Gaya Kontak dan Gaya Medan dalam Fisika HSC

Letakkan sebuah buku pelajaran di atas meja. Buku itu tetap diam. Kedengarannya sederhana, sampai kamu bertanya: gaya apa saja yang sebenarnya bekerja pada buku itu, dan benda mana yang mengerahkan masing-masing gaya tersebut?

Kamu mungkin mengatakan bahwa gravitasi menarik buku ke bawah dan meja mendorongnya ke atas. Benar. Sekarang angkat buku itu dengan tanganmu. Apakah gravitasi menghilang? Tentu saja tidak. Buku masih berinteraksi dengan Bumi, tetapi meja tidak lagi berinteraksi dengan buku.

Dari sini kita mendapatkan perbedaan yang berguna. Beberapa gaya mengharuskan benda-benda saling bersentuhan. Gaya lainnya dapat bekerja bahkan ketika benda-benda terpisah.

Sebelum menamainya secara formal, buatlah sebuah prediksi. Sebuah magnet dipegang beberapa sentimeter di atas penjepit kertas baja. Penjepit kertas itu melompat ke atas sebelum magnet menyentuhnya. Apakah gaya magnet merupakan gaya kontak?

Tidak. Gaya tersebut sudah ada ketika masih terdapat celah. Karena itu, gaya tersebut merupakan gaya medan.

01Pertanyaan pertama yang perlu diajukan: apa yang berinteraksi dengan apa?

Gaya bukanlah sesuatu yang sekadar “dimiliki” oleh sebuah benda. Gaya adalah interaksi antara dua benda.

Ketika kamu mengidentifikasi suatu gaya, cobalah melengkapi kalimat ini:

Gaya pada ___ yang dikerahkan oleh ___.

Untuk buku pelajaran di atas meja:

• Bumi mengerahkan gaya gravitasi pada buku.
• Meja mengerahkan gaya normal pada buku.

Cara penulisan ini mencegah kesalahan yang sangat umum. Siswa sering mencantumkan nama gaya tanpa mengidentifikasi sumbernya. Menulis “gaya normal” kurang berguna dibandingkan menulis “gaya normal pada buku yang dikerahkan oleh meja”.

Kamu dapat membayangkan gaya sebagai pesan yang selalu memerlukan pengirim dan penerima. “Saya mendapat pesan” memberi tahu bahwa sesuatu terjadi, tetapi “Saya mendapat pesan dari Mia” memberi tahu dari mana pesan itu berasal. Gaya bekerja dengan cara serupa: identifikasi benda yang mengalami gaya dan benda yang menyebabkan interaksi tersebut.

Analogi ini memiliki keterbatasan karena gaya bukanlah pesan secara harfiah yang bergerak di antara benda-benda. Analogi ini hanya merupakan cara untuk mengingat bahwa setiap gaya merepresentasikan suatu interaksi.

02Gaya kontak memerlukan kontak fisik

Sebuah gaya kontak bekerja ketika dua benda saling bersentuhan.

Contoh umum dalam HSC meliputi:

Misalkan kamu bersandar pada dinding. Bahumu mendorong dinding, dan dinding mendorong balik bahumu. Dinding tidak memerlukan otot untuk “mendorong”. Gaya tersebut berasal dari interaksi antara atom-atom pada kedua permukaan.

Pada tingkat mikroskopis, banyak gaya kontak pada akhirnya melibatkan interaksi elektromagnetik antara partikel bermuatan. Namun, untuk klasifikasi gaya dalam HSC, kita menyebutnya gaya kontak karena benda-benda tersebut bersentuhan secara fisik pada skala makroskopis.

Gaya normal adalah gaya permukaan

Kata normal di sini tidak berarti biasa. Dalam matematika dan fisika, normal berarti tegak lurus.

Karena itu, gaya normal bekerja tegak lurus terhadap permukaan yang menghasilkannya.

Jika sebuah buku berada di atas meja horizontal, gaya normal dari meja arahnya vertikal.

Jika sebuah balok berada di atas bidang miring, gaya normal tidak vertikal. Gaya tersebut mengarah tegak lurus terhadap bidang miring.

Inilah sebabnya menghafal bahwa “gaya normal mengarah ke atas” dapat menimbulkan masalah. Gaya normal hanya mengarah lurus ke atas ketika permukaan yang relevan bersifat horizontal.

