Massa, Berat-Gaya Gravitasi dan Gaya Normal

Massa, Berat-Gaya Gravitasi dan Gaya Normal
Dalam kehidupan sehari-hari kita sering menggunakan istilah massa dan berat. Ketika
mengukur badan kita dengan timbangan, kita selalu menyatakannya dengan berat. Jika ditinjau
dari ilmu fisika, yang kita maksudkan sebenarnya massa, bukan berat. Pengertian massa dan
berat yang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari sangat berbeda maknanya dalam ilmu
fisika. Pada kesempatan ini kita akan belajar tentang massa dan berat. Pembahasan ini
diselipkan di awal pembahasan hukum Newton, karena Hukum Newton selalu menggunakan
konsep massa dan berat. Oleh karena itu sangat disarankan agar anda mempelajari
pembahasan ini terlebih dahulu sebelum mempelajari Hukum Newton. Akhirnya, gurumuda
mengucapkan selamat belajar… Semoga setelah mempelajari topik ini anda dapat
membedakan pengertian massa dan berat dengan baik dan benar, sehingga membantu anda
memahami Hukum Newton dengan mudah.
PENGERTIAN MASSA
Apa yang anda ketahui tentang massa ?
Hukum Newton yang akan kita pelajari nanti menggunakan konsep massa. Eyang Newton
menggunakan konsep massa sebagai sinonim jumlah zat. Pandangan mengenai massa benda
seperti ini tidak terlalu tepat karena ?jumlah zat’ tidak terdefinisi dengan baik. Dengan kata lain
tidak ada cara praktis untuk menghitung partikel-partkel tersebut. Lebih tepatnya, massa
merupakan ukuran inersia/kelembaman suatu benda (kemampuan mempertahankan keadaan
suatu gerak). Makin besar massa suatu benda, makin sulit mengubah keadaan gerak benda
tersebut. Semakin besar massa benda, semakin sulit menggerakannya dari keadaan diam,
atau menghentikannya ketika sedang bergerak atau merubah gerakannya keluar dari
lintasannya yang lurus. Kita dapat mengatakan bahwa semakin besar massa benda, semakin
besar hambatan benda tersebut untuk dipercepat. Konsep ini dengan mudah dapat kita kaitkan
dengan kehidupan sehari-hari. Jika kita memukul bola tenis meja dan bola basket dengan gaya
yang sama maka tentu saja bola basket akan bergerak lebih lambat/bola basket memiliki
percepatan yang lebih kecil dibandingkan denga bola tenis. Demikian juga sebuah truk
gandeng yang sedang bergerak lebih sulit dihentikan dibandingkan dengan sebuah taxi. Jika
sebuah gaya menghasilkan percepatan yang besar, maka massa benda kecil; jika gaya yang
sama menyebabkan percepatan kecil, maka massa benda besar.
Satuan Sistem Internasional untuk massa adalah Kilogram (kg). Lambang massa adalah m,
yang merupakan inisial dari kata mass (kata massa dalam bahasa inggris). Lambang ini
merupakan ketetapan yang dibuat untuk penyeragaman. Bayangkanlah seandainya setelah
menamatkan SMA di Indonesia dan anda melanjutkan belajar pada perguruan tinggi di luar
negeri maka anda harus menyesuaikan lagi ilmu fisika yang pernah dipelajari di Indonesia,
seandainya kita menggunakan lambang lain. Massa merupakan besaran skalar, yakni besaran
yang hanya mempunyai nilai/besar saja.
PENGERTIAN BERAT
Dalam kehidupan sehari-hari kita sering menggunakan istilah massa dan berat secara keliru.
Oleh karena itu kita perlu membedakan pengertian massa dan berat secara benar. Massa
adalah sifat dari benda itu sendiri, yakni ukuran kelembaman benda tersebut atau “jumlah zat’nya. Sedangkan berat adalah gaya, gaya gravitasi yang bekerja pada sebuah benda. Untuk
melihat perbedaannya, misalnya kita membawa sebuah benda ke bulan. Jika kita tidak akan
pernah ke bulan, benda tersebut kita titipkan saja lewat para astronout ketika berada di bulan,
berat benda tersebut hanya seperenam dari beratnya di bumi karena gaya gravitasi di bulan
enam kali lebih kecil dibandingkan dengan gaya gravitasi di bumi. Tetapi massa benda
tersebut tetap sama. Benda tersebut tetap memiliki jumlah zat yang sama dan inersia alias
kelembamannya juga sama. Sebuah batu ketika dibawa ke bulan, tetap menjadi batu dengan
ukuran yang sama. Yang berbeda adalah berat-nya alias gaya gravitasi yang bekerja pada
batu tersebut.
