Dinamika dan gaya dalam fisika terapan

DINAMIKA

Dinamika merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari penyebab benda bergerak. Ketika benda bergerak akan dilihat apa yang menyebabkan benda tersebut bisa bergerak. 

Benda ini dapat bergerak tak lain karena ada gaya yang bekerja pada benda tersebut. Sehingga dalam dinamika kita akan mempelajari tentang gaya-gaya yang menyebabkan benda bergerak, yang kemudian dituangkan dalam hukum-hukum Newton tentang Gerak.

Hukum-Hukum Newton

1. Hukum I Newton

 Jika resultan gaya yang bekerja pada benda yang sama dengan nol, maka benda yang mula-mula diam akan tetap diam. Benda yang mula-mula bergerak lurus beraturan akan tetap lurus beraturan dengan kecepatan tetap.

Secara matematis, Hukum I Newton dapat ditulis sebagai berikut :

Berlaku pada saat :

- Benda dalam keadaan diam 

- Benda sedang bergerak dengan kecepatan benda konstan (GLB).

- Tepat akan bergerak

2. Hukum II Newton

 Percepatan dari suatu benda akan sebanding dengan jumlah gaya (resultan gaya) yang bekerja pada benda tersebut dan berbanding terbalik dengan massanya.

Secara matematis, Hukum II Newton dapat ditulis sebagai berikut :

Berlaku pada saat :

- Benda sedang bergerak dengan kecepatan benda berubah (GLBB).

Rumus GLBB

3. Hukum III Newton

 Gaya-gaya aksi dan reaksi oleh dua buah benda pada masing-masing benda adalah sama besar dan berlawanan arah.

Penekanan pada hukum ini adalah adanya dua benda, dalam arti gaya aksi diberikan oleh benda pertama, sedangkan gaya reaksi diberikan oleh benda kedua. Hukum ini dikenal sebagai hukum aksi-reaksi, dan secara matematis dapat di tuliskan sebagai berikut.

Jenis – Jenis Gaya

1. Gaya Berat (w)

Gaya berat adalah gaya yang dikerjakan oleh percepatan gravitasi pada sebuah benda bermassa. Arah gaya berat selalu tegak lurus ke bawah menuju pusat gravitasi. 

Gaya berat atau berat didefinisikan sebagai perkalian antara massa benda dengan percepatan gravitasi.

Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa besarnya berat suatu benda berbanding lurus dengan percepatan gravitasi. Artinya jika percepatan gravitasi disuatu tempat besar, maka berat benda akan menjadi besar pula.

Karena gaya berat merupakan besaran vector, maka arah dari gaya berat ini akan selalu menuju ke pusat bumi. Seperti dapat dilihat pada gambar dibawah ini

Sebagai contoh benda yang dilemparkan ke atas pasti akan kembali lagi ke tanah karena pengaruh gaya berat.

2. Gaya Normal (N)

 Gaya normal adalah gaya yang timbul akibat adanya interaksi antara partikel-partikel. Gaya normal umumnya terjadi pada dua benda yang bersentuhan dan memiliki arah tegak lurus bidang sentuh. Pada benda yang digantung bebas tidak terdapat gaya normal.

Karena gaya normal juga merupakan besaran vector, maka arah gaya ini selalu tegak lurus dengan bidang yang bersentuhan.

Contohnya ketika sebuah buku diletakkan di atas meja, maka buku tersebut akan mengalami gay normal dari titik dasar buku menuju ke atas secara tegak lurus.

3. Gaya Gesek (f)

 Gaya gesek adalah gaya yang dihasilkan oleh dua permukaan benda yang saling bergesekan. Besarnya gaya gesek bergantung pada kekasaran permukaan benda-benda yang bergesekan. Semakin kasar permukaan benda maka gaya gesek yang dihasilkan akan semakin besar

Persamaan gaya gesek adalah :

Dengan :

μ = koefisien gesek

N = gaya normal

Contoh gaya gesek adalah pada saat kita berjalan di atas lantai tanpa tergelincir karena adanya gaya gesek antara telapak kaki dengan lantai.

