Materi Fisika Kelas X : Alat -Alat Optik

IPA-Area; Anda memiliki kamera? Meskipun Anda tidak memiliki kamera, tetapi setidaknya Anda pasti pernah berhadapan dengan kamera, yakni ketika Anda difoto. Pernahkah Anda bertanya, bagaimana kamera itu bekerja?

Kamera merupakan salah satu alat optik. Dewasa ini, seiring dengan pesatnya perkembangan teknologi, kualitas gambar yang dihasilkan kamera semakin baik. Hasil foto pun dapat diolah lagi. Ketika Anda difoto dengan latar belakang rumah Anda, hal tersebut dapat disulap menjadi berlatar belakang menara Pissa atau Istana Negara. Hal ini tidak terlepas dari berkembangnya kamera digital yang hasilnya dapat dibaca dan diolah dengan bantuan komputer.

Bukan hanya kamera yang termasuk alat optik, tetapi masih terdapat banyak benda yang termasuk alat optik, seperti lup, mikroskop, dan teropong. Bahkan, mata kita juga termasuk ke dalam alat optik. Bahkan, mata merupakan alat optik ciptaan Tuhan yang tiada ternilai harganya. Anda dapat menikmati keindahan dunia berkat mata. Anda juga dapat membaca tulisan ini karena mata. Oleh karena itu, bersyukurlah kepada Tuhan. Apakah Anda tahu bagaimana alat optik bekerja? Jika Anda menggunakan kacamata, bagaimanakah cara kerja kacamata sehingga Anda dapat melihat seperti mata normal? Supaya Anda memahami materi mengenai alat-alat optik, pelajarilah bahasan-bahasan berikut ini dengan saksama.

A Mata dan Kacamata

1. Mata

Mata merupakan alat optik alamiah, ciptaan Tuhan yang sangat berharga. Diagram sederhana mata manusia adalah seperti yang diperlihatkan pada Gambar di bawah. Bagian depan mata yang memiliki lengkung lebih tajam dan dilapisi selaput cahaya disebut kornea. Tepat di belakang kornea terdapat cairan (aquaeous humor). Cairan ini berfungsi untuk membiaskan cahaya yang masuk ke mata. Intensitas cahaya yang masuk ke mata diatur oleh pupil, yakni celah lingkaran yang dibentuk oleh iris. Iris sendiri merupakan selaput yang selain berfungsi membentuk pupil, juga berfungsi sebagai pemberi warna pada mata (hitam, biru, atau coklat). Setelah melewati pupil, cahaya masuk ke lensa mata. Lensa mata ini berfungsi untuk membentuk bayangan nyata sedemikian sehingga jatuh tepat di retina. Bayangan yang ditangkap retina bersifat nyata dan terbalik. Bayangan ini kemudian disampaikan ke otak melalui syaraf optik dan diatur sehingga manusia mendapatkan kesan melihat benda dalam kondisi tegak. Proses pembentukan bayangan pada mata diilustrasikan pada Gambar di bawah.

Mata memiliki daya akomodasi, yakni kemampuan untuk mengubahubah jarak fokus lensa mata sehingga bayangan benda yang dilihat selalu jatuh tepat di retina. Jarak fokus lensa mata diubah dengan cara mengatur ketebalannya (menipis atau menebal) yang dilakukan oleh otot siliar. Daya akomodasi ini memungkinkan mata dapat melihat dengan jelas setiap benda yang dilihatnya, meskipun jaraknya berbeda-beda di depan mata.

Akan tetapi, meskipun memiliki daya akomodasi, mata memiliki keterbatasan jangkauan pandang. Mata tidak dapat melihat benda yang terlalu dekat atau terlalu jauh. Sebagai contoh, mampukah Anda melihat partikel debu yang masuk/menempel pada kornea mata Anda? Atau ebaliknya, mampukah Anda melihat dengan jelas benda yang sangat jauh sekali? Tentu tidak, bukan? Jarak titik terdekat dari mata yang masih dapat dilihat dengan jelas disebut titik dekat, sedangkan jarak titik terjauh dari mata yang masih dapat dilihat dengan jelas disebut titik jauh. Ketika mata melihat pada titik dekatnya, mata dalam keadaan berakomodasi maksimum dan ketika mata melihat pada titik jauhnya, mata dalam keadaan tanpa akomodasi.

Berdasarkan jangkauan pandang ini, mata dibedakan menjadi mata normal (emetropi) dan mata cacat. Mata normal memiliki jangkauan pandang dari 25 cm sampai takhingga. Dengan kata lain, titik dekat mata normal adalah 25 cm, sedangkan titik jauhnya takhingga (jauh sekali). Mata yang jangkauan pandangnya tidak sama dengan jangkauan pandang mata normal disebut mata cacat, yang terdiri dari miopi, hipermetropi, dan presbiopi.

Miopi atau rabun jauh adalah mata yang hanya dapat melihat dengan jelas benda-benda dekat. Mata miopi memiliki titik dekat lebih dekat dari 25 cm dan titik jauh terbatas pada jarak tertentu. Miopi biasanya disebabkan oleh bola mata yang terlalu lonjong, bahkan kadang-kadang lengkungan korneanya terlalu besar. Pada mata miopi, bayangan benda jauh jatuh di depan retina, seperti diilustrasikan pada Gambar di bawah. Akibatnya, bayangan benda jauh akan tampak kabur.

