GAYA DAN PENERAPANYA

Jika kamu perhatikan dengan saksama, banyak bendabenda yang ada di sekelilingmu tidak pernah diam. Di kotakota besar terlihat berbagai jenis kendaraan berlalu lalang di jalan raya. Di udara pesawat terbang melesat dari suatu tempat ke tempat lainnya. Bahkan di sungai atau di laut pun perahu-perahu melesat di permukaan air. Kamu tentu tahu bahwa kendaraan-kendaraan tersebut dikendalikan oleh mesin sehingga menghasilkan gaya, baik berupa dorongan atau tarikan, untuk menggerakkan kendaraan itu. Akan tetapi, bagaimanakah mesin menghasilkan gaya sehingga kendaraan dapat bergerak? Selain itu, bagaimana dengan gerakan benda-benda dan gejala-gejala yang ada di alam? Mengapa angin bertiup dan air sungai mengalir? Mengapa bulan mengelilingi bumi dan bumi mengelilingi matahari? Apakah semua benda tersebut ditarik atau didorong dengan gaya?

Apakah yang dimaksud dengan dorongan atau tarikan yang kamu lakukan itu? Untuk mengetahuinya, lakukanlah kegiatan Ayo Coba 9.1 berikut.

Ketika kamu menarik buku dan mendorong pensil di atas mejamu, ternyata buku dan pensil bergerak atau berpindah tempat. Begitu pula ketika kamu menarik kedua ujung penggarismu, tarikan mengubah bentuk penggaris menjadi melengkung. Tarikan dan dorongan yang kamu berikan pada benda disebut gaya. Apakah gaya yang kamu berikan memiliki arah? Tentu, gaya memiliki arah. Ketika kamu mendorong ke depan, benda pun akan bergerak ke depan. Jadi, gaya dapat dikatakan sebagai tarikan atau dorongan. Gaya dapat menyebabkan sebuah benda berubah bentuk, berubah posisi, berubah kecepatan, berubah panjang atau volume, dan juga berubah arah. Sebuah gaya disimbolkan dengan huruf F singkatan dari Force. Satuan gaya dalam Satuan Internasional (SI) adalah Newton (N) yang merupakan penghormatan bagi seorang ilmuwan Fisika Inggris bernama Sir Isaac Newton (1642-1727).

B. Jenis-Jenis Gaya

Tuhan telah memberikan anugerah kepada kamu berupa otot sehingga setiap saat kamu dapat melakukan kerja. Misalnya mandi, makan, menulis, minum, atau mengangkat benda-benda. Semua kegiatan tersebut kamu lakukan dengan memberi tarikan dan dorongan pada benda-benda itu sehingga dapat berubah bentuk, kecepatan, panjang, atau arah. Ketika kamu mendorong sebuah mobil, kamu telah memberikan gaya. Dorongan tersebut menyebabkan mobil dapat bergerak dan berpindah tempat, seperti pada Gambar 9.4 (a).

Selain itu, kamu tentu pernah melihat buah kelapa tiba-tiba jatuh dari pohonnya, seperti pada Gambar 9.4 (b). Apakah ada yang menarik buah kelapa tersebut sehingga jatuh dari pohonnya? Bagaimanakah cara menariknya? Dari kedua contoh tersebut, ada dua cara gaya bekerja terhadap suatu benda.

C. Mengukur Gaya

Ketika kamu memberikan tarikan atau dorongan pada sebuah benda, tentu kamu tidak tahu seberapa besar tarikan atau dorongan yang kamu berikan. Untuk dapat mengetahui besar gaya yang kamu berikan, diperlukan suatu alat ukur. Alat ukur gaya yang paling sederhana dan dapat mengukur secara langsung adalah neraca pegas (dinamometer). Terdapat berbagai jenis dan skala dinamometer di laboratorium seperti terlihat pada Gambar 9.5.

