Apa itu Forces? (Fisika)

Meskipun Anda mungkin akrab dengan kata "kekuatan" dan pernah mendengarnya digunakan dalam percakapan sehari-hari ("Saya tidak punya pilihan - dia memaksa saya untuk melakukannya!"), Apakah Anda tahu definisi fisika tentang gaya?

Dalam artikel ini Anda tidak hanya akan mempelajari apa itu gaya sebenarnya, tetapi juga dari mana ide itu berasal dan bagaimana gaya itu digunakan dalam fisika.

Untuk mendapatkan pola pikir fisika yang tepat untuk memahami gaya, ingat kembali apa yang Anda ketahui gerakan. Anda dapat menggambarkan posisi suatu objek (lokasi di ruang angkasa), dan Anda dapat menggambarkan bagaimana posisi itu berubah dalam waktu; laju perubahan posisi per satuan waktu adalahkecepatan. Anda juga dapat menjelaskan bagaimana kecepatan berubah – laju perubahan kecepatan per satuan waktu disebutpercepatan​.

Besaran fisika ini – posisi, kecepatan, dan percepatan – semuanya – besaran vektor, yang berarti mereka memiliki besar dan arah yang terkait dengannya.

Jika sebuah benda diam, seperti batu yang duduk di trotoar, Anda mungkin cukup yakin bahwa benda itu akan tetap di sana sampai ada sesuatu yang membuatnya bergerak. Entah seseorang yang berjalan di sepanjang trotoar menendangnya, atau mungkin batu itu cukup ringan untuk didorong oleh angin kencang. Ketika ini terjadi, gerakannya berubah. Besaran fisika yang menyebabkan perubahan ini, seperti yang akan kita pelajari, adalah gaya.

Anda mungkin juga memiliki perasaan bahwa objek tertentu lebih sulit untuk dipindahkan daripada yang lain. Bayangkan kerikil kecil dibandingkan dengan batu besar. Anda perlu menendang batu lebih keras untuk membuatnya bergerak. Demikian pula, jika dua benda – yang ringan dan yang berat – sudah bergerak, jauh lebih sulit untuk menghentikan yang lebih berat.

Ketahanan suatu benda terhadap setiap perubahan geraknya disebut kelembaman. Berapa banyak gaya yang diperlukan untuk melakukan perubahan tertentu akan berhubungan dengan massa, yang merupakan ukuran inersia.

Gagasan tentang gaya telah ada sejak lama, tetapi sebagian besar tidak dipahami dengan baik karena salah tafsir tentang gesekan.

Aristoteles mengusulkan bahwa semua benda memiliki keadaan alami yang mereka inginkan untuk beristirahat dan mereka akan melakukannya kecuali ada gaya yang bertindak. Dia menggunakan gagasan ini untuk menjelaskan mengapa benda jatuh ke bumi, atau lambat berhenti setelah didorong.

Galileo, bagaimanapun, membantah ide ini dan menjelaskan keberadaan gaya henti yang disebut gesekan. Dia menentukan bahwa benda akan terus bergerak di jalur garis lurus jika tidak ada gesekan untuk memperlambatnya.

Sir Isaac Newton memberikan formalisasi yang lebih besar untuk pengamatan Galileo dengan karyanya yang terkenal tiga hukum gerak. Dia mampu menggambarkan kekuatan apa yang dilakukan, bagaimana mereka bertindak dan bahkan menganggap angka dengan unit untuk konsep tersebut.

Hukum gerak pertama Newton - kadang-kadang disebut hukum inersia - menyatakan bahwa suatu benda yang diam tetap dalam keadaan diam kecuali ada gaya yang tidak seimbang yang bekerja padanya. Bagian ini cukup intuitif ketika Anda berpikir kembali untuk menendang batu di trotoar. Lebih lanjut, hukum ini menyatakan bahwa setiap benda yang mengalami gerak dengan kecepatan konstan (gerak dengan kecepatan konstan dalam lintasan garis lurus) akan terus melakukannya kecuali jika ada gaya eksternal netto.

Bagian kedua dari hukum pertama itu kurang intuitif karena dalam interaksi kita sehari-hari, objek tidak cenderung terus bergerak selamanya. Tapi itu karena mereka ditindaklanjuti oleh gaya resistif yang disebut gesekan.