Hipermetropi atau rabun dekat adalah mata yang tidak dapat melihat benda-benda dekat dengan jelas. Mata hipermetropi memiliki titik dekat lebih jauh dari 25 cm dan titik jauhnya takhingga. Meskipun dapat melihat dengan jelas benda-benda jauh, titik dekat yang lebih besar dari 25 cm membuat mata hipermetropi mengalami kesulitan untuk membaca pada jarakbaca normal. Cacat mata ini disebabkan oleh bola mata yang terlalu memipih atau lengkungan korneanya kurang. Ketika mata hipermetropi digunakan untuk melihat benda-benda dekat, bayangan benda-benda ini akan jatuh di belakang retina, seperti diilustrasikan pada Gambar. Akibatnya, bayangan benda dekat menjadi terlihat kabur.

Presbiopi memiliki titik dekat lebih jauh dari 25 cm dan titik jauh terbatas. Dengan demikian, penderita presbiopi tidak dapat melihat dengan jelas benda-benda jauh dan juga tidak dapat membaca dengan jelas pada jarak baca normal. Umumnya, presbiopi terjadi karena faktor usia (tua) sehingga otot siliarnya tidak mampu membuat lensa mata berakomodasi normal seperti ketika ia masih muda.

Selain ketiga jenis cacat mata tersebut, ada lagi yang disebut astigmatisma. Pada penderita astigmatisma, benda titik akan terlihat sebagai sebuah garis dan kabur, seperti diilustrasikan pada Gambar. Hal ini terjadi karena lensa matanya tidak berbentuk bola, melainkan berbentuk silinder.

2. Kacamata

Kacamata merupakan salah satu alat yang dapat digunakan untuk mengatasi cacat mata. Kacamata terdiri dari lensa cekung atau lensa cembung, dan frame atau kerangka tempat lensa berada, seperti yang dapat Anda lihat pada Gambar. Fungsi dari kacamata adalah mengatur supaya bayangan benda yang tidak dapat dilihat dengan jelas oleh mata menjadi jatuh di titik dekat atau di titik jauh mata, bergantung pada jenis cacat matanya.

Di SMP, Anda telah mempelajari bahwa jika sebuah benda berada di depan sebuah lensa, bayangan akan dibentuk oleh lensa tersebut. Jauh dekatnya bayangan terhadap lensa, bergantung pada letak benda dan jarak fokus lensa. Hubungan tersebut secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.

Persamaan 1

Selain itu, Anda juga pernah mempelajari kekuatan atau daya lensa. Kekuatan atau daya lensa adalah kemampuan lensa untuk memfokuskan sinar yang datang sejajar dengan lensa. Hubungan antara daya lensa dan kekuatan lensa memenuhi persamaan

Persamaan 2

a. Kacamata Berlensa Cekung untuk Miopi

Seperti telah dibahas sebelumnya, mata miopi tidak dapat melihat dengan jelas benda-benda yang jauh atau titik jauhnya terbatas pada jarak tertentu. Lensa kacamata yang digunakan penderita miopi harus membentuk bayangan benda-benda jauh (S ?? ) tepat di titik jauh mata atau S' = –PR, dengan PR singkatan dari punctum remotum, yang artinya titik jauh. Tanda negatif pada S' diberikan karena bayangan yang dibentuk lensa kacamata berada di depan lensa tersebut atau bersifat maya. Jika nilai S dan S' tersebut Anda masukkan ke dalam Persamaan 1, diperoleh

sehingga diperoleh jarak fokus lensa kacamata untuk mata miopi memenuhi persamaan

Persamaan 3

Persamaan 3 menunjukkan bahwa jarak fokus lensa kacamata adalah negatif dari titik jauh mata miopi. Tanda negatif menunjukkan bahwa keterbatasan pandang mata miopi perlu diatasi oleh kacamata berlensa negatif (cekung atau divergen).

Jika Persamaan 3 dimasukkan ke dalam Persamaan 2, diperoleh

Persamaan 4

dengan PR dinyatakan dalam satuan m (meter) dan P dalam dioptri

b. Kacamata Berlensa Cembung untuk Hipermetropi

Karena hipermetropi tidak dapat melihat benda-benda dekat dengan jelas, lensa kacamata yang digunakannya haruslah lensa yang dapat membentuk bayangan benda-benda dekat tepat di titik dekat matanya. Benda-benda dekat yang dimaksud yang memiliki jarak 25 cm di depan mata. Oleh karena itu, lensa kacamata harus membentuk bayangan benda pada jarak S = 25 cm tepat di titik dekat (PP, punctum proximum) atau S' = –PP. Kembali tanda negatif diberikan pada S' karena bayangannya bersifat maya atau di depan lensa. Jika nilai S dan S' ini dimasukkan ke dalam Persamaan 1 dan 2, diperoleh

dengan PP dinyatakan dalam satuan meter (m) dan P dalam dioptri. Karena PP > 0,25 m, kekuatan lensa P akan selalu positif. Hal ini menunjukkan bahwa seseorang yang bermata hipermetropi perlu ditolong oleh kacamata berlensa positif (cembung atau konvergen).

c. Kacamata untuk Presbiopi dan Astigmatisma

Penderita presbiopi merupakan gabungan dari miopi dan hipermetropi. Oleh karena itu, kaca mata yang digunakannya haruslah berlensa rangkap atau bifokal, yakni lensa cekung pada bagian atas untuk melihat benda jauh dan lensa cembung pada bagian bawah untuk melihat benda-benda dekat. Sementara itu, astigmatisma dapat diatasi dengan menggunakan lensa silindris.

d. Lensa Kontak

Lensa kontak atau contact lens juga dapat digunakan untuk mengatasi cacat mata. Pada dasarnya lensa kontak adalah kacamata juga, hanya tidak menggunakan rangka, melainkan ditempelkan langsung ke kornea mata.