4.Gaya Tegangan Tali

Gaya tegangan tali adalah gaya pada tali ketika tali tersebut dalam keadaan tegang. Contoh gaya tegangan tali adalah ketika suatu benda diikat dengan tali kemudian benda tersebut digantungkan di atas permukaan tanah. Maka pada benda tersebut bekerja gaya tegangan tali yang arahnya ke atas.

Rumus :

Kondisi #1 (benda digantung dengan tali)

Ketika sebuah benda bermassa m dihubungkan tali kemudian digantung maka pada benda tersebut bekerja dua gaya, yaitu gaya tegangan tali T dan gaya berat w. Karena benda diam, maka berlaku Hukum I Newton sebagai berikut.

ΣF_Y = 0

T – w = 0

T = w

Sehingga rumus gaya tegangan tali pada kondisi ini adalah

T = mg

Kondisi #2 (benda dihubungkan tali pada katrol licin)

Jika sebuah benda bermassa m dihubungkan tali pada katrol licin kemudian ditarik dengan gaya F, maka benda tersebut bekerja dua gaya yaitu gaya tegangan tali T dan gaya berat w, jika F > w maka benda bergerak ke atas sehingga berlaku Hukum II  Newton sebagai berikut.

ΣF_Y = ma

T₁ – w = ma

T₁ = ma + w

T₁ = ma + mg

Sehingga rumus gaya tegangan tali pada kondisi ini adalah

T1 = m(a+g)

Apabila kita tinjau gaya yang menarik tali (F), maka pada titik tersebut juga bekerja gaya tegangan tali T₂ yang arahnya ke atas. Jika yang kita tinjau adalah katrol, maka pada katrol tersebut bekerja gaya tegangan tali T₁’ dan T₂’ yang besarnya sama dengan T₁ dan T₂ karena pada katrol yang licin (tidak ada gesekan) semua gaya tegangan tali besarnya adalah sama, sehingga

T₁’ = T₂’ = T₁ = T₂

Kondisi #3 (dua benda dihubungkan tali dan ditarik)

Misalkan dua benda bermassa m₁ dan m_2­ saling dihubungan dengan tali pada bidang datar licin. Kemudian pada benda 2 ditarik dengan gaya sebesar F, maka pada masing-masing benda bekerja gaya tegangan tali T₁ dan T₂. Jika kedua benda bergerak ke kanan, maka pada masing-masing benda berlaku Hukum II Newton sebagai berikut.

Benda 1

Resultan gaya pada sumbu Y

ΣF_Y = m₁a

N₁ – w₁ = m₁a (karena tidak ada gerak pada arah Y maka a = 0)

N₁ – w₁ = 0

N₁ = w₁

Resultan gaya pada sumbu X

ΣF_X = m₁a

T₁ = m₁a

Dengan demikian besar gaya tegangan tali pada benda 1 adalah

T1 = m1a

Benda 2

Resultan gaya pada sumbu Y

ΣF_Y = m₂a

N₂ – w₂ = m₂a (karena tidak ada gerak pada arah Y maka a = 0)

N₂ – w₂ = 0

N₂ = w₂

Resultan gaya pada sumbu X

ΣF_X = m₂a

F – T₂  = m₂a

T₂ = F – m₂a

Dengan demikian besar gaya tegangan tali pada benda 2 adalah

T2 = F – m2a

Karena pada benda 1 dan benda 2 dihubungkan dengan tali yang sama maka

T₁ = T₂

Kondisi #4 (benda dihubungkan tali pada bidang miring licin)

Perhatikan kembali gambar tegangan tali di atas. Jika sebuah benda bermassa m dihubungkan dengan tali kemudian diletakkan pada bidang miring licin dengan sudut kemiringan α, maka pada benda tersebut bekerja gaya tegangan tali T dengan arah seperti pada gambar. Karena benda tidak bergerak maka berlaku Hukum I Newton sebagai berikut