Hukum kedua Newton tentang gerak menyatakan bahwa gaya total pada suatu benda (yang merupakan jumlah vektor dari semua gaya yang bekerja) adalah sama dengan produk dari benda itu. massa dan akselerasi. Dengan kata lain:

Hukum gerak kedua Newton mampu menjelaskan mengapa Anda harus mendorong lebih keras pada benda berat daripada yang Anda lakukan pada benda yang lebih ringan agar mereka mengubah gerakannya. Ini juga secara formal menghubungkan gaya dengan kuantitas fisik percepatan, yang merupakan perubahan gerakan objek.

Hukum ketiga Newton tentang gerak lebih lanjut menjelaskan bagaimana gaya datang berpasangan. Dinyatakan bahwa jika benda A memberikan gaya pada benda B, maka benda B memberikan gaya pada benda A yang besarnya sama dan berlawanan arah dengan gaya pada benda B.

Hukum ketiga Newton menjelaskan mengapa senjata mundur ketika ditembakkan dan mengapa, jika Anda berdiri di atas skateboard dan mendorong dinding, Anda akhirnya berguling ke belakang.

Sebuah gaya dapat dianggap sebagai dorongan atau tarikan. Jika hanya satu gaya yang bekerja pada suatu benda, gaya tunggal itu akan menyebabkan gerakan benda berubah berbanding terbalik dengan massanya.

Gaya merupakan besaran vektor, artinya memiliki besar dan arah. Arah gaya total selalu sama dengan arah percepatan atau perubahan gerak (yang mungkin berlawanan dengan arah gerak dalam situasi seperti di mana suatu objek melambat) turun.)

Satuan SI untuk gaya adalah newton dimana 1 N = 1 kgm/s². Satuan CGS adalah dyne dimana 1 dyne = 1gcm/s².

Anda sudah tahu bahwa Anda sendiri dapat mengerahkan gaya pada suatu benda dengan mendorong atau menariknya. Ini disebut sebagai gaya kontak karena memerlukan kontak. Tetapi ada banyak jenis kekuatan lain juga.

Daftar beberapa gaya umum yang Anda temui saat mempelajari fisika meliputi:

• ​Gaya gravitasi:Itu gaya gravitasi pada suatu benda dapat diamati selama gerak jatuh bebas, di mana suatu benda dipercepat menuju tanah. Tetapi gaya gravitasi juga yang membuat planet tetap mengorbit, dan yang membuat Anda tidak terbang ke luar angkasa.
• ​Kekuatan normal:Ini adalah gaya pendukung yang bekerja tegak lurus ke permukaan dan mencegah benda jatuh melalui lantai atau bagian atas meja.
• ​Gaya elektromagnetik:Ini mengacu secara kolektif pada gaya magnet dan gaya elektrostatik. Jenis gaya ini adalah hasil dari muatan atau muatan yang bergerak. Ini adalah alasan mengapa elektron saling tolak dan magnet saling menempel.
• ​Gaya gesekan:Itu kekuatan gesekan adalah gaya yang melawan gerak suatu benda. Inilah alasan mengapa lebih sulit untuk menggeser buku melintasi meja daripada menggeser buku melintasi selembar es. Gaya gesekan bervariasi tergantung pada permukaan yang bersentuhan satu sama lain.
• ​Tahan udara:Gaya ini mirip dengan gesekan. Ini hasil dari udara itu sendiri yang menentang gerakan benda yang jatuh melaluinya. Jika suatu benda jatuh cukup lama, gaya hambatan udara akan menyebabkan benda tersebut mencapai kecepatan terminalnya.
• ​Kekuatan ketegangan:Ini adalah jenis gaya yang ditransfer sepanjang tali, kawat atau yang serupa.
• ​Kekuatan fundamental lainnya:Ada empat kekuatan dasar alam. Dua adalah gravitasi dan elektromagnetisme, yang sudah terdaftar, dan dua lainnya adalah gaya nuklir lemah dan gaya nuklir kuat. Dua yang terakhir ini biasanya hanya memengaruhi hal-hal pada skala subatomik, itulah sebabnya Anda mungkin belum pernah mendengarnya.