B Kamera

Kamera merupakan alat optik yang menyerupai mata. Elemen-elemen dasar lensa adalah sebuah lensa cembung, celah diafragma, dan film (pelat sensitif). Lensa cembung berfungsi untuk membentuk bayangan benda, celah diafragma berfungsi untuk mengatur intensitas cahaya yang masuk, dan film berfungsi untuk menangkap bayangan yang dibentuk lensa. Film terbuat dari bahan yang mengandung zat kimia yang sensitif terhadap cahaya (berubah ketika cahaya mengenai bahan tersebut). Pada mata, ketiga elemen dasar ini menyerupai lensa mata (lensa cembung), iris (celah diafragma), dan retina (film).

Prinsip kerja kamera secara umum sebagai berikut. Objek yang hendak difoto harus berada di depan lensa. Ketika diafragma dibuka, cahaya yang melewati objek masuk melalui celah diafragma menuju lensa mata. Lensa mata akan membentuk bayangan benda. Supaya bayangan benda tepat jatuh pada film dengan jelas maka letak lensa harus digeser-geser mendekati atau menjauhi film. Mengeser-geser lensa pada kamera, seperti mengatur jarak fokus lensa pada mata (akomodasi). Diagram pembentukan bayangan pada kamera ditunjukkan pada Gambar di bawah.

C Lup

Lup atau kaca pembesar (atau sebagian orang menyebutnya suryakanta) adalah lensa cembung yang difungsikan untuk melihat benda-benda kecil sehingga tampak lebih jelas dan besar. Penggunaan lup sebagai kaca pembesar bermula dari kenyataan bahwa objek yang ukurannya sama akan terlihat berbeda oleh mata ketika jaraknya ke mata berbeda. Semakin dekat ke mata, semakin besar objek tersebut dapat dilihat. Sebaliknya, semakin jauh ke mata, semakin kecil objek tersebut dapat dilihat. Sebagai contoh, sebuah pensil ketika dilihat pada jarak 25 cm akan tampak dua kali lebih besar daripada ketika dilihat pada jarak 50 cm. Hal ini terjadi karena sudut pandang mata terhadap objek yang berada pada jarak 25 cm dua kali dari objek yang berjarak 50 cm.

Meskipun jarak terdekat objek yang masih dapat dilihat dengan jelas adalah 25 cm (untuk mata normal), lup memungkinkan Anda untuk menempatkan objek lebih dekat dari 25 cm, bahkan harus lebih kecil daripada jarak fokus lup. Hal ini karena ketika Anda mengamati objek dengan menggunakan lup, yang Anda lihat adalah bayangan objek, bukan objek tersebut. Ketika objek lebih dekat ke mata, sudut pandangan mata akanmenjadi lebih besar sehingga objek terlihat lebih besar. Perbandingan sudut pandangan mata ketika menggunakan lup dan sudut pandangan mata ketika tidak menggunakan lup disebut perbesaran sudut lup.

Untuk menentukan perbesaran sudut lup, perhatikan Gambar. Sudut pandangan mata ketika objek yang dilihat berada pada jarak Sn, yakni titik dekat mata, diperlihatkan pada Gambar (a), sedangkan sudut pandangan mata ketika menggunakan lup diperlihatkan pada Gambar (b). Perbesaran sudut lup secara matematis didefinisikan sebagai

Perlu dicatat bahwa objek yang akan dilihat menggunakan lup harus diletakkan di depan lup pada jarak yang lebih kecil daripada jarak fokus lup atau S = f (f = jarak fokus lup). Ketika objek diletakkan di titik fokus lup, S = f, bayangan yang dibentuk lup berada di tak terhingga, S' = -8 . Ketika bayangan atau objek berada di tak terhingga, mata dalam keadaan tanpa akomodasi. Jika S = f dimasukkan ke Persamaan (6–7), diperoleh perbesaran sudut lup untuk mata tanpa akomodasi, yaitu

Persamaan menunjukkan bahwa semakin kecil jarak fokus lup, semakin besar perbesaran sudut lup tersebut. Apabila mata berakomodasi maksimum mengamati bayangan dengan menggunakan lup, bayangan tersebut akan berada di titik dekat mata atau S' = –Sn (tanda negatif karena bayangannya maya). Sesuai dengan Persamaan 1 diperoleh

D Mikroskop

Sebuah mikroskop terdiri atas susunan dua buah lensa positif. Lensa yang berhadapan langsung dengan objek yang diamati disebut lensa objektif. Sementara itu, lensa tempat mata mengamati bayangan disebut lensa okuler. Fungsi lensa okuler ini sama dengan lup. Salah satu bentuk sebuah mikroskop diperlihatkan pada Gambar.

Fungsi mikroskop mirip dengan lup, yakni untuk melihat objek-objek kecil. Akan tetapi, mikroskop dapat digunakan untuk melihat objek yang jauh lebih kecil lagi karena perbesaran yang dihasilkannya lebih berlipat ganda dibandingkan dengan lup. Pada mikroskop, objek yang akan diamati harus diletakkan di depan lensa objektif pada jarak antara fob dan 2fob sehingga bayangannya akan terbentuk pada jarak lebih besar dari 2fob di belakang lensa objektif dengan sifat nyata dan terbalik. Bayangan pada lensa objektif dipandang sebagai objek oleh lensa okuler dan terbentuklah bayangan pada lensa okuler. Agar bayangan pada lensa okuler dapat dilihat atau diamati oleh mata, bayangan ini harus berada di depan lensa okuler dan bersifat maya. Hal ini dapat terjadi jika bayangan pada lensa objektif jatuh pada jarak kurang dari fok dari lensa okuler. Proses terbentuknya bayangan pada

mikroskop, seperti yang diperlihatkan pada Gambar di bawah . Pada Gambar di bawah terlihat bahwa bayangan akhir yang dibentuk oleh mikroskop bersifat maya, terbalik, dan diperbesar.