Resultan gaya pada sumbu Y

ΣF_Y = 0

N – w cos α = 0

N = w cos α

N = mg cos α

Resultan gaya pada sumbu X

ΣF_X = 0

T – w sin α  = 0

T = w sin α

T = mg sin α

Dengan demikian besar gaya tegangan tali pada benda tersebut adalah

T = mg sin α

5.Gaya Sentripetal

Gaya sentripetal adalah gaya yang bekerja pada benda yang bergerak melingkar yang arahnya selalu menuju pusat lingkaran. Gaya sentripetal ini berfungsi untuk mengubah arah gerak benda supaya tetap bergerak melingkar. Contohnya pada mainan bandul yang diputar secara vertikal maupun horizontal akan mengalami gaya sentripetal yang arahnya menuju pusat lingkaran.

Contoh gaya sentripetal yang lainnya:

∎ Gerak bulan dan satelit buatan yang mengelilingi bumi

∎ Gerak planet mengelilingi matahari

∎ Gesekan antara ban kendaraan dengan jalan saat berbelok di tikungan melengkung

∎ Gerak benda yang diputar baik vertikal maupun horizontal dengan menggunakan seutas tali

∎ Gerak Roller Coaster  saat melewati lintasan melingkar

Rumus nya :

ΣFs

=

mas

………. Pers. (1)

Karena a_s = v²/R = ω²R, maka persamaan (1) dapat kita tulis sebagai berikut.

ΣFs	=	m	v2	………. Pers. (2)
			R

Atau bisa juga dapat kita tulis sebagai berikut.

ΣFs

=

mω2R

………. Pers. (3)

Keterangan:
Fs	=	Gaya sentripetal atau komponen gaya dalam arah radial (N)
m	=	Massa benda (kg)
as	=	Percepatan sentripetal (m/s2)
v	=	Kecepatan linear (m/s)
ω	=	Kecepatan sudut (rad/s)
R	=	Jari-jari lintasan (m)

6.Gaya Sentrifugal

Gaya sentrifugal adalah lawan dari gaya sentripetal. Gaya sentripetal merupakan efek semu yang timbul ketika sebuah benda melakukan gerak melingkar. Arah gerak sentrifugal ini adalah menjauhi pusat putaran. Sebagai contohnya adalah ketika sebuah bandul diputar kemudian tali bandul putus maka bandul tersebut akan bergerak menjauhi pusat putaran.
Contoh gaya sentrifugal yang lainnya:

∎ Lumpur yang terpental dari ban kendaraan yang bergerak

∎ Peristiwa yang kita rasakan saat menaiki komedi putar atau permainan ontang-anting

∎ Pembalap Motogp yang tergelincir saat menikung

∎ Saat berada di mobil yang menikung ke kiri, kita merasa terdorong ke kanan

Tabel Perbandingan Gaya Sentripetal dengan Gaya Sentrifugal

No	Karakteristik	Sentripetal	Sentrifugal
1	Nyata atau fiktif	Gaya sentripetal adalah gaya nyata yang merupakan hasil interaksi fisik	Gaya sentrifugal adalah gaya fiktif yang nampak ada saat benda berputar dilihat dari kerangka acuan yang juga berputar bersamaan dengan objeknya
2	Arah	Gaya sentripetal bekerja menuju pusat lingkaran	Gaya sentrifugal seolah bekerja menjauhi pusat lingkaran
4	Pengaruh terhadap gerak benda	Menyebabkan benda bergerak melingkar	Menyebabkan benda terpental dari gerakan melingkar
5	Pengamatan melalui kerangka inersial	Dapat diamati	Tidak dapat diamati
6	Pengamatan melalui kerangka non-inersial	Tidak dapat diamati	Dapat diamati
7	Rumus	Fsp = masp = mv2/R	Fsf = mv2/R

7.Gaya Otot

Gaya otot adalah gaya yang ditimbulkan oleh manusia tau hewan misalnya pada saat sedang menarik, mendorong, mengangkat ataupun menahan suatu benda.

