Gerak dan Gaya

Gerak dan gaya: perpindahan, kecepatan, percepatan, Hukum Newton I-II-III, percobaan sederhana memahami gerak-gaya dalam teknologi.

Tujuan Pembelajaran (6)

IPA-D.PI7Menganalisis data hasil pengukuran terhadap aspek fisis yang berkaitan dengan ragam gerak dan gaya serta pemanfaatannya dalam kehidupan sehari-hari.
IPA-D.PI7.1Memetakan konsep gerak beserta gaya di keseharian.
IPA-D.PI7.2Menggambarkan perpindahan, kecepatan, beserta percepatan sekaligus perbedaannya di keseharian.
IPA-D.PI7.3Menggambarkan Hukum Newton (I, II, III) beserta fenomena yang menjelaskannya.
IPA-D.PI7.4Membuat sekaligus memanfaatkan alat bantu percobaan sederhana untuk memaknai konsep gerak-gaya dalam teknologi.
IPA-D.PI7.5Menyusun laporan ringkas sekaligus mendiskusikan aktivitas, percobaan, beserta proyek yang diberikan.

Gerak dan Gaya

Pernahkah kamu memperhatikan bola yang menggelinding lalu akhirnya berhenti, sepeda yang terasa lebih berat saat melawan angin, atau roket yang meluncur karena menyemburkan gas ke belakang? Peristiwa-peristiwa itu tampak berbeda, tetapi semuanya dapat dipahami melalui konsep gerak dan gaya.

Siswa menyelidiki gerak dan gaya dengan mobil-mobilan dan roket sederhana

Di bab ini, kamu akan mempelajari cara menggambarkan gerak benda secara ilmiah. Kamu akan membedakan jarak tempuh dan perpindahan, menghitung kelajuan dan kecepatan, memahami percepatan, lalu menghubungkannya dengan gaya. Kamu juga akan mengenal gaya gesek dan tiga Hukum Newton yang menjadi dasar banyak teknologi, dari kendaraan sederhana sampai roket.

Setelah mempelajari bab ini, kamu diharapkan mampu:

Menjelaskan bahwa gerak bergantung pada titik acuan.
Membedakan jarak tempuh dan perpindahan.
Menghitung kelajuan rata-rata dengan rumus $v = \frac{s}{t}$ .
Membedakan kelajuan dan kecepatan sebagai besaran skalar dan vektor.
Menjelaskan percepatan sebagai perubahan kecepatan tiap satuan waktu.
Mengidentifikasi gaya sebagai tarikan atau dorongan yang dapat mengubah gerak, arah, kecepatan, atau bentuk benda.
Menghitung resultan gaya searah dan berlawanan arah.
Menyebutkan contoh gaya otot, gaya pegas, gaya magnet, gaya listrik, gaya gravitasi, gaya mesin, dan gaya gesek.
Membedakan gaya gesek statis dan gaya gesek kinetis.
Menjelaskan Hukum I, II, dan III Newton melalui contoh sehari-hari.
Menggunakan rumus $F = m a$ untuk kasus sederhana.
Merancang percobaan sederhana tentang gerak dan gaya, lalu menuliskan hasil pengamatannya.

Pertanyaan pemantik:

Mengapa benda yang didorong di lantai akhirnya berhenti?
Mengapa penumpang terdorong ke depan saat kendaraan direm mendadak?
Mengapa roket dapat bergerak maju ketika gas disemburkan ke belakang?
Apa yang berubah jika massa benda lebih besar, tetapi gaya dorongnya sama?

Teori: Gerak dan Gaya

1. Peta Konsep Bab

Bab ini menghubungkan dua gagasan besar: gerak benda dan gaya. Gerak dibahas melalui posisi, jarak tempuh, perpindahan, kelajuan, kecepatan, dan percepatan. Gaya dibahas melalui resultan gaya, gaya gesek, macam-macam gaya, dan Hukum Newton.

Peta konsep gerak dan gaya

2. Gerak, Posisi, dan Titik Acuan

Sebuah benda dikatakan bergerak jika posisinya berubah terhadap titik acuan. Titik acuan adalah patokan yang dipakai untuk menyatakan posisi benda.

Contoh: saat kamu duduk di dalam bus yang sedang melaju, kamu diam terhadap kursi bus, tetapi bergerak terhadap pohon di tepi jalan. Karena itu, gerak bersifat relatif terhadap pengamat dan titik acuan.

Gerak relatif terhadap titik acuan

3. Jarak Tempuh dan Perpindahan

Jarak tempuh adalah panjang lintasan yang dilalui benda. Jarak tempuh tidak memperhatikan arah, sehingga selalu bernilai nol atau positif.

Perpindahan adalah perubahan posisi dari titik awal ke titik akhir. Perpindahan memperhatikan arah, sehingga termasuk besaran vektor.