Jarak antara lensa objektif dan lensa okuler menentukan panjang pendeknya sebuah mikroskop. Seperti dapat Anda lihat pada Gambar, panjang mikroskop atau jarak antara lensa objektif dan lensa okuler sama dengan jarak bayangan objektif ke lensa objektif ditambah jarak bayangan objektif tadi ke lensa okuler atau secara matematis dituliskan

dengan: d = panjang mikroskop, S'ob = jarak bayangan lensa objektif ke lensa objektif, dan Sok = jarak bayangan objektif ke lensa okuler. Perbesaran total yang dihasilkan mikroskop merupakan perkalian antara perbesaran yang dihasilkan oleh lensa objektif dan perbesaran sudut yang dihasilkan oleh lensa okuler. Secara matematis, perbesaran total yang dihasilkan mikroskop ditulis sebagai berikut.

dengan: M = perbesaran total yang dihasilkan mikroskop, Mob = perbesaran yang dihasilkan lensa objektif, dan Mok = perbesaran sudut yang dihasilkan lensa okuler. Perbesaran yang dihasilkan oleh lensa objektif memenuhi

sedangkan perbesaran sudut yang dihasilkan lensa okuler mirip dengan perbesaran sudut lup, yakni, untuk pengamatan tanpa akomodasi

dan untuk pengamatan dengan berakomodasi maksimum

dengan fok = panjang fokus lensa okuler.

E Teropong

Anda tentu pernah melihat bintang. Pada malam hari, terutama ketika sinar bulan tidak terlalu terang, bintang-bintang di langit akan terlihat sangat banyak. Akan tetapi bintang-bintang tersebut terlihat sangat kecil, meskipun aslinya sangat besar, bahkan mungkin lebih besar dari bulan yang Anda lihat. Lalu, apa yang digunakan untuk mengamati benda-benda tersebut agar tampak jelas dan dekat?

Teropong atau teleskop merupakan alat optik yang digunakan untuk mjelihat objek-objek yang sangat jauh agar tampak lebih dekat dan jelas. Benda-benda langit, seperti bulan, planet, dan bintang dapat diamati dengan bantuan teropong. Dengan adanya teropong, banyak hal-hal yang berkaitan dengan luar angkasa telah ditemukan. Bagaimana proses terlihatnya bintang menggunakan teropong? Dan tahukah Anda jenis-jenis teropong yang digunakan untuk melihat benda jauh?

Secara umum ada dua jenis teropong, yaitu teropong bias dan teropong pantul. Perbedaan antara keduanya terletak pada objektifnya. Pada teropong bias, objektifnya menggunakan lensa, yakni lensa objektif, sedangkan pada teropong pantul objektifnya menggunakan cermin.

1. Teropong Bintang

Teropong bintang menggunakan dua lensa cembung, masing-masing sebagai lensa objektif dan lensa okuler dengan jarak fokus objektif lebih besar daripada jarak fokus okuler ( fob > fok). Diagram sinar pembentukan bayangan pada teropong untuk mata tak terakomodasi sebagai berikut: Perbesaran sudut dan panjang teropong bintang memenuhi persamaanpersamaan sebagai berikut:

2. Teropong Bumi

Teropong bumi menggunakan tiga jenis lensa cembung. Lensa yang berada di antara lensa objektif dan lensa okuler berfungsi sebagai lensa pembalik, yakni untuk pembalik bayangan yang dibentuk oleh lensa objektif. Diagram sinar pembentukan bayangan pada teropong bumi mata tak berakomodasi sebagai berikut:

Perbesaran dan panjang teropong bumi untuk mata tak berakomodasi berturut-turut memenuhi persamaan:

3. Teropong Panggung

Teropong panggung atau teropong Galileo menggunakan sebuah lensa cembung sebagai objektif dan sebuah lensa cekung sebagai okuler. Diagram sinar pembentukan bayangan pada teropong panggung sebagai berikut:

Perbesaran dan panjang teropong panggung untuk mata tak berakomodasi berturut-turut memenuhi persamaan:

Oleh karena lensa okulernya adalah lensa cekung maka fok bertanda negatif.

4. Teropong Pantul

Teropong pantul tersusun atas beberapa cermin dan lensa. Teropong jenis ini menggunakan cermin cekung besar sebagai objektif untuk memantulkan cahaya, cermin datar kecil yang diletakkan sedikit di depan titik fokus cermin cekung F, dan sebuah lensa cembung yang berfungsi sebagai okuler.

Sumber: aip Saripudin, dkk. (2009). Praktis Belajar fisika untuk kelas x sekolah menengah atas. Jakarta: Pusat perbukuan depdiknas.

Materi Fisika Kelas X : Dinamika Gerak

IPA-Area; Pernahkah Anda melihat sebuah roket yang akan terbang ke luar angkasa? Mengapa sebuah roket ketika meluncur membutuhkan tenaga yang sangat besar? Sebuah roket memiliki gas panas yang dipancarkan dari ruang pembakaran dan pancaran ini menyebabkan timbulnya gaya reaksi pada roket tersebut. Gaya tersebut akan mengangkat serta mempercepat roket sehingga dapat terbang ke luar angkasa.