Gesekan bekerja sepanjang permukaan kontak

Gesekan bekerja sejajar dengan permukaan-permukaan yang bersentuhan.

Aturan yang tampak menarik adalah:

Gesekan selalu mengarah berlawanan dengan gerak.

Aturan tersebut terlalu sederhana.

Gesekan melawan pergeseran relatif, atau kecenderungan terjadinya pergeseran relatif, antara permukaan-permukaan yang bersentuhan.

Bayangkan kamu berjalan ke depan. Kakimu mendorong tanah ke belakang. Gesekan statis dari tanah mendorong kakimu ke depan. Jadi, gaya gesekan yang bekerja padamu dapat mengarah ke arah yang sama dengan gerakmu secara keseluruhan.

Arah gesekan bergantung pada apa yang cenderung dilakukan oleh permukaan-permukaan tersebut relatif satu sama lain, bukan sekadar pada arah gerak seluruh benda.

Tegangan berasal dari penghubung yang teregang

Tali yang terpasang pada sebuah peti dapat menarik peti tersebut, tetapi tidak dapat mendorongnya.

Gaya yang dikerahkan tali pada peti disebut tegangan. Arahnya sepanjang tali, menjauhi benda yang sedang ditarik.

Perhatikan sumber gayanya. Jika seseorang menarik peti menggunakan tali, gaya yang secara langsung bekerja pada peti biasanya dikerahkan oleh tali, bukan oleh tangan orang tersebut.

Orang tersebut berinteraksi dengan tali. Tali berinteraksi dengan peti.

Perbedaan ini menjadi penting ketika menggambar diagram gaya.

03Gaya medan dapat bekerja melintasi suatu celah

Sekarang kembali ke penjepit kertas dan magnet. Tidak ada kontak fisik, tetapi penjepit kertas mengalami percepatan.

Sebuah gaya medan dapat bekerja antara benda-benda yang tidak saling bersentuhan.

Tiga interaksi medan yang paling penting dalam HSC Physics adalah:

Kata medan memberi kita cara untuk menjelaskan bagaimana sebuah benda dapat mengalami gaya di lokasinya tanpa kontak langsung dengan sumbernya.

Sebagai contoh, Bumi menghasilkan medan gravitasi di sekelilingnya. Sebuah buku yang ditempatkan dalam medan tersebut mengalami gaya gravitasi.

Pada tahap ini, aturan klasifikasi yang penting cukup sederhana:

Jika benda-benda yang berinteraksi harus saling bersentuhan, klasifikasikan gaya tersebut sebagai gaya kontak. Jika interaksi dapat terjadi meskipun terdapat jarak pemisah, klasifikasikan sebagai gaya medan.

Aturan tersebut berguna, tetapi memerlukan satu penyempurnaan. Gaya medan tetap dapat bekerja ketika benda-benda kebetulan sedang bersentuhan. Klasifikasi bergantung pada jenis interaksi, bukan semata-mata pada apakah saat ini terdapat celah.

Sebuah buku yang berada di atas Bumi tetap mengalami gaya medan gravitasi meskipun, secara tidak langsung melalui lantai dan meja, buku tersebut ditopang oleh gaya-gaya kontak.

04Berat adalah gaya gravitasi yang dikerahkan oleh Bumi

Siswa terkadang menganggap “berat” sebagai sifat yang berada di dalam suatu benda. Lebih baik mengidentifikasi interaksinya.

Di dekat permukaan Bumi, berat sebuah benda adalah gaya gravitasi yang dikerahkan oleh Bumi pada benda tersebut.

Besarnya adalah

\[ F_g = mg \]

dengan \(F_g\) adalah gaya gravitasi dalam newton (N), \(m\) adalah massa dalam kilogram (kg), dan \(g\) adalah kuat medan gravitasi dalam newton per kilogram (N kg\(^{-1}\)).

Di dekat permukaan Bumi, \(g\) bernilai sekitar \(9.8\text{ N kg}^{-1}\).

Karena itu, massa dan berat bukanlah hal yang sama. Massa menggambarkan seberapa besar inersia yang dimiliki suatu benda. Berat adalah gaya yang muncul akibat interaksi gravitasi.

05Jangan menciptakan gaya hanya karena suatu benda bergerak

Misalkan sebuah keping hoki meluncur ke kanan di atas es yang hampir tanpa gesekan.