D. Penjumlahan Gaya dan Pengaruhnya pada Benda

Apakah gaya memiliki arah? Coba kamu jatuhkan sebuah benda. Apakah yang terjadi? Ke arah manakah benda tersebut jatuh? Tariklah sebuah benda di mejamu. Ke manakah benda itu bergerak? Coba belokkan arah tarikanmu. Apakah arah gerak benda juga mengikuti gaya tariknya? Dari contoh tersebut, kamu dapat menyimpulkan bahwa gaya termasuk besaran yang memiliki nilai dan arah yang kamu kenal dengan besaran vektor. Sebuah besaran gaya dapat digambarkan dengan sebuah anak panah. Misalnya, kamu memberikan gaya terhadap sebuah benda ke kanan, seperti terlihat pada Gambar 9.7. Panjang anak panah menyatakan nilai (besar) gaya, sedangkan arah anak panah menyatakan arah kerja gaya. Misalnya, sebuah gaya F yang besarnya 5 N bekerja pada sebuah benda. Jika 1 cm menggambarkan 1 N, gaya tersebut dapat digambarkan sebagai berikut.

1. Penjumlahan Gaya

Apabila kamu disuruh memindahkan sebuah meja di kelasmu, manakah yang lebih mudah? Apakah dengan mendorong sendirian atau dibantu dengan temanmu? Mengapa demikian? Untuk lebih jelasnya, marilah lakukan kegiatan Ayo Coba 9.4 berikut.

Mendorong meja oleh dua orang dengan arah yang sama tentu akan lebih mudah dibandingkan dengan mendorong meja oleh satu orang. Hal ini menunjukkan bahwa dua buah gaya atau lebih dapat dijumlahkan. Namun, bagaimanakah jika kedua gaya yang kamu kerjakan itu saling berlawanan arah? Tentu benda akan lebih sulit untuk bergerak. Mengapa demikian? Hal ini disebabkan kedua gaya tersebut saling mengurangi. Penjumlahan atau pengurangan dua buah gaya atau lebih disebut resultan gaya. Misalnya, dua orang sedang mendorong sebuah mobil dengan gaya masing-masing 50 N dan 40 N. Gaya kedua orang yang memengaruhi mobil tersebut menjadi 90 N. Apabila kedua gaya itu kamu gambarkan dan 1 cm mewakili 10 N akan didapatkan Gambar 9.11 berikut.

Cara menggambarkan resultan kedua buah gaya (R) tersebut adalah dengan menggambarkan gaya F1 sesuai dengan besar dan arahnya. Kemudian, di ujung gaya F1 digambarkan gaya F2 dengan besar dan arah yang sesuai. Resultan gayanya adalah panjang dari titik pangkal F1 sampai ke ujung akhir F2. Secara matematis, resultan beberapa buah gaya dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut. R (N) = F1 (N) + F2 (N) + F3 (N) … (9–1) Bagaimanakah jika kedua gaya itu saling berlawanan arah? Misalnya, kedua gaya tersebut adalah F1 = 50 N ke arah kanan dan F2 = 40 N ke arah kiri, berapakah resultan gayanya? Kemanakah arah gaya resultannya? Secara aljabar, resultan gaya ditulis. R = F1 + (– F2) R = 50 N + ( –40 N) R = 50 N – 40 N R = 10 N Tanda minus pada gaya F2 menunjukkan bahwa F2 berlawanan arah dengan F1. Adapun secara grafis, dapat digambar sebagai berikut.

2. Kesetimbangan

Menjumlahkan dua buah gaya yang saling berlawanan arah adalah dengan cara mengurangkan besar kedua gaya tersebut. Bagaimanakah jika besar kedua gaya itu sama? Berapakah resultannya? Apakah akibatnya terhadap benda? Tentu benda akan diam karena jumlah kedua gaya tersebut sama dengan nol. Keadaan ini disebut benda berada dalam kesetimbangan. Jadi, suatu benda dikatakan setimbang apabila resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut sama dengan nol.

E. Hukum-Hukum Newton

1. Hukum I Newton

Apabila kamu naik sebuah bus, kemudian bus itu tibatiba di rem, kamu akan terdorong ke depan. Bagaimana apabila bus tersebut maju tiba-tiba? Tentu kamu akan terdorong ke belakang.

