebanding dengan resultan gaya yang menimbulkannya ".

dirumuskan :

a ~ ΣF

dengan konstanta pembanding k= 1/m

sehingga hukum II Newton dirumuskan sebagai:

a = ΣF/m  atau

ΣF = m a 

Keterangan :

ΣF = resultan gaya (N)

m = massa benda (kg)

a = percepatan benda (m/s^-2)

Konstanta pembanding adalah k=1/m. Besar massa m ini menentukan sifat kelembaman, yaitu semakin besar massa benda maka sifat kembaman semakin besar. Hal ini berarti untuk merubah gerak benda yang bermassa besar akan diperlukan gaya yang lebih besar pula. Selanjutnya massa disebut dengan konstanta inersia (kelembaman)

E.       Hukum III Newton

Setiap benda yang lembam selalu akan melakukan perlawanan terhadap setiap gaya yang mengenainya. Perlawanan benda terhadap gaya ini dinyatakan dengan hukum III Newton. Hukum III Newton ini berbunyi, " Jika sebuah benda mengerjakan gaya terhadap benda lain, maka benda lain akan mengerjakan gaya yang sama besar dan berlawanan pada benda tersebut."  Kedua gaya tersebut dikenal dengan gaya aksi dan gaya reaksi. Hukum ini dirumus sebagai

F aksi = - F

F = - F'

Contoh

Gambar di kanan, seseorang mendorong lemari ke kanan. Gaya aksinya adalah gaya dorong orang pada tembok yaitu F, sedangkan gaya reaksinya adalah gaya tolak tembok pada orang yaitu F' ke kiri.

Pada saat kamu berdiri, kaki kamu menekan lantai ke bawah sebagai reaksinya lantai akan menekan anda ke atas.  Bumi menarik benda dipermukaan bumi ke pusat bumi, sebagai reaksinya benda akan menarik bumi ke pusat benda.

 

F.   Analisis Gaya

Biasanya sebuah benda dipengaruhi oleh beberapa gaya sehingga membentuk permasalahan gaya yang komplek. Untuk memudahkannya maka digunakan analisis gaya.

Adapun prinsi dari analisis gaya yaitu:

1. Menggambar semua gaya yang bekerja pada benda.

2. Semua gaya diuraikan menjadi gaya komponen yang sejajar sumbu x dan yang sejajar  sumbu y.

3. Menganalisa setiap gaya pada sumbu x dan y dengan konsep hukum newton, untuk menentukan besar percepatan benda atapun gaya-gaya tertentu.

4. Hasil percepatan dapat dikaitkan dengan konsep kinematika (gerak benda)

  

1. Pada Bidang Datar

Satu balok

Berikut ini adalah sebuah balok diletakkan pada lantai licin dan ditarik dengan gaya F ke kanan.

Setelah di analisis maka diperoleh gambar gaya-gaya seperti berikut

Analisis gaya :

1. Gaya searah sumbu X.

Setelah diberi gaya, balok yang semula diam menjadi bergerak. Gaya yang bekerja sejajar sumbu x adalah Fcosα. Hal ini dinyatakan dengan hukum Newton sebagai:

ΣFx = m.a

Fcosα - f ges = m. a.

Keterangan :

F = gaya tarik ke kanan. (N)

f ges = gaya gesekan ke kiri (karena lantai licin maka f ges =0).

m = massa beda (m)

a = percepatan (m/s²).

2. Gaya searah sumbu y.

Pada sistem balok ini terdapat 3 gaya yang sejajar sumbu y yaitu N ke atas, w ke bawah dan F.sinα ke atas. Akan tetapi balok dalam keadaan setimbang yaitu balok tidak bergerak ke atas atau kebawah. Dalam hal ini percepatan nol(a=0). Hukum dinyatakan sebagai :

ΣFy = m.a

N + F.sinα - w = m. a.

N + F.sinα - m. g = 0

Keterangan :

N = gaya tekan normal. (N)

w = gaya berat. (N)

m = massa beda (m)

g = percepatan gravitasi (m/s²).

Dua Balok

Dua buah balok yang berada di lantai dihubungkan dengan seutas tali. Balok kedua ditarik dengan gaya F ke kanan yang membentuk sudut α terhadap horisontal .

Analisis gaya adalah sebagai berikut.

1.    Gaya searah sumbu X:

ΣFx = m a

F .cos α - T + T - fges1 - fges2 = m _A . a + m _B. a

2.    Gaya searah sumbu Y:

ΣFy = m a

Balok 1 : F .sin α + N₁ - w₁ =0

Balok 2 : N - w₂ = 0

Apabila lantai licin maka fges1 = f ges2 = 0

2. Pada Bidang Miring

Gambar di bawah adalah sebuah balok yang diletakkan pada bidang miring. Pada balok ini bekerja dua gaya yaitu gaya berat w dan gaya gesekan fges. Gaya berat diuraikan menjadi w.sin.α dan w.cos.α seperti gambar. Analisis gayanya dinyatakan dengan gambar sebelah kanan.

analisis gayanya adalah

1.    Gaya searah sumbu X:

w sin α - fges = m.a

2.    gaya searah sumbu Y:

N -555 w cos α = 0