Seseorang yang telah berjasa dalam ilmu Fisika terutama dinamika, yakni Sir Isaac Newton, mengungkapkan tiga hukumnya yang terkenal tentang gerak. Hingga saat ini, penemuannya tentang gaya dan gerak masih digunakan dalam kehidupan sehari-hari, terutama dalam bidang teknologi modern yang semakin pesat.

Mungkin Anda dapat menemukan contoh dari dinamika dalam kehidupan sehari-hari, seperti pada alat menimba air di dalam sumur ketika Anda akan mengambil air. Sistem yang digunakan dalam alat tersebut adalah katrol, yang membantu Anda dalam menarik ember yang berisi air dengan menggunakan tali. Semua bahasan tersebut akan dibahas dalam materi dinamika berikut ini.

Apa yang Anda lakukan ketika hendak memindahkan atau menggeser sebuah benda? Anda akan mendorongnya atau menariknya, bukan? Demikian pula ketika Anda hendak menghentikan benda yang sedang bergerak, Anda harus menahan gerak benda tersebut. Ketika Anda mendorong, menarik,

atau menahan benda, dikatakan Anda tengah mengerahkan gaya pada benda tersebut. Selain itu, Anda juga harus mengerahkan gaya untuk mengubah bentuk benda. Sebagai contoh, bentuk balon atau bola akan berubah bentuk ketika Anda tekan. Dengan demikian, gaya adalah suatu besaran yang dapat mengakibatkan gerak atau bentuk benda menjadi berubah. 

A Hukum Newton

Coba dorong sebuah benda di rumah Anda yang menurut Anda berat, Apa yang Anda rasakan? Jika Anda mendorongnya, mungkin akan terasa berat. Akan tetapi, jika teman-teman Anda membantu untuk mendorong benda tersebut, mungkin akan terasa lebih ringan. Mengapa bisa terjadi?

Semakin besar gaya yang diberikan maka semakin mudah Anda mendorongnya. Semua yang Anda lakukan tersebut terjadi karena terdapat gaya yang bekerja pada benda. Teori mengenai dinamika gerak ini diterangkan oleh seorang ilmuwan Fisika yang bernama Isaac Newton.

Terdapat beberapa Hukum yang dikemukakan oleh Isaac Newton. Hukum pertama, memperkenalkan konsep kelembaman yang telah diusulkan sebelumnya oleh Galileo. Hukum kedua, menghubungkan percepatan dengan penyebab percepatan, yakni gaya. Hukum ketiga, merupakan hukum mengenai aksi-reaksi. Newton menuliskan ketiga hukum geraknya dalam sebuah buku yang terpenting sepanjang sejarah, yakni Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, yang dikenal sebagai principia.

1. Hukum Pertama Newton

Banyak peristiwa lain yang menunjukkan bahwa setiap benda cenderung untuk mempertahankan keadaannya. Ketika Anda berada di dalam mobil yang sedang melaju, tiba-tiba mobil direm secara mendadak, Anda akan terdorong ke depan. Demikian juga ketika mobil dari keadaan diam, tibatiba akan bergerak ke depan pada saat Anda menginjak gas, Anda akan merasakan bahwa badan Anda menekan bagian belakang tempat duduk Anda. Contoh lainnya adalah ketika mobil yang Anda tumpangi melintasi tikungan, Anda seolah-olah akan terlempar ke sisi luar tikungan.

Pada prinsipnya, benda yang diam akan tetap diam sebelum ada gaya yang menarik atau mendorongnya sehingga dapat bergerak. Demikian juga pada benda yang sedang bergerak dengan kecepatan konstan akan tetap bergerak dengan kecepatan konstan dan akan dapat berhenti jika ada gaya yang melawan gerak tersebut. Keadaan ini disimpulkan oleh Newton sebagai berikut.

Setiap benda tetap dalam keadaan diam atau bergerak dengan kelajuan konstan
pada garis lurus kecuali ada resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut.

Pernyataan di atas dikenal sebagai Hukum Pertama Newton. Kecenderungan benda mempertahankan keadaannya, yaitu diam atau bergerak dengan kelajuan konstan dalam garis lurus, disebut kelembaman atau inersia. Oleh karena itu, Hukum Pertama Newton disebut juga sebagai hukum Kelembaman.

2. Hukum Kedua Newton

Seperti telah dikemukakan sebelumnya, setiap benda cenderung mempertahankan keadaannya selama tidak ada resultan gaya yang bekerja benda tersebut. Apa yang terjadi jika resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut tidak sama dengan nol? Hasil eksperimen Newton menunjukkan bahwa gaya yang diberikan pada benda akan menyebabkan benda tersebut mengalami perubahan kecepatan. 

Ketika gaya tersebut searah dengan gerak benda, kecepatannya bertambah dan ketika gaya tersebut berlawanan dengan gerak benda, kecepatannya berkurang. Dengan kata lain, jika resultan gaya yang bekerja pada benda tidak sama dengan nol, benda akan bergerak dengan suatu percepatan.

Hasil eksperimen Newton juga menunjukkan bahwa percepatan benda sebanding dengan resultan gaya yang diberikan. Akan tetapi, hubungan antara resultan gaya dan percepatan pada benda satu yang dihasilkan berbeda dengan benda lainnya. Kenyataan ini mengantarkan Newton pada konsep massa benda.

Massa adalah ukuran kelembaman suatu benda. Semakin besar massa benda, semakin sulit untuk mengubah keadaan geraknya. Dengan kata lain, semakin besar massa benda, semakin besar gaya yang harus diberikan untuk menggerakkannya dari keadaan diam atau menghentikannya dari keadaan bergerak. Sebagai contoh, sebuah mobil lebih lembam dan memerlukan gaya yang besar untuk mengubah geraknya dibandingkan dengan sebuah sepeda motor. Dengan demikian, mobil memiliki massa lebih besar daripada sepeda motor. Hubungan antara resultan gaya, massa, dan percepatan secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

dengan: 

F = gaya (newton atau, disingkat, N),

m = massa benda (kg), dan

a = percepatan benda(m/s2).