kamu dapat mengetahui jika suatu benda yang sedang diam memiliki kecenderungan untuk diam. Benda yang sedang bergerak cenderung untuk terus bergerak. Hal ini sesuai dengan sifat benda yaitu sifat lembam (malas). Untuk benda yang bergerak terus, kamu dapat melihatnya pada contoh berikut. Ketika kamu mendorong sebuah balok di atas meja yang permukaannya datar kamu akan melihat bahwa balok tersebut akan cenderung bergerak dan kemudian berhenti. Akan tetapi, pada saat permukaan meja tersebut diperhalus, balok akan cenderung terus bergerak. Kejadian tersebut dipelajari kali pertama oleh Sir Issac Newton dan dinyatakan sebagai Hukum I Newton yang menyatakan bahwa "suatu benda akan tetap diam atau tetap bergerak lurus beraturan jika resultan gaya yang bekerja pada benda itu sama dengan nol". Prinsip inilah yang menyebabkan kamu terdorong ke depan ketika bus tiba-tiba direm atau terdorong ke belakang ketika bus bergerak maju secara mendadak. Keadaan tersebut berhubungan dengan sifat kelembaman dirimu. Oleh sebab itu, Hukum I Newton dikenal dengan hukum kelembaman. Berdasarkan jawabanmu, dapat disimpulkan bahwa apabila resultan gaya yang bekerja pada benda tidak sama dengan nol tetapi konstan, benda akan bergerak lurus berubah beraturan. Benda yang bergerak lurus berubah beraturan kecepatannya berubah secara beraturan sehingga mengalami percepatan yang tetap. Ketika kamu mendorong meja seorang diri, tentu meja tersebut bergerak lambat. Beda halnya ketika kamu bersama teman-temanmu mendorongnya, meja tersebut lebih mudah lagi bergerak. Hal ini terjadi karena gaya yang diberikan terhadap meja olehmu sendiri lebih kecil dibandingkan ketika kamu dibantu teman-temanmu. dengan demikian, meja lebih mudah digerakkan karena percepatannya lebih besar. Besarnya percepatan suatu benda sebanding dengan resultan gayanya. Semakin besar resultan gaya yang bekerja pada suatu benda, percepatannya akan semakin besar. Apabila percepatan disimbolkan dengan a dan resultan gaya disimbolkan dengan SF, dapat dituliskan

a&SF (9–2)

Suatu benda memiliki sifat kelembaman yang selanjutnya disebut massa kelembaman. Massa kelembaman ini sangat memengaruhi percepatan gerak suatu benda. Untuk lebih jelasnya, lakukanlah kegiatan Ayo Coba 9.6 berikut. Jika suatu benda yang sedang bergerak dengan percepatan tertentu kamu tambahkan massa kelembamannya, percepatan benda akan semakin kecil. Hal ini membuktikan bahwa percepatan benda berbanding terbalik dengan massa benda. Untuk resultan gaya tetap yang bekerja pada suatu benda dengan massa semakin besar, semakin kecil percepatan yang terjadi. Apabila massa kelembaman benda disimbolkan dengan m, diperoleh hubungan percepatan dan massa sebagai berikut.

Gejala-gejala tersebut telah dipelajari sebelumnya oleh Newton sehingga menghasilkan Hukum II Newton, yang menyatakan bahwa jika resultan gaya yang bekerja pada suatu benda tidak sama dengan nol, benda akan bergerak dengan percepatan yang besarnya sebanding dengan resultan gayanya dan berbanding terbalik dengan massa kelembamannya. Secara matematis dituliskan

3. Hukum III Newton

Apabila kamu memiliki sepatu roda, coba kamu lakukan kegiatan sederhana untuk menggali konsep Hukum III Newton. Caranya, pakailah sepatu roda, ikatkan sebuah tali pada dinding, lalu tariklah tali tersebut, seperti pada Gambar 9.14. Apakah yang terjadi? Apabila kamu tarik dinding melalui tali, ternyata kamu tertarik oleh dinding. Seolah-olah ada gaya yang menarikmu ke dinding sebagai reaksi dari gaya tarik yang kamu berikan. Kegiatan tersebut menunjukkan bahwa apabila kamu memberikan gaya aksi pada suatu benda, ternyata benda tersebut akan mengadakan gaya reaksi yang arahnya berlawanan.