Rumus perpindahan satu dimensi:

\Delta x = x_t - x_0

Keterangan:

$\Delta x$ = perpindahan atau perubahan posisi, satuan $\mathrm{m}$ .
$x_0$ = posisi awal, satuan $\mathrm{m}$ .
$x_t$ = posisi akhir, satuan $\mathrm{m}$ .

Jika seseorang berjalan dari rumah ke sekolah sejauh $100\ \mathrm{m}$ , lalu kembali ke rumah, jarak tempuhnya $200\ \mathrm{m}$ , tetapi perpindahannya $0\ \mathrm{m}$ karena posisi akhir sama dengan posisi awal.

Perbedaan jarak tempuh dan perpindahan

4. Kelajuan dan Kecepatan

Kelajuan menyatakan seberapa cepat jarak ditempuh. Kelajuan tidak memperhatikan arah, sehingga termasuk besaran skalar.

v = \frac{s}{t}

Keterangan:

$v$ = kelajuan, satuan $\mathrm{m/s}$ .
$s$ = jarak tempuh, satuan $\mathrm{m}$ .
$t$ = waktu tempuh, satuan $\mathrm{s}$ .

Untuk perjalanan yang lajunya berubah-ubah, digunakan kelajuan rata-rata:

\bar{v} = \frac{\sum s}{\sum t}

Kecepatan menyatakan perpindahan tiap satuan waktu dan harus memperhatikan arah.

\vec{v} = \frac{\Delta x}{\Delta t}

Karena memakai perpindahan, kecepatan termasuk besaran vektor.

Kelajuan dan kecepatan

Contoh:

Seorang siswa menempuh jarak $60\ \mathrm{m}$ dalam waktu $12\ \mathrm{s}$ . Kelajuannya:

v = \frac{60\ \mathrm{m}}{12\ \mathrm{s}} = 5\ \mathrm{m/s}

Jika siswa itu kembali ke titik awal, jarak tempuhnya bertambah, tetapi perpindahan totalnya dapat menjadi $0\ \mathrm{m}$ .

5. Percepatan

Benda mengalami percepatan jika kecepatannya berubah. Perubahan itu dapat berupa perubahan nilai kecepatan, perubahan arah, atau keduanya.

Rumus percepatan rata-rata:

a = \frac{v_t - v_0}{t_t - t_0}

Keterangan:

$a$ = percepatan, satuan $\mathrm{m/s^2}$ .
$v_0$ = kecepatan awal, satuan $\mathrm{m/s}$ .
$v_t$ = kecepatan akhir, satuan $\mathrm{m/s}$ .
$t_0$ = waktu awal, satuan $\mathrm{s}$ .
$t_t$ = waktu akhir, satuan $\mathrm{s}$ .

Jika nilai $a$ positif, benda makin cepat. Jika nilai $a$ negatif, benda melambat.

Percepatan pada bidang miring dan kendaraan

Contoh:

Sebuah mobil-mobilan mula-mula bergerak dengan kecepatan $2\ \mathrm{m/s}$ , lalu menjadi $8\ \mathrm{m/s}$ dalam waktu $3\ \mathrm{s}$ .

a = \frac{8\ \mathrm{m/s} - 2\ \mathrm{m/s}}{3\ \mathrm{s}} = 2\ \mathrm{m/s^2}

6. Gaya dan Resultan Gaya

Gaya adalah tarikan atau dorongan yang dapat menyebabkan benda bergerak, berhenti, berubah arah, berubah kecepatan, atau berubah bentuk. Gaya termasuk besaran vektor karena memiliki besar dan arah.

Satuan gaya adalah Newton, ditulis $\mathrm{N}$ .

Jika dua gaya bekerja pada satu garis:

gaya searah dijumlahkan;
gaya berlawanan arah dikurangkan;
arah resultan mengikuti gaya yang lebih besar.

Contoh gaya berlawanan arah:

R = F_1 + (-F_2)

Jika $F_1 = 30\ \mathrm{N}$ ke kanan dan $F_2 = 20\ \mathrm{N}$ ke kiri, resultannya:

R = 30\ \mathrm{N} - 20\ \mathrm{N} = 10\ \mathrm{N}

arahnya ke kanan.

Resultan gaya searah dan berlawanan arah

7. Macam-Macam Gaya

Dalam kehidupan sehari-hari, kita dapat menemukan banyak jenis gaya, antara lain:

Gaya otot, misalnya tangan mendorong meja.
Gaya pegas, misalnya ketapel atau per yang ditekan.
Gaya magnet, misalnya magnet menarik paku besi.
Gaya listrik, misalnya benda bermuatan menarik potongan kertas kecil.
Gaya gravitasi, misalnya benda jatuh ke arah Bumi.
Gaya mesin, misalnya mesin mobil menggerakkan kendaraan.
Gaya gesek, misalnya ban menahan gerak di permukaan jalan.

Macam-macam gaya dalam kehidupan sehari-hari

8. Gaya Gesek

Gaya gesek adalah gaya yang muncul ketika dua permukaan bersentuhan dan cenderung menghambat gerak relatif antara keduanya. Arah gaya gesek berlawanan dengan arah gerak atau kecenderungan gerak benda.