Secara matematis, berat di tulis sebagai berikut :
w=mg
w adalah inisial dari weight (kata berat dalam bahasa Inggris). m adalah lambang massa dan g
adalah lambang gaya gravitasi. Jadi secara matematis, w adalah hasil kali antara massa dan
gravitasi. massa adalah besaran skalar, sedangkan gravitasi adalah besaran vektor. Perkalian
antara skalar (massa) dengan vektor (gravitasi), menghasilkan besaran vektor (Berat). Jika
anda kebingungan, silahkan pelajari kembali pembahasan mengenai perkalian antara besaran
vektor dan skalar. Dengan demikian Berat termasuk besaran vektor (besaran vektor adalah
besaran yang memiliki besar dan arah). Arah Berat sama dengan arah gravitasi, yakni menuju
ke pusat bumi alias tegak lurus ke bawah (permukaan tanah).
Vektor berat benda selalu digambarkan berarah tegak lurus ke bawah, di manapun posisi
benda diletakan, baik pada bidang horisontal, bidang miring, atau pada bidang tegak.
Perhatikan gambar di bawah.
Satuan Berat adalah kg m/s2. Dari manakah asal satuan ini ? tolong ingat kembali pelajaran
mengenai dimensi besaran. Itu fungsinya kita belajar dimensi (besaran dan satuan) di awal
pelajaran fisika. Nama lain satuan Berat adalah Newton. Newton adalah satuan Gaya, dengan
demikian secara matematis kita sudah menunjukan bahwa Berat juga termasuk Gaya.
Latihan Soal 1 :
Berapakah massa dirimu seandainya berat dirimu 400 Newton ? anggap saja gravitasi bernilai
10 m/s2
Latihan Soal 2 :
Massa Gurumuda di bumi adalah 50 kg. Berapa berat Gurumuda di bulan seandainya
Gurumuda jalan-jalan ke bulan ? anggap saja percepatan gravitasi di bumi 10 m/s2 dan
gravitasi di bulan seperenam gravitasi di bumi.
GRAVITASI
Percepatan gravitasi di permukaan bumi secara rata-rata bernilai 9,8 m/s2. kenyataannya, nilai
gravitasi (g) sedikit berubah dari satu titik ke titik lain di permukaan bumi, dari kira-kira 9, 78
m/s2 sampai 9,82 m/s2. beberapa faktor yang mempengaruhi hal tersebut antara lain :
pertama, bumi kita tidak benar-benar bulat, percepatan gravitasi bergantung pada jaraknya dari
pusat bumi (planet); kedua, percepatan gravitasi tergantung dari jaraknya terhadap permukaan
bumi. Semakin tinggi sebuah benda dari permukaan bumi, semakin kecil percepatan gravitasi;
ketiga, percepatan gravitasi bergantung pada planet tempat benda berada, di mana setiap
planet, satelit atau benda angkasa lainnya memiliki gravitasi yang berbeda.
Mengapa Gravitasi di permukaan bumi berbeda-beda ? mengapa percepatan gravitasi di
setiap planet berbeda ? untuk mengetahui hal ini, anda perlu mengetahui apa sebenarnya
gravitasi atau apa yang membuat bumi dan benda angkasa lainnya, termasuk bulan memiliki
gravitasi. Mengenai hal ini selengkapnya akan kita pelajari pada pokok bahasan teori relativitas
umum eyang Einstein. Pada kesempatan ini Gurumuda ingin menjawab rasa penasaran anda,
seandainya anda ingin mengetahui apa itu gravitasi sesungguhnya sehingga setiap benda
selalu jatuh ke permukaan bumi.
Untuk memudahkan pemahaman anda mengenai gravitasi, bayangkanlah anda dan teman
dekat atau pacar anda yang cantik+ merentangkan sebuah kain (sebaiknya kain tersebut
terbuat dari karet). Sekarang, letakan sebuah benda, dari ukuran terkecil hingga ukuran besar
di atas kain atau lembaran karet tersebut. Apa yang anda amati ? jika yang anda letakan
adalah sebuah kelereng, maka lekukan yang terbentuk kecil, tetapi jika anda meletakan
sebongkah batu yang berukuran besar maka lekukan pada kain atau lembaran karet tersebut
sangat besar. nah, sekarang, letakan sebuah kerikil atau batu kecil pada pinggir kain tersebut.
Apa yang anda amati ? kerikil atau batu kecil tersebut akan terperosok alias jatuh menuju
pusat lekukan, di mana batu besar yang anda letakan pada kain berada. Setiap benda
angkasa yang bermassa (termasuk bumi) selalu membuat lekukan dalam ruang waktu. hal ini
yang menyebabkan setiap benda seolah-olah ditarik bumi atau benda angkasa lainnya.
Sebenarnya ini disebabkan oleh efek lekukan, sebagaimana ilustrasi kain karet dan batu di
atas. Selengkapnya anda pelajari pada pembahasan mengenai Teori Relativitas Umum (kelas
XII).
Pada pembahasan mengenai Gerak Jatuh Bebas, kita telah belajar bahwa benda-benda yang
dijatuhkan dekat permukaan bumi akan jatuh dengan percepatan yang sama, g (percepatan
gravitasi), seandainya hambatan udara diabaikan. Gaya yang menyebabkan percepatan ini
disebut gaya gravitasi. Gaya gravitasi bekerja pada sebuah benda ketika benda tersebut jatuh.