a. Gaya Normal

Sebuah benda yang diletakkan di atas meja memiliki resultan gaya sama dengan nol, tetapi bukan berarti tidak ada gaya yang bekerja padanya. Pada benda tersebut ada dua gaya yang saling berlawanan, seperti terlihat pada Gambar 9.16. Gaya yang arahnya ke bawah terjadi akibat benda tersebut mengalami gaya yang dilakukan oleh pusat bumi, sedangkan gaya ke atas diberikan oleh meja akibat benda tersebut mengerjakan gaya pada meja. Apakah kedua gaya tersebut aksi-reaksi? Tentu bukan, karena gaya ke atas bukan diberikan oleh gaya ke bawah. Gaya yang diberikan meja terhadap benda dengan arah tegak lurus permukaan disebut gaya normal (N). Apabila kamu gambarkan seluruh gaya yang bekerja pada benda, akan terlihat seperti Gambar 9.17. Pasangan aksi-reaksi yang terjadi sebagai berikut. 1. Gaya aksi diberikan bumi pada benda (w) menimbulkan gaya reaksi dari benda ke pusat bumi (w' ). Jadi, pasangan aksi reaksinya: w = – w'

2. Gaya aksi yang diberikan oleh benda pada meja (N) menimbulkan gaya reaksi yang diberikan meja pada benda (N) yang disebut gaya normal. N = – N '

b. Gaya Tegang Tali

Sebuah bola yang digantungkan melalui sebuah tali menimbulkan adanya gaya tegangan pada tali yang disebut gaya tegang tali (T). Perhatikan Gambar 9.18. Berdasarkan Gambar 9.18, w adalah gaya berat bola yang dikerjakan bumi pada bola tersebut, sedangkan T1 adalah gaya tegang tali yang dikerjakan tali pada bola. w dan T1 bukan pasangan aksi reaksi karena kedua gaya tersebut bekerja pada sebuah benda yang sama, yaitu bola. Jadi, gaya apakah pada peristiwa tersebut yang merupakan gaya aksireaksi? Marilah lihat gaya yang lainnya. w' adalah gaya tarik benda pada bumi, sedangkan T2 adalah gaya tegangan tali pada atap. T2' adalah gaya tarik atap pada tali. T1' adalah gaya tarik bola pada tali. Pasangan aksi reaksi pada kejadian tersebut adalah sebagai berikut. 1. Gaya aksi yang dikerjakan pusat bumi pada bola (w) dan gaya reaksi yang dikerjakan bola pada pusat bumi (w'). w = – w' 2. Gaya aksi yang dikerjakan tali pada bola (T1) dan gaya reaksi yang dikerjakan bola pada tali (T1'). T1 = –T1' 3. Gaya aksi yang dikerjakan tali pada atap (T2) dengan gaya reaksi yang dikerjakan atap pada tali (T2'). T2 = –T2' Tuhan telah memberikan hukum alam bahwa benda yang dekat ke permukaan bumi selalu jatuh ke permukaan bumi. Mengapa hal itu terjadi? Tuhan pun telah mengatur planet-planet berputar mengelilingi matahari. Gaya apakah yang menjaganya? Gaya yang menyebabkan suatu benda jatuh ke permukaan bumi adalah gaya tarik bumi. Gaya itu disebut gaya gravitasi. Gaya itulah yang menjaga planet-planet tidak keluar dari orbitnya. Gaya gravitasi adalah gaya yang terjadi akibat adanya interaksi antara dua buah benda berupa gaya tarik-menarik. Suatu benda yang berada di permukaan bumi tarik-menarik dengan pusat bumi sehingga benda di permukaan bumi selalu tertarik ke arah pusat bumi sebab sifat kelembaman

bumi jauh lebih besar dibandingkan sifat kelembamam benda. Gaya gravitasi inilah yang menyebabkan suatu benda memiliki berat. Gaya gravitasi yang bekerja pada suatu benda bergantung pada jaraknya ke pusat bumi. Semakin jauh dari pusat bumi, gaya gravitasi semakin kecil. Bumi yang kamu tempati ini tidak benar-benar bulat, tetapi memampat di bagian kutubnya dan mengembang di bagian khatulistiwa. Hal inilah yang menyebabkan gaya gravitasi di kutub lebih besar daripada di khatulistiwa. Perbandingan antara berat dan massa suatu benda akan menunjukkan harga yang tetap. Sesuai dengan hukum II Newton maka besaran itu disebut percepatan gravitasi (g). Apabila berat suatu benda disimbolkan dengan w dan massa benda disimbolkan dengan m, maka percepatan gravitasi (g) dapat ditulis: dengan: w = berat benda (N) m = massa benda (kg) g = konstanta gravitasi atau percepatan gravitasi (N/kg) Satuan N/kg dapat dinyatakan pula dengan satuan m/s2. Percepatan gravitasi bumi di suatu tempat bergantung pada jaraknya dari pusat bumi. Semakin jauh dari pusat bumi, semakin kecil percepatan gravitasinya. Dengan kata lain, berat suatu benda semakin berkurang. Berikut ini suatu data yang diambil dari suatu sumber.