Gaya apa yang mendorongnya ke depan setelah keping tersebut tidak lagi bersentuhan dengan tongkat pemain?

Jawabannya bisa saja tidak ada.

Hal ini terasa aneh jika kamu masih menggunakan gagasan sehari-hari bahwa gerak memerlukan dorongan yang terus-menerus. Hukum pertama Newton menyatakan sebaliknya. Gaya diperlukan untuk mengubah kecepatan, bukan untuk mempertahankan kecepatan konstan.

Setelah tongkat tidak lagi menyentuh keping, tongkat tidak lagi mengerahkan gaya kontak padanya.

Keping dapat terus bergerak ke depan karena inersianya.

Di Bumi, keping tersebut masih mengalami gaya gravitasi dari Bumi dan gaya normal dari es. Jika hambatan cukup kecil untuk diabaikan, mungkin sama sekali tidak ada gaya horizontal.

Hal ini memberi kamu suatu cara pengujian yang ampuh ketika mengidentifikasi gaya:

Jangan menggambar gaya hanya karena suatu benda bergerak ke arah tersebut. Carilah benda yang benar-benar berinteraksi dan dapat mengerahkan gaya tersebut.

Jika kamu tidak dapat menyebutkan sumbernya, keberadaan gaya tersebut patut diragukan.

06Diagram gaya hanya boleh memuat gaya yang bekerja pada benda yang dipilih

Pertimbangkan sebuah kotak yang ditarik melintasi lantai kasar menggunakan tali.

Sebelum melanjutkan membaca, prediksikan gaya-gaya yang akan kamu gambar pada kotak.

Kamu seharusnya mengidentifikasi empat interaksi:

1. Bumi mengerahkan gaya gravitasi ke bawah.
2. Lantai mengerahkan gaya normal pada kotak.
3. Lantai mengerahkan gaya gesekan pada kotak.
4. Tali mengerahkan tegangan pada kotak.

Perhatikan apa yang tidak dicantumkan. Kotak mungkin mengerahkan gaya pada Bumi, lantai, dan tali, tetapi gaya-gaya tersebut tidak termasuk dalam diagram gaya untuk kotak.

Diagram benda bebas mengisolasi satu benda dan hanya menunjukkan gaya-gaya eksternal yang bekerja pada benda tersebut.

Format penamaan yang berguna adalah

\[ F_{\text{sumber pada benda}} \]

Sebagai contoh, \(F_{\text{Bumi pada kotak}}\) berarti gaya yang dikerahkan oleh Bumi pada kotak.

Kamu tidak harus menggunakan notasi tersebut setiap saat, tetapi berpikir dengan format seperti itu membuat identifikasi gaya jauh lebih andal.

07Kontak versus medan tidak sama dengan dorong versus tarik

Ada godaan untuk mengelompokkan gaya menggunakan bahasa sehari-hari: gaya kontak “mendorong”, sedangkan gaya medan “menarik”.

Cara tersebut tidak berhasil.

Tali menghasilkan gaya kontak dan menarik.

Gaya normal menghasilkan gaya kontak dan biasanya mendorong.

Gravitasi menarik.

Gaya listrik dapat menarik atau menolak.

Interaksi magnetik juga dapat menghasilkan tarikan atau tolakan, bergantung pada sistemnya.

Jadi, gunakan jenis interaksinya, bukan kata kerja sehari-harinya:

Apakah jenis gaya ini memerlukan kontak fisik antara benda-benda yang berinteraksi?

Jika ya, gaya tersebut adalah gaya kontak. Jika tidak, gaya tersebut adalah gaya medan.

08Metode yang andal untuk mengidentifikasi gaya

Ketika soal tentang gaya menjadi rumit, gunakan urutan yang sama setiap kali:

1. Pilih benda yang sedang kamu analisis. Jangan mencampurkan gaya-gaya yang bekerja pada benda yang berbeda.
2. Daftarkan benda-benda yang berinteraksi dengannya. Carilah Bumi, permukaan, tali, fluida, magnet, muatan, dan benda lain yang bersentuhan.
3. Namai gaya yang dihasilkan oleh setiap interaksi. Sebagai contoh, Bumi menghasilkan gaya gravitasi, permukaan dapat menghasilkan gaya normal dan gesekan, dan tali menghasilkan tegangan.
4. Klasifikasikan interaksinya. Tentukan apakah gaya tersebut merupakan gaya kontak atau gaya medan.
5. Periksa sumbernya. Lengkapi frasa “gaya pada ___ yang dikerahkan oleh ___”.
6. Baru kemudian gunakan hukum Newton. Diagram gaya memberi tahu kamu gaya apa saja yang termasuk dalam persamaan.