Kita terapkan hukum II Newton untuk gaya gravitasi dan untuk percepatan a, kita ganti dengan
percepatan gravitasi (g). ingat kembali pelajaran Gerak Jatuh Bebas. Benda yang jatuh hanya
dipengaruhi oleh percepatan gravitasi. Dengan demikian Gaya Gravitasi yang pada sebuah
benda, FG, yang besarnya disebut berat, dapat ditulis sebagai :
FG = mg
Arah gaya ini ke bawah, menuju ke pusat bumi. Persamaan ini sama dengan w = mg, seperti
yang sudah kita pelajari di atas, karena berat adalah gaya gravitasi yang bekerja pada sebuah
benda.
Ketika benda berada dalam keadaan diam di permukaan bumi, gaya gravitasi yang ada pada
benda tersebut tidak hilang. Untuk membuktikaan hal ini, kita bisa mengukur benda tersebut
dengan neraca pegas dan membandingkannya dengan hasil perhitungan kita (FG = m g atau
w = mg). Lalu mengapa benda tidak bergerak ? Dari hukum II Newton, gaya total untuk benda
yang diam adalah nol. Jika demikian, pasti ada gaya lain yang bekerja pada benda tersebut,
untuk mengimbangi gaya gravitasi. Gaya apakah itu ?
GAYA NORMAL
Ketika kita meletakan sebuah kotak di atas meja, berat kotak tersebut menekan meja ke bawah
dan sebaliknya meja membalas dengan memberikan gaya ke atas (lihat gambar di bawah).
Gaya yang diberikan oleh meja bisa disebut gaya kontak, karena gaya tersebut terjadi karena
adanya sentuhan antara kotak dan meja. Sebuah gaya kontak yang tegak lurus terhadap
permukaan kontak disebut Gaya Normal (normal berarti tegak lurus), dan mempunyai
Lambang FN atau bisa ditulis N.
Kedua gaya yang ditunjukkan pada gambar diatas bekerja pada kotak sehingga kotak tetap
diam. Selisih kedua gaya tersebut (gaya total) pasti nol, sehinga kotak tersebut diam/tidak jatuh
ke tanah. FG atau w dan N pasti memiliki besar yang sama dan memiliki arah yang
berlawanan, sehingga gaya total atau selisih kedua gaya tersebut nol. Gaya-gaya tersebut
bukan gaya aksi reaksi yang dijelaskan pada Hukum III Newton. Ingat bahwa gaya aksi reaksi
bekerja pada benda yang berbeda, sedangkan kedua gaya di atas (Gaya berat dan Gaya
Normal) bekerja pada benda yang sama, yakni kotak. Perhatikan gambar di atas secara
saksama. Gaya berat benda yang menekan meja digambarkan pada titik pusat kotak alias
berada di tengah-tengah kotak. Sedangkan Gaya Normal digambarkan pada permukaan
sentuh antara kotak dan meja.
Lalu apa gaya reaksinya ? gaya ke atas yang diberikan oleh meja terhadap kotak adalah N,
disebut gaya aksi. Gaya reaksi diberikan oleh kotak kepada meja, yakni N’, sebagaimana
diperlihatkan pada gambar di bawah. Perhatikan baik-baik posisi tanda panah pada gambar.
Tanda panah yang mewakili N’ digambarkan pada meja, bukan pada kotak. Panjang tanda
panah sama, hal ini menunjukkan bahwa besarnya gaya sama, hanya berlawanan arah (aksi =
- reaksi). Mengenai aksi-reaksi selengkapnya dipelajari pada Pokok Bahasan Hukum III
Newton.
Gaya Normal (N) bekerja pada bidang sentuh antara dua benda yang saling bersentuhan dan
arahnya selalu tegak lurus pada bidang sentuh. Beberapa contoh arah Gaya Normal terhadap
gaya sentuh ditunjukkan pada gambar di bawah.
Contoh Soal 1 :
Sebuah buku diletakkan di atas sebuah meja yang permukaannya datar sebagaimana
ditunjukkan pada gambar di bawah. Apabila massa buku 1 kg, berapakah Gaya Normal (N)
yang diberikan meja terhadap buku ? anggap saja gravitasi 10 m/s2
Soal ini ma gampang
Dikerjain sendiri ya ? masa ga bisa….. tinggal masuk’n rumus aja.
Contoh Soal 2 :
Sebuah balok diletakkan di atas sebuah papan yang diletakkan miring sebagaimana
ditunjukkan pada gambar di bawah. Apabila massa balok 5 kg dan sudut yang dibentuk antara
papan dengan lantai adalah 45o, berapakah Gaya Normal (N) yang diberikan meja terhadap
buku ? anggap saja gravitasi 10 m/s2
Soal kaya gini ma gampang. Kerjain sendiri ya ?
Panduan Jawaban :
baGaImaNa MeNgGeRJakAnnYa-kaH ?
Karena balok terletak pada bidang miring maka kita tidak bisa menghitung N seperti contoh
soal 1. cermati gambar di bawah.
Jika anda bingung atau tidak memahami penjelasan ini dengan baik, silahkan bertanya melalui
kolom komentar.
Referensi :
Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga
Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga
Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta :
Penerbit Erlangga