Semakin besar resultan gaya yang diberikan pada benda, semakin besar percepatan yang dihasilkannya. Jadi, percepatan benda sebanding dengan resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut. Arah percepatan sama dengan arah resultan gayanya.

3. Hukum Ketiga Newton

Gaya selalu muncul berpasangan. Ketika Anda memukul pasak kayu menggunakan palu, pasak akan memberikan gaya kepada palu. Demikian pula, ketika Anda berjalan di atas lantai, Anda memberikan gaya pada lantai melalui telapak kaki atau alas sepatu Anda maka lantaipun memberikan gaya pada telapak kaki atau alas sepatu Anda sebagai reaksi terhadap gaya yang Anda berikan. Dengan kata lain, ketika suatu benda memberikan gaya pada benda lainnya, benda kedua akan memberikan gaya yang sama dan berlawanan arah pada benda pertama. Pernyataan di atas dikenal sebagai Hukum Ketiga Newton.

Sifat pasangan gaya aksi-reaksi besarnya selalu sama, segaris, saling
berlawanan arah, dan bekerja pada benda yang berbeda.

B. Berat, Gaya Normal, dan Tegangan Tali

Berat adalah gaya gravitasi yang bekerja pada suatu benda. Akibat gaya ini, benda yang jatuh bebas akan memperoleh percepatan a = g (percepatan gravitasi bumi). Dengan demikian berat benda dapat ditulis

dengan: 

w = berat benda (N),

m = massa benda (kg), dan

g = percepatan gravitasi bumi (m/s2).

(Arah dari gaya gravitasi selalu menuju ke pusat bumi (tegak lurus bidang datar)).

Ketika benda berada pada suatu bidang, bidang tersebut akan memberikan gaya pada benda tadi yang disebut gaya kontak. Jika gaya kontak ini tegak lurus permukaan bidang maka disebut gaya normal. Besar gaya normal bergantung pada besar gaya lain yang bekerja pada benda. pada gambar dibawah memperlihatkan beberapa arah gaya normal (dibandingkan dengan gaya gravitasi yang arahnya selalu tegak lurus permukaan bumi). Arah gaya normal selalu tegak lurus bidang tempat benda itu berada.

Gaya tegangan tali adalah gaya pada tali ketika tali tersebut dalam keadaan tegang. Arah gaya tegangan tali bergantung pada titik atau benda yang ditinjau. Pada Gambar (a), gaya tegangan tali T yang bekerja pada benda m berarah ke atas, dan sebaliknya, gaya tegangan tali T' pada tempat tali digantungkan berarah ke bawah. Pada Gambar (b), gaya tegangan tali T1 pada m1 berarah ke kanan, sedangkan pada m2 bekerja T2 berarah ke kiri. Akan tetapi, meskipun arahnya berlawanan, besar gaya tegangan talinya sama (T = T' dan T1 = T2).

C. Gaya Gesekan

Coba Anda lakukan kegiatan berikut. Doronglah meja yang terletak di atas lantai datar dengan arah dorongan sejajar meja. Ketika Anda melakukannya, apakah meja langsung bergerak? Ketika meja sudah bergerak, apakah Anda merasakan gaya dorong yang Anda berikan menjadi lebih kecil (terasa ringan)? Selanjutnya, pada saat meja bergerak, apa yang terjadi ketika dorongan pada meja Anda lepaskan?

Contoh sederhana tersebut memberikan gambaran bahwa untuk menggerakkan benda dari keadaan diam diperlukan gaya minimum. Ketika gaya yang Anda berikan pada meja lebih kecil daripada suatu nilai, meja akan tetap diam. Akan tetapi, ketika gaya yang Anda kerahkan diperbesar, suatu saat meja tersebut dapat bergerak. Selain itu, Anda juga akan mendapatkan bahwa ketika gaya dorong Anda pada meja dilepaskan, meja akan segera berhenti. Mengapa dapat terjadi demikian?

Pertanyaan di atas dapat Anda terangkan dengan menggunakan hukum-hukum Newton tentang gerak. Untuk itu, perhatikan Gambar dibawah ini.

Misalkan, gaya yang Anda kerahkan pada meja besarnya F dengan arah sejajar lantai. Jika meja tetap dalam keadaan diam, sesuai dengan Hukum Pertama Newton, berarti resultan gaya pada meja sama dengan nol. Hal Ini menunjukkan bahwa ada gaya lain yang besarnya sama dan berlawanan arah dengan gaya F yang Anda berikan. Gaya ini tidak lain adalah gaya gesekan yang terjadi antara meja dan lantai. Gaya gesekan pulalah yang menyebabkan meja menjadi berhenti sesaat setelah Anda melepaskan gaya dorong Anda terhadap meja yang sudah bergerak.

Hubungan antara gaya gesekan fges dan gaya F yang sejajar bidang pada sebuah benda ditunjukkan pada Gambar diatas. Grafik tersebut memperlihatkan bahwa saat benda belum diberi gaya atau F = 0, gaya gesekan belum bekerja atau fges = 0. Ketika besar gaya F dinaikkan secara perlahan-lahan, benda tetap diam hingga dicapai keadaan di mana benda tepat akan bergerak. Pada keadaan ini, gaya gesekan selalu sama dengan gaya yang diberikan atau secara matematis fges = F. Gaya gesekan yang bekerja saat benda dalam keadaan diam disebut gaya gesekan statis.