Hukum kedua Newton menyebutkan a kekuatan bersih. Gaya total pada suatu benda adalah jumlah vektor dari semua gaya yang bekerja pada suatu benda.

Misalnya, Anda dapat meminta dua orang mendorong sebuah balok ke arah yang berlawanan dengan kekuatan yang sama. Tetapi gaya total berakhir menjadi 0, yang berarti balok tidak bergerak karena kedua gaya tersebut saling meniadakan.

Diagram benda bebas adalah sketsa yang dapat Anda gambar yang menunjukkan besar dan arah setiap vektor gaya pada suatu benda dengan panah dengan panjang proporsional yang menunjuk ke arah gaya. Saat memecahkan masalah fisika yang melibatkan gaya, Anda mungkin akan membuat sketsa banyak diagram ini karena itu membantu memvisualisasikan kekuatan apa yang bekerja dan membuatnya lebih jelas bagaimana menambahkan kekuatan bersama untuk mendapatkan jaring memaksa.

Jika tidak ada gaya total pada suatu benda, ini berarti, melalui hukum kedua Newton, bahwa percepatan benda adalah 0. Dengan kata lain, benda harus memiliki kecepatan konstan.

• Perhatikan bahwa kecepatan konstan tidak sama dengan kecepatan 0. Sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan konstan 2 m/s misalnya, tentu tidak memiliki gaya total yang bekerja padanya.

Anda mungkin pernah mendengar tentang gaya yang disebut gaya sentripetal. Ini tidak terdaftar dengan gaya-gaya lain di bagian sebelumnya karena sebenarnya ini adalah jenis gaya total. Ini adalah gaya total dalam arah radial untuk setiap benda yang mengalami gerakan melingkar.

Gerak melingkar, bahkan pada kecepatan konstan, bukanlah gerak kecepatan konstan karena tidak mempertahankan lintasan garis lurus. Beberapa kombinasi gaya harus bekerja untuk menyebabkan gerakan melingkar. Gaya sentripetal adalah gaya total radial yang menyebabkan jenis gerakan ini.

• Jangan bingung antara gaya sentripetal dengan gaya sentrifugal. Yang terakhir ini sebenarnya dianggap sebagai kekuatan semu. Ini adalah gaya yang tampaknya bekerja pada objek yang mengalami gerakan melingkar. Misalnya, ketika Anda berada di dalam mobil yang berbelok di tikungan, Anda mungkin merasa seperti sedang ditekan terhadap sisi mobil, tetapi apa yang sebenarnya terjadi adalah gaya yang menarik Anda ke dalam jalan melengkung.

Kekuatan tertentu tampaknya bertindak secara misterius tanpa kontak. Salah satu contoh yang Anda kenal adalah gaya gravitasi. Ketika sebuah benda dijatuhkan, bumi menarik benda itu ke arahnya tanpa menyentuhnya.

Salah satu alat matematika yang dikembangkan fisikawan untuk menggambarkan fenomena ini adalah gagasan tentang medan. (Ya, "medan gaya" tetapi bukan jenis yang melindungi Anda dari torpedo foton!)

Medan gravitasi adalah penugasan, untuk setiap titik dalam ruang, sebuah vektor yang menunjukkan besaran relatif dan arah gaya gravitasi di lokasi itu terlepas dari objek apa yang mungkin mengalami gaya pada itu lokasi. Nilai medan gravitasi pada titik tertentu hanya akan menjadi gaya gravitasi yang akan dirasakan oleh massasayadi lokasi itu, tetapi dibagi dengansaya​.

Gagasan tentang medan gaya ini memungkinkan penjelasan tentang kekuatan "misterius" ini yang tampaknya bertindak tanpa menyentuh apa pun, dengan menggambarkan gaya yang dihasilkan dari suatu objek yang berinteraksi dengan bidang.

Sama seperti medan gravitasi, Anda juga dapat memiliki medan listrik atau medan magnet yang menggambarkan gaya relatif per satuan muatan atau (gaya per satuan momen magnet) yang akan dirasakan suatu benda secara khusus lokasi.