Gaya dan Hukum Newton

Tiga aturan yang menjelaskan mengapa apa pun di alam semesta bergerak dengan cara seperti itu.

​

Apa itu gaya?

Gaya adalah dorongan atau tarikan. Itu saja. Itulah seluruh definisinya.

• Mendorong kereta belanja → gaya.
• Bumi menarik Anda ke bawah → gaya (kita menyebutnya gravitasi).
• Magnet yang menangkap penjepit kertas → gaya.
• Lantai yang menahan Anda → gaya (ya, lantai secara aktif mendorong Anda ke atas).

Gaya diukur dalam newton (N). Satu newton kira-kira adalah berat sebuah apel kecil di tangan Anda. Ingat itu — itu membuat setiap angka yang Anda lihat menjadi kurang abstrak.

​

Tiga hukum Newton, dalam bahasa sehari-hari

Newton menulis tiga kalimat yang menjelaskan pada dasarnya semua gerak mekanik. Berikut ini, sudah diterjemahkan.

​

Hukum 1 — Hukum Kemalasan

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

Jika diam, ia tetap diam. Jika bergerak, ia terus bergerak dalam garis lurus pada kelajuan yang sama. Selamanya.

“Tapi tunggu, benda berhenti dengan sendirinya sepanjang waktu.”

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

Hukum ini juga disebut kelembaman (inersia). Inersia hanyalah kemalasan alam semesta: benda tidak mengubah geraknya kecuali sesuatu memaksanya.

​

Hukum 2 — Hukum Matematis

Gaya = massa × percepatan. $F = ma$

Satu persamaan mungil ini melakukan banyak pekerjaan. Mari kita baca apa yang sebenarnya dikatakannya.

• Lebih banyak gaya → lebih banyak percepatan. Dorong kereta lebih keras, ia melaju lebih cepat. Jelas.
• Lebih banyak massa → lebih sedikit percepatan untuk gaya yang sama. Dorong mobil sekuat Anda mendorong kereta belanja — mobil hampir tidak bergeming. Juga jelas, begitu Anda melihatnya.

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

​

Coba di kepala Anda

Anda mendorong buku 1 kg dengan gaya 2 N. Seberapa cepat ia melaju?

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

Setiap sekon, ia 2 m/s lebih cepat. Rapi.

Sekarang dorong ransel 10 kg dengan gaya 2 N yang sama.

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

Sepuluh kali massanya → seper sepuluh percepatannya. Persamaan ini cocok dengan firasat Anda.

​

Hukum 3 — Hukum Dorongan Balik

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

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

Ini terdengar lebih aneh dari kenyataannya. Contoh:

• Anda mendorong tanah ke bawah dengan kaki Anda → tanah mendorong Anda ke atas. Begitulah cara Anda berjalan.
• Roket mendorong gas panas ke bawah → gas mendorong roket ke atas. Begitulah cara roket terbang.
• Anda bersandar pada dinding → dinding mendorong Anda kembali dengan gaya yang sama. Jika tidak, Anda akan jatuh menembusnya.

Kebingungan umum: jika gayanya sama besar dan berlawanan arah, mengapa apa pun bisa bergerak? Karena kedua gaya itu bekerja pada benda yang berbeda. Saat Anda mendorong kereta, Anda merasakan dorongan ke belakang dan kereta merasakan dorongan ke depan. Kereta dipercepat ke depan, Anda tetap di tempat (karena gesekan dengan lantai mengimbangi dorongan balik dari kereta).

​

Gaya-gaya yang akan Anda temui berulang kali

Gravitasi

Bumi yang menarik segala sesuatu menuju pusatnya. Di permukaan Bumi, ia mempercepat apa pun pada sekitar 9,8 m/s² (kita menyebut ini $g$). Sebuah benda 1 kg merasakan gaya ke bawah sekitar 9,8 N. Itulah beratnya.

Gaya normal

Dorongan yang diberikan kembali oleh permukaan ketika sesuatu beristirahat di atasnya. Duduk di kursi → kursi mendorong Anda ke atas dengan gaya yang cukup untuk menahan Anda. Itu adalah Hukum 3 Newton dalam aksi.

Gesekan

Gaya yang melawan peluncuran antara dua permukaan. Tanpanya, Anda tidak bisa berjalan, menyetir, atau memegang pensil. Dengan terlalu banyak gesekan, tidak ada yang akan bergerak. Insinyur menghabiskan separuh hidup mereka mengelola gesekan.

Tegangan

Tarikan di sepanjang tali, kabel, atau benang. Jika Anda menggantungkan beban pada tali, tali berada dalam tegangan. Seluruh tali menarik dengan sama besar di sepanjang panjangnya — itulah sebabnya satu mata rantai yang lemah memutuskan seluruh rantai.

Gaya terapan

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

​

Cara memecahkan soal gaya apa pun (metode insinyur)

1. Gambar bendanya

   Cukup sebuah kotak. Tidak perlu seni.

2. Gambar setiap gaya yang bekerja padanya sebagai 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 menuju arah berlawanan saling menghapuskan. Yang tersisa adalah gaya neto.

4. Terapkan F = ma

   Gaya neto dibagi massa = percepatan. Selesai.

Jika gaya neto = 0, percepatan = 0. Benda itu entah diam atau melaju pada kecepatan konstan. Ini disebut kesetimbangan, dan begitulah setiap jembatan, gedung, dan kursi tetap berada di tempatnya.

Selanjutnya: Energi dan Kerja

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