Pada keadaan benda tepat akan bergerak, besar gaya F tepat sama dengan gaya gesekan statis maksimum. Besar gaya gesekan statis maksimum sebanding dengan gaya normal antara benda dan bidang. Konstanta kesebandingan antara besar gaya gesekan statis maksimum dan gaya normal disebut koefisien gesekan statis. Dengan demikian, secara matematis besar gaya gesekan statis maksimum memenuhi persamaan

dengan: 

µs  = koefisien gesekan statis, dan

N   = gaya normal.

Perhatikan bahwa Persamaan tersebut hanya berlaku ketika benda tepat akan bergerak. Persamaan ini juga menunjukkan bahwa selama gaya F yang diberikan pada benda lebih kecil daripada atau sama dengan gaya gesekan statis (F = fs,maks), benda tetap dalam keadaan diam. Pada keadaan ini berlaku

Selanjutnya, ketika gaya F yang diberikan lebih besar daripada besar gaya gesekan statis maksimum, F > fs,maks, benda akan bergerak. Pada keadaan bergerak ini, gaya gesekan yang bekerja disebut gaya gesekan kinetik. Gaya gesekan ini besarnya konstan dan memenuhi persamaan

dengan: 

µk  = koefisien gesekan kinetik, dan

N   = gaya normal.

Persamaan tersebut juga memperlihatkan bahwa gaya gesekan kinetik besarnya lebih kecil daripada gaya gesekan statis maksimum. Hal ini menunjukkan bahwa koefisien gesekan kinetik selalu lebih kecil daripada koefisien gesekan statis ( k µ > s µ ). Itulah sebabnya mengapa Anda perlu mengerahkan gaya yang lebih besar saat mendorong benda dari keadaan diam dibandingkan dengan ketika benda sudah bergerak. Selain itu, besarnya gaya yang harus Anda kerahkan bergantung pada keadaan dua permukaan bidang yang bergesekan. Hal ini disebabkan besarnya koefisien gesekan bergantung pada sifat alamiah kedua benda yang bergesekan, di antaranya kering atau basahnya dan kasar atau halusnya permukaan benda yang bergesekan.

D. Dinamika Gerak Melingkar

sebelumnya  telah dijelaskan tentang  kinematika gerak melingkar. Anda telah tahu bahwa pada benda yang bergerak melingkar selalu ada percepatan yang arahnya menuju ke pusat lingkaran yang disebut percepatan sentripetal. Besar percepatan tersebut dituliskan sebagai

dengan: 

v = laju linear benda (m/s),

ω = laju sudut benda (rad/s), dan

R = jari-jari lintasan benda (m).

Pada dinamika gerak melingkar Anda akan mempelajari gerak melingkar dengan memperhatikan penyebabnya. Sesuai dengan hukum Newton, penyebab benda dapat bergerak dengan suatu percepatan adalah gaya. Nah, dalam hal ini, gaya yang menyebabkan adanya percepatan sentripetal disebut gaya sentripetal dan besarnya ditulis sebagai berikut.

Gaya sentripetal bukanlah gaya yang berdiri sendiri. Gaya ini pada dasarnya merupakan resultan gaya yang bekerja pada benda dengan arah radial. 

referensi :

aip Saripudin, dkk. (2009). Praktis Belajar fisika untuk kelas x sekolah menengah atas. Jakarta: Pusat perbukuan depdiknas.

Materi Fisika Kelas X : Gerak Melingkar

IPA-Area; Coba perhatikan benda-benda di sekeliling Anda. Benda-benda apa saja yang dapat bergerak melingkar? Mungkin Anda pernah melihat sebuah film yang diputar pada VCD atau DVD. Sebenarnya, kedua alat tersebut hanya berfungsi sebagai pemutar CD, sedangkan benda yang berputar pada VCD dan DVD tersebut adalah CD. Tahukah Anda mengapa CD tetap berada pada porosnya ketika berputar?

Gerak melingkar dapat terjadi juga pada roller coaster sedang bergerak. Pernahkah Anda menaiki roller coaster? Jika Anda menaiki roller coaster yang sedang bergerak, Anda akan merasakan seolah-olah akan keluar atau terpental dari lintasan. Apakah yang menyebabkan hal tersebut. Untuk mengetahuinya, Anda harus memahami konsep tentang gerak melingkar.

A. Kecepatan Linear dan Kecepatan Anguler

Sebuah benda dikatakan bergerak melingkar jika lintasan yang dilaluinya berbentuk lingkaran. Pada materi sebelumnya telah dijelaskan tentang  gerak lurus. Setiap benda yang bergerak selalu memiliki kecepatan, walaupun kecepatan yang dimiliki setiap benda berbeda-beda. Begitu pula dengan gerak melingkar, setiap benda yang bergerak melingkar memiliki dua kecepatan, yakni kecepatan linear dan kecepatan anguler. Kedua kecepatan ini tidaklah sama, akan tetapi penting dalam proses gerak melingkar.

1. Kecepatan Linear

Coba Anda perhatikan benda-benda yang bergerak melingkar. Apa yang menyebabkan benda tersebut berputar? Kecepatan apa saja yang dimiliki benda tersebut ketika berputar? Kecepatan yang dimiliki benda ketika bergerak melingkar dengan arah menyinggung lintasan putarannya disebut kecepatan linear. Kecepatan linear akan selalu menyinggung lintasan lingkaran yang memiliki panjang lintasan yang sama dengan keliling lingkaran.

dengan Δs adalah panjang lintasan yang ditempuh dan r adalah jari-jari lintasan yang berbentuk lingkaran.