Gaya gesek dipengaruhi oleh kekasaran permukaan dan gaya tekan antarpermukaan. Permukaan kasar biasanya menghasilkan gaya gesek lebih besar daripada permukaan licin.

Ada dua gaya gesek yang sering dibahas:

Gaya gesek statis, yaitu gaya gesek saat benda belum bergerak.
Gaya gesek kinetis, yaitu gaya gesek saat benda sudah bergerak.

Gaya gesek statis dan kinetis

Gaya gesek dapat menguntungkan, misalnya sepatu tidak mudah terpeleset dan ban kendaraan mencengkeram jalan. Gaya gesek juga dapat merugikan, misalnya rantai sepeda menjadi aus atau mesin menjadi panas. Pelumas seperti oli dapat mengurangi gesekan.

Manfaat dan kerugian gaya gesek

9. Hukum I Newton: Kelembaman

Hukum I Newton menyatakan bahwa jika resultan gaya pada benda bernilai nol, benda yang diam akan tetap diam, dan benda yang bergerak akan tetap bergerak lurus beraturan dengan kecepatan tetap.

Sifat benda yang cenderung mempertahankan keadaan geraknya disebut kelembaman atau inersia.

Contoh:

Penumpang terdorong ke depan saat kendaraan direm mendadak.
Buku di atas meja tetap diam jika tidak ada gaya total yang mengubah keadaannya.
Taplak meja dapat ditarik cepat sementara benda di atasnya cenderung tetap di tempat.

Hukum I Newton dan kelembaman

10. Hukum II Newton: Gaya, Massa, dan Percepatan

Hukum II Newton menjelaskan hubungan antara gaya total, massa, dan percepatan benda.

F = m a

Keterangan:

$F$ = gaya total atau resultan gaya, satuan $\mathrm{N}$ .
$m$ = massa benda, satuan $\mathrm{kg}$ .
$a$ = percepatan benda, satuan $\mathrm{m/s^2}$ .

Percepatan sebanding dengan gaya. Jika gaya makin besar, percepatan makin besar. Percepatan berbanding terbalik dengan massa. Jika massa makin besar, percepatan makin kecil untuk gaya yang sama.

Hukum II Newton: gaya, massa, dan percepatan

Contoh:

Sebuah benda bermassa $4\ \mathrm{kg}$ diberi gaya total $20\ \mathrm{N}$ .

a = \frac{F}{m} = \frac{20\ \mathrm{N}}{4\ \mathrm{kg}} = 5\ \mathrm{m/s^2}

11. Hukum III Newton: Aksi dan Reaksi

Hukum III Newton menyatakan bahwa ketika benda pertama memberikan gaya pada benda kedua, benda kedua memberikan gaya yang sama besar tetapi berlawanan arah pada benda pertama.

F_{\text{aksi}} = -F_{\text{reaksi}}

Pasangan gaya aksi-reaksi selalu bekerja pada dua benda yang berbeda.

Contoh:

Saat kaki mendorong lantai ke belakang, lantai mendorong tubuh ke depan.
Saat dayung mendorong air ke belakang, air mendorong perahu ke depan.
Saat roket menyemburkan gas ke bawah, gas memberi gaya reaksi yang mendorong roket ke atas.

Hukum III Newton: aksi dan reaksi

12. Percobaan dan Teknologi Sederhana

Konsep gerak dan gaya dapat diuji melalui percobaan sederhana.

Pada percobaan mobil-mobilan bertenaga angin, siswa dapat mengubah luas layar, diameter roda, atau massa mobil. Data yang diamati dapat berupa jarak lintasan, waktu tempuh, dan kelajuan.

Contoh rumus kelajuan untuk lintasan $1\ \mathrm{m}$ :

v = \frac{1\ \mathrm{m}}{t}

Pada alat penyiram air yang berputar, air keluar dari lubang ke satu arah. Berdasarkan Hukum III Newton, pancaran air memberikan gaya reaksi yang membuat kaleng atau kotak berputar ke arah berlawanan.

Percobaan mobil-mobilan dan penyiram air

13. Rangkuman

Gerak adalah perubahan posisi terhadap titik acuan.
Gerak bersifat relatif terhadap pengamat.
Jarak tempuh adalah panjang lintasan, sedangkan perpindahan adalah perubahan posisi dari awal ke akhir.
Kelajuan memakai jarak tempuh, sedangkan kecepatan memakai perpindahan dan arah.
Percepatan adalah perubahan kecepatan tiap satuan waktu.
Gaya adalah tarikan atau dorongan yang dapat mengubah keadaan gerak atau bentuk benda.
Resultan gaya adalah gabungan semua gaya yang bekerja pada benda.
Gaya gesek dapat menguntungkan atau merugikan.
Hukum I Newton membahas kelembaman.
Hukum II Newton menyatakan $F = m a$ .
Hukum III Newton membahas pasangan gaya aksi-reaksi.