F. Gaya Gesek

Alangkah menyenangkan apabila kamu ke sekolah naik sepeda. Selain hemat biaya, kamu juga sehat karena berolah raga. Tetapi, kamu harus hati-hati karena banyak kendaraan di jalan raya. Ketika kamu sampai ke sekolah, tentu kamu akan menarik rem tangan agar sepeda tersebut dapat berjalan perlahan, lalu akhirnya berhenti. Mengapa ketika kamu menarik rem, sepedamu dapat berhenti? Tentu ada tarikan atau dorongan yang berlawanan dengan arah gerakmu sehingga sepedamu berhenti. Di manakah itu terjadi? Ternyata, dorongan atau tarikan itu terjadi sebagai hasil gesekan antara karet rem dan pelek pada roda sepeda yang bergesekan. Gaya seperti ini disebut gaya gesek. Gaya gesek termasuk gaya sentuh karena hasil persentuhan langsung dua permukaan yang bergesekan.

Gaya gesek terjadi akibat dua permukaan benda saling bergesekan. Arah gaya gesek selalu melawan kecenderungan geraknya. Pada kegiatan Ayo Coba 9.9, arah gaya gesek melawan gaya tariknya. Besarnya gaya gesek akan selalu sama dengan gaya tariknya ketika benda belum bergerak. Gaya gesek tersebut dinamakan dengan gaya gesek statis. Jika kamu menarik dengan gaya 10 N dan balok tepat akan bergerak, besar gaya gesek adalah 10 N dan disebut dengan gaya gesek statis maksimum. Ketika kamu menariknya dengan gaya 6 N dan balok belum bergerak, besarnya gaya gesek statis adalah 6 N (belum mencapai maksimal).

1. Mengurangi Gaya Gesek

Besarnya gaya gesek bergantung pada kekasaran permukaan benda yang bergesekan. Semakin kasar permukaan yang bergesekan, semakin besar pula gaya gesek nya. Itulah yang menyebabkan kamu harus memakai alas sepatu yang bergerigi agar kamu dapat berjalan dengan mantap. Gaya gesek pun dapat terjadi di udara dan di air. Keadaan inilah yang membuat motor boat atau pesawat terbang selalu dirancang runcing di bagian depannya. Hal tersebut dilakukan untuk mengurangi gaya gesek air atau udara.

Perkembangan ilmu dan teknologi sedikit demi sedikit telah membantu manusia untuk mengetahui bagaimana cara mempermudah usaha. Salah satunya adalah memperkecil gaya gesek dengan menggunakan roda. Pada pekembangannya roda terbuat dari batu, lalu kayu sampai akhirnya terbuat dari ban karet pada zaman sekarang.

2. Gaya Gesek yang Menguntungkan dan Merugikan

Dalam kehidupan sehari-hari kamu tentu mengenal bahwa gaya gesek ada yang menguntungkan dan ada pula yang merugikan. Menguntungkan dan merugikannya gaya gesek bergantung pada keadaan. Misalnya, apabila kamu sedang berjalan, kamu tentu memilih permukaan yang kasar. Mengapa? Karena kamu akan kesulitan apabila berjalan di jalan yang licin. Dalam kejadian ini, gaya gesek menguntungkan bagi manusia. Mengapa ban mobil dibuat bergerigi? Tentu hal ini dibuat supaya mobil dapat bergerak dengan baik. Pada kejadian ini pun gaya gesek sangat menguntungkan. Namun, apabila jalannya terlalu kasar, ban mobil akan cepat habis sehingga hal ini merugikan secara ekonomi. Roda gigi sepedamu harus terus dipelihara dengan cara memberinya pelumas. Mengapa hal itu kamu lakukan? Pada peristiwa tersebut gaya gesek merugikan atau menguntungkan? Apabila roda gigimu penuh karat, kamu akan sulit mengayuh sepeda. Hal tersebut membuktikan gaya gesek sangat merugikan sehingga untuk memperkecil gaya gesek kamu harus memberinya pelumas.

Beri Penilaian