Metode ini lebih aman daripada menghafalkan kumpulan anak panah karena tetap dapat digunakan dalam situasi yang belum pernah kamu temui.

09Pertanyaan dan solusi

Pertanyaan 1

Sebuah mug berada dalam keadaan diam di atas meja horizontal. Identifikasi semua gaya yang bekerja pada mug, nyatakan benda mana yang mengerahkan setiap gaya, dan klasifikasikan setiap gaya sebagai gaya kontak atau gaya medan.

Solusi 1

Dua gaya bekerja pada mug: gaya gravitasi dari Bumi dan gaya normal dari meja.

Bumi mengerahkan gaya gravitasi ke bawah pada mug. Gravitasi adalah gaya medan karena interaksi gravitasi tidak memerlukan kontak fisik.

Meja mengerahkan gaya normal ke atas pada mug. Gaya normal adalah gaya kontak karena gaya ini muncul akibat kontak antara mug dan meja.

Karena mug berada dalam keadaan diam, percepatannya nol, sehingga kedua gaya tersebut memiliki besar yang sama dan arah yang berlawanan.

Kesalahan yang umum adalah menambahkan “gaya berat” dan “gaya gravitasi” sebagai dua gaya terpisah. Dalam situasi ini, keduanya bukan dua gaya yang berbeda. Berat mug adalah gaya gravitasi yang dikerahkan oleh Bumi padanya.

Pertanyaan 2

Seorang pesepeda bergerak maju di sepanjang jalan datar tanpa tergelincir. Pada suatu saat, ban belakang mendorong jalan ke belakang. Gaya horizontal apa yang dikerahkan jalan pada ban belakang, jenis gaya apakah itu, dan mengapa gaya tersebut dapat mengarah searah dengan gerak pesepeda?

Solusi 2

Jalan mengerahkan gaya gesekan statis ke depan pada ban belakang, dan gaya tersebut merupakan gaya kontak.

Ban mendorong jalan ke belakang pada titik kontak keduanya. Jalan mengerahkan gaya yang bersesuaian ke depan pada ban.

Gaya ini adalah gesekan statis karena ban menggelinding tanpa bergeser pada titik kontak.

Gesekan tidak secara otomatis melawan gerak seluruh benda. Gesekan melawan pergeseran relatif, atau kecenderungan untuk bergeser, antara permukaan-permukaan tersebut. Dalam kasus ini, ban cenderung mendorong ke belakang terhadap jalan, sehingga gaya gesekan yang dikerahkan jalan pada ban mengarah ke depan.

Kesalahan yang menggoda adalah mengatakan, “Pesepeda bergerak maju, jadi gesekan pasti mengarah ke belakang.” Aturan itu gagal karena mengabaikan interaksi antara kedua permukaan.

Pertanyaan 3

Sebuah paket bermassa \(3.5\text{ kg}\) tergantung diam pada tali vertikal ringan di dalam lift yang tidak bergerak. Identifikasi gaya-gaya yang bekerja pada paket, klasifikasikan setiap gaya, dan hitung tegangan pada tali. Gunakan \(g = 9.8\text{ N kg}^{-1}\).

Solusi 3

Paket mengalami gaya gravitasi sebesar \(34.3\text{ N}\) ke bawah dan gaya tegangan sebesar \(34.3\text{ N}\) ke atas. Gravitasi adalah gaya medan, sedangkan tegangan adalah gaya kontak.

Bumi mengerahkan gaya gravitasi:

\[ F_g = mg = (3.5\text{ kg})(9.8\text{ N kg}^{-1}) = 34.3\text{ N} \]

Tali mengerahkan tegangan ke atas pada paket.

Karena paket berada dalam keadaan diam, percepatannya nol. Oleh karena itu, gaya resultan adalah nol:

\[ F_T - F_g = 0 \]

sehingga

\[ F_T = 34.3\text{ N} \]

Hasil ini berarti tarikan tali ke atas tepat menyeimbangkan gaya gravitasi Bumi ke bawah.