8.Gaya Pegas

Gaya pegas adalah gaya yang dihasilkan oleh benda-benda yang memilki sifat lentur atau elastis. Benda-benda yang memiliki gaya pegas contohnya adalah karet dan per pada kendaraan.

9.Gaya Gravitasi

Gaya gravitasi adalah gaya yang berasal dari gaya tarik bumi. Besarnya gaya gravitasi yang dialami oleh benda bergantung pada massa benda tersebut. Semakin besar massanya, maka gaya tarik gravitasinyapun semakin besar. Contohnya adalah buah kelapa yang jatuh dari pohonnya.

10.Gaya Magnet

Gaya magnet adalah tarikan atau dorongan yang dihasilkan oleh benda yang bersifat magnet. Benda yang dapat ditarik oleh magnet adalah benda-benda yang terbuat dari logam, yaitu besi, nikel dan kobalt. Benda-benda yang dapat ditarik megnet ini disebut sebagai benda magnetis. Contohnya adalah Jarum tertarik oleh magnet.

11.Gaya Apung

Gaya apung adalah gaya ke atas yang dikerjakan oleh fluida (zat cair) yang melawan gaya berat dari suatu benda yang direndam. Sebagai contoh, kapa layar dapat mengapung di permukaan laut karena pengaruh gaya apung. Gaya apung ini pertama kali dikemukakan oleh seorang ahli matematika yunani bernama Archimedes.

12.Gaya Listrik

Gaya listrik adalah gaya yang dihasilkan oleh arus listrik. Contoh gaya yang terjadi pada alat-alat elektronik seperti kipas angin, setrika dan sebagainya.

13.Gaya Coulomb

gaya coulomb adalah gaya yang ditimbulkan oleh dua buah muatan yang saling berdekatan. Misalkan dua partikel bermuatan positif dan negatig berdekatan dengan jarak tertentu.

14.Gaya Lorentz

Gaya lorentz adalah gaya yang ditimbulkan oleh muatan listrik yang bergerak atau gaya yang ditimbulkan oleh arus listrik yang berada dalam suatu medan magnet.

15.Gaya Mesin

Gaya mesin adalah gaya yang dihasilkan oleh mesin, sebagai contoh gaya mesin adalah mobil yang sedang melaju, kereta api yang sedang bergerak, pesawat yang sedang terbang dan sebagainya.

Penerapan Hukum Newton Tentang Gerak

1. Benda yang diletakkan pada bidang datar yang ditarik dengan sebuah gaya.

Keterangan:

F = gaya tarik (N)

fg = gaya gesekan (N)

m = massa benda (kg)

a = percepatan (m/s2)

2. Dua Benda yang diletakkan pada bidang datar yang ditarik dengan sebuah gaya.

Keterangan:

F = gaya tarik (N)

fg1 = gaya gesekan benda 1 (N)

fg2 = gaya gesekan benda 2 (N)

m1 = massa benda 1 (kg)

m2 = massa benda 2 (kg)

a = percepatan (m/s2)

3. Dua Benda yang salah satunya menggantung.

Keterangan:

w2 = berat benda 2 (N).

fg = gaya gesekan benda 1 (N).

m1 = massa benda 1 (kg).

m2 = massa benda 2 (kg).

a = percepatan (m/s2).

4. Dua benda yang dihubungkan dengan katrol

Keterangan:

w2 = berat benda 2 (N)

w1 = berat benda 1 (N)

m1 = massa benda 1 (kg)

m2 = massa benda 2 (kg)

a = percepatan (m/s2)

5. Benda yang diletakkan pada bidang miring.

Keterangan:

w = berat benda (N).

θ = sudut kemiringan bidang.

fg = gaya gesekan (N).

m = massa benda (kg).

a = percepatan benda (m/s2).