123

1. FISIKA DASAR I
BAB 4 : GAYA
• Helmy Ramadhani ( 1810631140170 )
• Ahmad Rifaldi ( 1810631140184 )
• Egi Mandala Putra ( 1810631140187 )
• Dwi Adi Sucipto ( 1810631140189 )
• Mohammad Vigan ( 1810631140196 )

2. 4.1 Hukum Newton tentang Gerak
Hukum I Newton
Semua benda cenderung mempertahankan keadaannya: benda yang
diam tetap diam dan benda yang bergerak, tetap bergerak dengan
kecepatan konstant.
Hukum II Newton
Hukum I Newton baru mendefinisikan besaran yang bernama
massa, tetapi belum membahas penyebab benda bergerak atau berhenti.
Hukum II Newton menjelaskan perubahan keadaan gerak benda. Hukum
ini menyatakan bahwa benda dapat diubah keadaan geraknya jika pada
benda bekerja gaya. Gaya yang bekerja berkaitan langsung dengan
perubahan keadaan gerak benda. Besarnya perubahan keadaan gerak
sama dengan gaya yang diberikan kepada benda, atau

4. berlawanan (gaya reaksi) Jika kamu mendorong dinding dengan
tangan, maka pada saat
bersamaan dinding mendorong tanganmu dengan gaya yang sama tetapi
berlawanan arah (Gambar 4.2). Bumi menarik tubuh kamu dengan gaya
yang sama dengan berat tubuhmu, maka pada saat bersamaan tubuh
kamu juga menarik bumi dengan gaya yang sama besar tetapi berlawanan
Hukum III Newton
Hukum ini mengungkapkan keberadaan gaya reaksi yang sama
besar dengan gaya aksi, tetapi berlawanan arah. Jika benda pertama
melakukan gaya pada benda kedua (gaya aksi), maka benda kedua
melakukan gaya yang sama besar pada benda pertama tetapi arahnya

8. 4.4 Gaya Gesekan
Antara permukaan benda dan bidang diasumsikan
tidak ada gasekan sehingga berapapun gaya arah
sejajar
bidang diberikan pada benda, maka benda akan
bergerak. Tetapi kondisi demikian tidak selalu kita
jumpai.
Kalau kita letakkan balok di atas meja dan kita dorong dalam
arah sejajar dengan permukaan meja, kita akan amati
fenomena sebagai berikut:
i. Jika gaya dorongan yang diberikan tidak terlalu besar maka
benda belum bergerak
ii. Jika gaya diperbesar terus maka ada nilai gaya tertentu yang
harus dicapai agar benda mulai bergerak.

9. gaya total yang bekerja pada benda setelah menambahkan
gaya normal dan berat adalah
Benda belum bergerak sejajar bidang miring jika
terpenuhi

10. ilustrasi perubahan gaya gesekan
sebagai fungsi gaya penggerak
dalam arah sejajar bidang sentuh.
Mula-mula gaya gesekan berupa
gaya gesekan statis yang naik
sebagai fungsi linier dari gaya
penggerak yang searah bidang
sentuh. Sifat linier tersebut terjadi
hingga suatu nilai maksimum,
fs,maks. Begitu melebihi fs,maks
maka gaya gesekan otomatis
berubah menjadi gaya gesekan
kinetic dan benda bergerak.

11. Berdasarkan sejumlah percobaan, besarnya gaya
gesekan statis maksimum memenuhi

13. Ketika benda sudah bergerak maka gaya gesekan berubah menjadi gaya gesekan
kinetik. Untuk gerak yang lambat (laju cukup kecil) gaya gesekan kinetik hanya
memiliki satu nilai, tidak bergantung pada kecepatan relatif antara dua permukaan
yang melakukan kontak. Contoh kasus ini adalah gerak balok di atas lantai. Besarnya
gaya gesekan kinetik memenuhi
dengan 𝜇k dinamai koefisien gesekan kinetik.