Tidak ada gaya normal pada paket karena paket tidak bersandar pada suatu permukaan. Fakta bahwa paket berada di dalam lift tidak secara otomatis berarti “lift” mengerahkan gaya padanya. Hanya benda-benda yang benar-benar berinteraksi dengan paket yang termasuk dalam diagram gayanya.

Pertanyaan 4

Sebuah bola baja kecil tergantung pada seutas benang. Sebuah magnet kuat didekatkan ke bola tanpa menyentuhnya, sehingga benang miring ke arah magnet. Seorang siswa berkata, “Gaya magnet pasti merupakan gaya kontak karena bola akhirnya bergerak mendekat dan mungkin menyentuh magnet.”

Apakah siswa tersebut benar? Identifikasi gaya-gaya yang bekerja pada bola sebelum bola menyentuh magnet dan klasifikasikan masing-masing.

Solusi 4

Siswa tersebut tidak benar. Gaya magnet adalah gaya medan karena gaya tersebut bekerja ketika magnet dan bola masih terpisah.

Sebelum bola menyentuh magnet, tiga gaya dapat bekerja padanya:

• Bumi mengerahkan gaya gravitasi ke bawah. Ini adalah gaya medan.
• Benang mengerahkan tegangan sepanjang benang. Ini adalah gaya kontak.
• Magnet mengerahkan gaya magnet ke arah magnet. Ini adalah gaya medan.

Klasifikasi bergantung pada sifat interaksinya, bukan pada apa yang mungkin terjadi kemudian. Pengamatan bahwa bola mulai mengalami percepatan ketika masih terdapat celah merupakan bukti langsung bahwa kontak fisik tidak diperlukan untuk interaksi magnetik.

Jika bola kemudian menyentuh magnet, gaya kontak tambahan dapat muncul di antara permukaan keduanya. Hal tersebut tidak mengubah interaksi magnetik itu sendiri menjadi gaya kontak.

Pertanyaan 5

Sebuah wahana antariksa yang jauh dari planet menyalakan mesinnya selama beberapa detik, lalu mematikan mesin. Abaikan gaya gravitasi dari benda-benda jauh dan tumbukan dengan partikel.

Setelah mesin dimatikan, wahana antariksa terus bergerak ke kanan dengan kecepatan konstan.

Seorang siswa menggambar “gaya gerak” ke kanan pada wahana antariksa karena wahana tersebut masih bergerak ke kanan. Jelaskan apakah gaya tersebut seharusnya muncul. Kemudian identifikasi apa yang ditunjukkan situasi ini tentang hubungan antara gaya dan gerak.

Solusi 5

“Gaya gerak” ke kanan tersebut tidak seharusnya muncul karena, setelah mesin dimatikan, tidak ada benda yang teridentifikasi mengerahkan gaya tersebut pada wahana antariksa.

Ketika mesin beroperasi, materi yang dikeluarkan berinteraksi dengan wahana antariksa dan menghasilkan gaya dorong. Setelah interaksi tersebut tidak lagi menghasilkan gaya dorong, tidak ada alasan untuk tetap menggambar gaya ke depan hanya karena wahana antariksa masih bergerak.

Dengan asumsi yang telah dinyatakan, gaya resultan setelah mesin dimatikan adalah nol:

\[ \sum F = 0 \]

Hukum pertama Newton kemudian memprediksi kecepatan konstan. Wahana antariksa terus bergerak ke kanan tanpa memerlukan gaya ke kanan yang terus-menerus.

Jebakannya adalah mencampuradukkan kecepatan dengan gaya. Gaya berkaitan dengan percepatan, yaitu perubahan kecepatan. Sebuah benda dapat memiliki kecepatan yang tidak nol sementara gaya resultan yang bekerja padanya adalah nol.

Inilah sebabnya mengidentifikasi benda yang mengerahkan setiap gaya lebih dari sekadar latihan memberi label. Hal tersebut mencegah kamu menciptakan gaya hanya untuk menyesuaikannya dengan gerak yang kamu amati.

Setelah kamu dapat mengidentifikasi gaya kontak dan gaya medan dengan andal serta menyebutkan sumbernya, langkah berikutnya adalah menggabungkan gaya-gaya tersebut menjadi sebuah gaya resultan. Di sinilah diagram gaya terhubung secara langsung dengan hukum Newton: interaksi menentukan gaya mana yang ada, dan resultan dari gaya-gaya tersebut menentukan bagaimana kecepatan benda akan berubah.