Gaya dan Hukum Newton

Tiga aturan yang menjelaskan kenapa segala sesuatu di alam semesta bergerak sebagaimana adanya.

​

Apa itu gaya?

Gaya adalah dorongan atau tarikan. Cuma itu. Itulah seluruh definisinya.

• Mendorong troli belanja → gaya.
• Bumi menarikmu ke bawah → gaya (kita menyebutnya gravitasi).
• Magnet menangkap penjepit kertas → gaya.
• Lantai menahanmu → gaya (ya, lantai secara aktif mendorongmu ke atas).

Gaya diukur dalam newton (N). Satu newton kira-kira sama dengan berat apel kecil di tanganmu. Ingat itu — itu membuat setiap angka yang kamu lihat menjadi lebih konkret.

​

Tiga hukum Newton, dalam bahasa sehari-hari

Newton menulis tiga kalimat yang pada dasarnya menjelaskan seluruh gerak mekanik. Inilah ketiganya, diterjemahkan.

​

Hukum 1 — Hukum Pemalas

Sebuah benda akan terus melakukan apa yang sedang dilakukannya kecuali ada gaya yang mengubahnya.

Kalau diam, ia tetap diam. Kalau bergerak, ia terus bergerak dalam garis lurus dengan kelajuan tetap. Selamanya.

“Tapi tunggu, segala sesuatu selalu berhenti sendiri.”

Tidak, tidak begitu. Bola yang menggelinding di rumput berhenti karena gesekan (gaya dari rumput) dan hambatan udara (gaya dari udara). Hilangkan keduanya — bayangkan bola di permukaan tanpa gesekan dalam ruang hampa — dan ia akan menggelinding selamanya.

Hukum ini juga disebut inersia. Inersia hanyalah kemalasan alam semesta: benda tidak mengubah geraknya kecuali ada sesuatu yang memaksanya.

​

Hukum 2 — Hukum Matematika

Gaya = massa × percepatan. $F = ma$

Persamaan kecil ini melakukan banyak pekerjaan. Mari baca apa yang sebenarnya dikatakannya.

• Gaya lebih besar → percepatan lebih besar. Dorong troli lebih kuat, ia bertambah cepat lebih cepat. Jelas.
• Massa lebih besar → percepatan lebih kecil untuk gaya yang sama. Dorong mobil sekuat kamu mendorong troli belanja — mobil itu hampir tidak bergeming. Juga jelas, begitu kamu melihatnya.

Jadi massa hanyalah seberapa keras kepala sesuatu menolak untuk dipercepat. Bola boling itu “berat” karena ia menolak. Bola pingpong tidak.

​

Coba di kepalamu

Kamu mendorong buku 1 kg dengan gaya 2 N. Seberapa cepat ia bertambah laju?

$a = \frac{F}{m} = \frac{2 \text{ N}}{1 \text{ kg}} = 2 \text{ m/s}^2$

Setiap sekon, ia bertambah 2 m/s. Rapi.

Sekarang dorong ransel 10 kg dengan 2 N yang sama.

$a = \frac{2}{10} = 0.2 \text{ m/s}^2$

Sepuluh kali massa → sepersepuluh percepatan. Persamaan sesuai dengan firasatmu.

​

Hukum 3 — Hukum Dorongan Balik

Untuk setiap aksi, ada reaksi yang sama besar dan berlawanan arah.

Kapan pun kamu mendorong sesuatu, ia mendorong balik padamu dengan gaya yang sama persis.

Ini terdengar lebih aneh daripada sebenarnya. Contoh:

• Kamu mendorong tanah ke bawah dengan kakimu → tanah mendorongmu ke atas. Itulah cara kamu berjalan.
• Roket mendorong gas panas ke bawah → gas mendorong roket ke atas. Itulah cara roket terbang.
• Kamu bersandar di dinding → dinding mendorongmu balik dengan gaya yang sama. Kalau tidak, kamu akan jatuh menembusnya.

Kebingungan umum: kalau gayanya sama besar dan berlawanan, kenapa segala sesuatu bisa bergerak? Karena kedua gaya bekerja pada benda yang berbeda. Saat kamu mendorong troli, kamu merasakan dorongan ke belakang dan troli merasakan dorongan ke depan. Troli berakselerasi ke depan, kamu tetap diam (karena gesekan dengan lantai mengimbangi dorongan balik troli terhadapmu).

​

Gaya-gaya yang akan kamu temui berulang kali

Gravitasi

Bumi menarik segala sesuatu ke pusatnya. Di permukaan Bumi, ia mempercepat apa pun sekitar 9,8 m/s² (kita menyebutnya $g$). Benda 1 kg merasakan gaya ke bawah sekitar 9,8 N. Itulah beratnya.

Gaya normal

Dorongan balik yang diberikan permukaan ketika sesuatu bertumpu di atasnya. Duduk di kursi → kursi mendorongmu ke atas dengan gaya yang persis cukup untuk menahanmu. Itu Hukum 3 Newton beraksi.

Gesekan

Gaya yang menahan pergeseran antara dua permukaan. Tanpanya, kamu tidak bisa berjalan, menyetir, atau memegang pensil. Dengan terlalu banyak gesekan, tidak ada yang bisa bergerak. Insinyur menghabiskan separuh hidup mereka mengelola gesekan.

Tegangan

Tarikan sepanjang tali, kabel, atau benang. Kalau kamu menggantungkan beban dari tali, tali itu mengalami tegangan. Seluruh tali menarik sama besar di sepanjangnya — itulah kenapa satu mata rantai yang lemah memutus seluruh rantai.

Gaya terapan

Apa pun yang kamu (atau motor, atau pegas) dorong atau tarik secara langsung. Gaya “masukan” dalam kebanyakan soal.

​

Cara menyelesaikan soal gaya apa pun (metode insinyur)

1. Gambar bendanya

   Cukup sebuah kotak. Tidak perlu seni rupa.

2. Gambar setiap gaya yang bekerja padanya sebagai anak panah

   Panjang panah = seberapa besar gayanya. Arah panah = ke arah mana ia mendorong. Ini disebut diagram benda bebas, dan ini adalah alat paling berguna dalam mekanika.

3. Jumlahkan gaya-gaya di setiap arah

   Gaya yang berlawanan arah saling menghapus. Yang tersisa adalah gaya total (resultan).

4. Terapkan F = ma

   Gaya total dibagi massa = percepatan. Selesai.

Kalau gaya total = 0, percepatan = 0. Benda tersebut entah diam atau meluncur dengan kecepatan konstan. Ini disebut kesetimbangan, dan inilah cara setiap jembatan, gedung, dan kursi tetap berada di tempatnya.

Selanjutnya: Energi dan Usaha

Cara lain memikirkan gaya — sering kali lebih mudah, selalu elegan.