14. Kasus khusus. Ada beberapa eksperimen menarik yang menunjukkan bahwa pada
sejumlah material gaya gesekan statis maksimum tidak berbanding lurus dengan gaya
normal, tertapi berbanding lurus dengan gaya normal pangat bilangan yang berbeda dari
satu. Sebagai contoh, Konecny melakukan sejumlah percobaan yang menunjukkan sedikit
deviasi dari rumus tersebut [V. Konecny, On the First Law of Friction, American Journal of
Physics 41, 588 (1973)]. Dia mendapatkan hubungan antara gaya sesekan statis
maksimum dengan gaya normal sebagai berikut

15. GAYA GESEKAN YANG BERGANTUNG
LAJU
Besar gaya gesek pada benda yang bergerak dalam
fluida memenuhi persamaan umum

16. GAYA GESEKAN RODA DENGAN
JALAN.
dengan v dalam mph (mil/jam).

18. Khusus untuk benda yang berbentuk bola, besar gaya gesek memenuhi
hukum Stokes (Gambar 4.29)

19. Gaya Angkat Pada Pesawat

20. Pesawat terbang ke kanan dengan laju Vto terhadap
udara. Namun kita bisa melihat sebaliknya yaitu
pesawat diam tetapi udara bergerak ke kiri dengan
laju vto. Luas penampang pesawat yang tegak lurus
arah gerak adalah
Kecepatan udara yang menabrak sisi bawah pesawat
adalah

22. Perubahan momentum akibat pembelokan udara oleh sisi
permukaan bawah pesawat adalah
Dengan menggunakan hukum II Newton maka kita peroleh gaya yang
dialami udara akibat ditahan oleh sisi permukaan bawah pesawat
adalah

23. Dengan menggunakan hukum III Newton maka gaya yang
dialami pesawat akibat pembelokan arah rambat udara
oleh sisi bawah pesawat adalah
Dari persaman ini kita simpulkan bahwa pesawat
mengalami gaya angkat (kompnen gaya arah vertikal)
sebesar

24. PESAWAT
MENDARAT
Begitu pesawat menyentuh
landasan, maka bagian belakang sayap
dilipat ke atas (Gambar 4.34). Apa
gunanya? Lipatan ke atas menyebabkan
udara yang menyentuh sayap bagian
atas membelok ke atas sehingga udara
menghasilkan gaya dorong ke bawah
agak ke belakang pada sayap.
Komponen gaya yang berarah ke
belakang mengerem pesawat sehingga
segera berhenti. Komponen gaya yang
ke arah bawah menekan pesawat ke
landasan yang menyebabkan pesawat
mencengkeram landasan lebih kuat
sehingga terhindar dari tergelincir atau
terpelanting.

25. Ketika pesawat menyentuh landasan,
tutupan mesin pesawat juga dibuka. Apa
maksudnya? Saat pesawat terbang, gas
dari mesin jet disemburkan ke belakang.
Semburan gas tersebutlah yang
menghasilkan gaya dorong pada pesawat
ke arah depan. Ketika tutup mesin
pesawat dibuka saat menyentuh
landasan, maka arah semburan gas dari
mesin dibalik.
Semburan gas tidak lagi mengarah ke
belakang, tetapi mengarah ke depan.
Akibatnya, pesawat mendapat gaya
dorongan ke arah belakang sehingga
pesawat mendapat tambahan gaya
pengereman. Mekanisme ini disebut
reverse thrust, seperti diperlihatkan pada
Gambar 4.35.

26. WINGLET
S
Pada sayap berujung lurus, selalu muncul pusaran udara yang cukup besar di ujung
sayap. Pusaran tersebut menghasilkan gaya hambat tambahan pada sayap sehingga
terjadi pemborosan bahan bakar. Sebaliknya, pada sayap struktur winglets, pusaran
udara di ujung sayap menjadi kecil sehingga gaya hambat yang dialami sayap lebih kecil.
Akibatnya, pesawat lebih hemat dalam mengonsumsi bahan bakar. Terbentuknya
pusaran udara pada ujung dua sayap tersebut diilustrasikan pada Gambar slide
selanjutnya.

27. Udara yang berpusar di ujung sayap mendapat
energi dari pesawat. Jadi, sebagaian bahan bakar
pesawat digunakan untuk membuat udara berpusar di
ujung sayap. Jika dianggap kecepatan pusaran udara
yang dihasilkan ujung runcing maupun winglets sama,
maka energi kinetik pusaran akan sebanding dengan
volum udara yang berpusar.
Jika volum udara yang berpusar lebih besar maka
lebih banyak energi dari bahan bakar pesawat yang
diambil sehingga pesawat lebih boris. Tampak pada
Gambar 4.37 bahwa volume pusaran yang dihasilkan
sayap winglets lebih kecil sehingga hanya sedikit
energi bahan bakar pesawat yang digunakan untuk
menghasilkan pusaran udara. Akibatnya pesawat
lebih hemat bahan bakar.