Waktu yang ditempuh sebuah benda ketika bergerak melingkar dalam satu putaran penuh disebut periode, yang diberi lambang T dengan satuan sekon. Banyaknya lintasan yang dapat ditempuh dalam satu sekon disebut frekuensi, yang diberi lambang f dengan satuan hertz. Nama ini diambil dari salah seorang ilmuwan yang berjasa dalam ilmu Fisika, yakni Henrich Hertz (1857–1895). Hubungan antara periode dan frekuensi dapat dituliskan dalam persamaan berikut.

Dalam materi gerak lurus, pengertian kecepatan adalah perubahan perpindahan dalam selang waktu tertentu. Begitu pula dengan gerak melingkar yang dapat didefinisikan sebagai besarnya panjang lintasan yang ditempuh dalam selang waktu tertentu. Besarnya kecepatan linear disebut juga laju linear. Persamaan laju linear dalam gerak melingkar dapat dituliskan sebagai berikut.

Dalam gerak melingkar, panjang lintasan diubah menjadi keliling lintasan dan selang waktu yang ditempuh diubah menjadi periode. Oleh karena itu persamaannya menjadi

2. Kecepatan Anguler

Perhatikan kembali sebuah benda yang bergerak melingkar seperti pada Gambar di samping. Benda yang bergerak pada lintasannya akan membentuk sudut tertentu dari posisi awal benda diam. Perubahan sudut ini mengikuti arah gerak benda pada lintasan tersebut. Perubahan sudut gerak benda akan bernilai positif jika gerak benda berlawanan dengan arah putaran jam. Adapun perubahan sudut akan bernilai negatif jika arah gerak benda searah dengan arah putaran jam.

Perubahan sudut dilambangkan dengan Δθ dan memiliki satuan radian. Biasanya, sering juga satuan perubahan sudut menggunakan derajat. Hubungan antara radian dan derajat dapat dituliskan sebagai berikut.

Besarnya perubahan sudut ( Δθ ) dalam selang waktu ( Δt ) tertentu disebut kelajuan anguler atau kelajuan sudut. Kelajuan anguler ini dilambangkan dengan ω dan memiliki satuan rad/s. Besarnya kelajuan anguler dapat ditulis sebagai berikut.

Dalam melakukan satu putaran penuh, sudut yang ditempuh adalah 360° atau 2π rad dalam waktu T sekon, dengan T adalah periode. adapun persamaannya dapat ditulis  menjadi

Dari pembahasan sebelumnya, Anda telah mengetahui bahwa frekuensi

Jika Anda perhatikan,  terdapat hubungan antara laju linear (v) dengan kelajuan anguler (ω ). Jika persamaan-persamaan laju linear dan laju anguler ditulis kembali, akan diperoleh persamaan baru seperti berikut.

B Percepatan Sentripetal

Pada artikel sebelumnya telah dibahas mengenai percepatan rata-rata. Percepatan rata-rata dapat didefinisikan sebagai perubahan kecepatan dalam selang waktu tertentu. Ketika Anda belajar mengenai gerak lurus beraturan, percepatan yang dialami sebuah benda sama dengan nol. Apakah di dalam gerak melingkar beraturan juga berlaku seperti halnya gerak lurus beraturan? Jawabannya adalah tidak. Mengapa? Coba Anda perhatikan Gambardisamping.

Apakah Anda masih mengingat rumus dari percepatan sesaat? Percepatan sesaat sebuah benda dituliskan dalam bentuk limit seperti berikut ini.

Dari persamaan tersebut dapat dilihat bahwa percepatan sesaat (a) searah dengan perubahan kecepatan (Δv) . Jika Δt →0 perubahan kecepatan (Δv) akan tegak lurus terhadap kecepatan v1 dan v2 sehingga percepatan sesaat haruslah tegak lurus juga dengan kecepatan v1 dan v2. Jika dibandingkan sisi pada gambar a dengan gambar b diperoleh

Jika kedua persamaan (baik di sebelah kiri maupun sebelah kanan) dibagi dengan Δt akan diperoleh

Pada konsep kecepatan sesaat, nilai percepatan adalah limit dari persamaan tersebut dan jika ditulis ulang akan diperoleh

dengan menganggap titik P1 semakin dekat dengan P2 maka

Percepatan yang tegak lurus terhadap kecepatan yang menyinggung lingkaran ini disebut percepatan sentripetal. Percepatan sentripetal arahnya selalu menuju pusat lingkaran. Jika Anda masih ingat hubungan antara kecepatan linear dan kecepatan sudut, persamaan kecepatan sentripetal dapat ditulis dalam bentuk lain, yaitu

C Gerak Melingkar Beraturan

Pada artikel sebelumnya, yakni pada gerak dalam satu dimensi atau disebut juga sebagai gerak lurus, terdapat gerak lurus beraturan (GLB) dan gerak lurus berubah beraturan (GLBB) begitu pula dalam gerak melingkar terdapat gerak melingkar beraturan (GMB) dan gerak melingkar berubah beraturan (GMBB). Pada bab ini hanya dibahas gerak melingkar beraturan (GMB), sedangkan gerak melingkar berubah beraturan akan Anda pelajari di Kelas XI.

Gerak melingkar beraturan (GMB) dapat dianalogikan seperti gerak lurus beraturan (GLB) di mana kecepatan ω sudut sama dengan kecepatan sesaat.

Referensi :

aip Saripudin, dkk. (2009). Fisika untuk kelas X Sekolah menengah Atas. Jakarta : Pusat Perbukuan Depdiknas