28. BEBERAPA KASUS KHUSUS GAYA
GESEKAN
Berikutnya kita akan bahas beberapa kasus khusus yang berkaitan
dengan gaya gesekan. Sebagian mengandung operasi matematika
yang rumit. Jika menemukan bagian yang rumit, kalian dapat
melewatinya karena tidak akan mengurangi pemahaman kalian
tentang gaya gesekan. Apa yang dipelejari hingga bagian di
atas sudah cukup. Kasus khusus dijelaskan di sini untuk
memberikan pemahaman pada kalian bahwa konsep gaya gesekan
merupakan konsep yang penting. Konsep tersebut banyak
digunakan dalam teknologi juga.

29. 4.4 GAYA SENTRIPETAL
Walaupun laju pada gerak melingkar konstanta, tetapi tidak
demikian dengan kecepatan. Arah kecepatan selalu menyinggung
lintasan sehingga selalu berubah-ubah setiap kali terjadi perubahan
posisi benda. Perubahan kecepatan hanya mungkin terjadi jika ada
percepatan.
Jadi, selama benda bergerak melingkar beraturan, pada benda
selalu ada percepatan.

30. Jika gaya yang bekerja pada benda bermassa m
adalah Fc, maka
besar percepatan ke pusat memenuhi

31. A
B
C
R
R v t
ac
O
percepatan ke arah pusat
Kita ambil selang waktu yang
mendekati nol sehingga suku kedua
di ruas kiri dapat diabikan. Akhirnya
kita dapatkan
percepatan ke arah
pusat memenuhi
Gaya yang dialami benda ke arah pusat
memenuhi

32. Laju saat benda meninggalkan
lintasan diperoleh ketika
 = /2, yaitu
Pada saat benda meninggalkan
lintasa, laju adalah

33. Jika fs adalah gaya gesekan, maka selama
berada pada lintasan laju mobil harus
memenuhi.
R adalah jari-jari kelengkungan jalan raya
m adalah massa kendaraan
Gaya gesekan memilii nilai maksimum. Nilai
tersebut kita
sebut gaya gesekan maksimum yang
disimbolkan dengan fs,maks. Nilai gaya
gesekan yang dialami kendaraan memenui
fs ≤ fs,maks

37. Sepatu Tumit Tinggi
Saat ini terjadi kecenderungan para wanita menggunakan sepatu
tumit tinggi (high heels).
a) Dasar sepatu tumit tinggi dibuat dari bahan yang lebih keras dan kuat dari
pada dasar sepatu biasa agar tidak cepat rusak karena melakukan tekanan
lebih besar ke jalan.
b) Sepatu timit tinggi tidak cocok digunakan di jalan yang lunak karena dapat
menancap di jalan tersebut akibat tekanan yang besar ke jalan.
Contoh sepatu tumit tinggi (high heels) yang sedang dipakai.
Perhatikan bahwa permukaan kontak antara dasar sepatu dengan jalan
sangat kecil. Akibatnya tekanan yang dilakukan sepatu pada jalan sangat
besar. Oleh karena itu dasar sepatu ini harus terbuat dari bahan yang kuat.

38. ketika tidur di atas lantai datar dan keras maka hanya
sebagian kecil permukaan tubuh yang bersentuhan dengan
lantai (hanya bagian tubuh yang menonjol ke bawah) .
Kasur
Ketika tidur di kasur atau spring bed,
hampir semua sisi bawah tubuh bersentuhan dengan kasur
(kasur melengkung mengikuti lekukan tubuh)
Permukaan kontak antara tubuh dengan lantai menjadi kecil.
Tekanan yang dirasakan bagian tubuh yang bersentuhan
dengan lantai sangat besar sehingga bagian
tersebut merasa sakit.

39. Tabrakan Beruntun di Jalan Tol
Mengapa terjadi tabrakan beruntun di jalan tol atau jalan ?
pada umumnya, Penyebabnya adalah karena jarak antar kendaraan terlalu
dekat. Berapa jarak aman tersebut? Jarak aman tergantung pada gaya
yang dihasilkan rem kendaraan. Mungkin data ini tidak terlalu akurat.
Tetapi anggaplah tidak terlalu jauh dari yang sebenarnya. Gaya
pengereman kendaraan sekitar 13.500 N. Mobil seperti Avanza memiliki
massa sekitar 1,05 ton. Jika berisi satu penumpang kita bulatkan
massanya 1.100 kg. Jika dilakukan pengeraman maka perlambatan yang
dihasilkan

40. Namun secara psikologis, rata-rata
manusia memiliki efek kesadaran
atas peristiwa sekitar 1 detik. Sejak
melihat peristiwa sampai melakukan
respons diperlukan waktu sekitar 1
detik.
Jika laju kendaraan adalah 100
km/jam = 27,8 m/s, maka jarak untuk
berhenti sejak pengeraman
dilakukan adalah
Karena sopir baru menyadari kejadian sekitar 1
detik sejak melihat kejadian maka ada waktu
sekitar 1 detik mobil masih bergerak dengan laju
100 km/jam. Jarak tempu selama selang waktu
tersebut (dengan asumsi gerak dengan laju
konstan) adalah
Dengan demikian, jarak minimum yang harus dijaga
oleh mobil di belakang agar tidak terjadi tabrakan
berunutn sekitar
31,4 + 27,8 = 59 m.

41. MEMBUAT GUNUNG PASIR
Pasir kering memiliki sudut kritis kecil. Pasir basah memiliki sudut
kritis lebih besar. Namun jika pasir mengandung kelebihan air maka
butiran pasir tidak bisa membentuk gunung karena mengalir
terbawa air. Gambar disamping membentuk gunung dengan
sudut kemiringan lereng sekitar 30o Sedangkan tumpukan beras
membentuk gunung dengan sudut kemiringan 40o. Ketika pasir
sedikit dibasahkan maka ada ada tambahan gaya tarik antar butir
pasir akibat adanya lapisan air di permukaan. Ada gaya adhesi
antara air dengan permukaan dua butir pasir yang bersentuhan
sehingga muncul tambahan gaya tarik pada butir pasir. Tambahan
gaya tersebut menaikkan sudut kontak

42. • Halsey dan Levine [T. C. Halsey and J. Levine, How Sandcastles
Fall?, Physical Review Letter 80, 3142 (1998)] mebuktikan bahwa
sudut kontak pasir basah memenuhi persamaan

43. MENGAPA
CICAK/TOKEK
MENEMPEL KUAT DI
DINDING
• Penyebab utama ikatan adalah
gaya antar atom di bulu kaki
cicak/tokek dengan atom di
permukaan.
Mengapa Jendela Pesawat Berbentuk Ov
Lubang jendela pada body pesawat
yang berbentuk segi empat menghasilkan
konsentrasi stress yang sangat besar pada
sudut lubang (karena runcing). Tekanan
dalam kabin yang lebih besar daripada
tekanan udara luar mendorong dinding
pesawat ke arah luar. Akibat dorongan
tersebut maka terjadi konsentrasi
(peningkatan) stress pada lubang-lubang
yang ada di body (termasuk lubang jendela
atau retakan pada body). Makin runcing
lubang maka makin besar konsentrasi stress
di situ. Akibatnya, retakan dapat merambat
dengan cepat dan body pesawat dapat
pecah akibat kegagalan struktur.

44. Tekanan udara dalam kabin pesawat yang sedang
bergerak pada ketinggian 39.000 kaki (12 km) dari
permukaan laut kira-kira sama dengan tekanan
udara pada ketinggian 8.000 kaki (2.400 meter).
Gambar 4.55 adalah kurva tekanan atmosfer
sebagai fungsi ketinggian. Berdasarkan kurva
tersebut, tekanan udara pada ketinggian 2.400
sekitar 750 milibar (0,75 atm).
Jadi kabin pesawat yang sedang terbang pada
ketinggian 12.000 m memiliki tekanan udara 750
milibar.
Sedangkan tekanan udara luar pada ketinggian
tersebut (12.000 m) hanya sekitar 200 milibar.
Jadi ada perbedaan tekanan udara dalam kabin
dengan tekan udara di luar sekitar 550 milibar.
Selisih tekanan inilah yang menekan body pesawat
ke arah luar.

45. SELESAI.