Hukum I Newton (Hukum Inersia)

Pengalaman menunjukkan bahwa sebuah objek diam akan tetap diam jika dibiarkan saja, dan bahwa sebuah benda bergerak cenderung melambat dan berhenti kecuali beberapa upaya dilakukan untuk tetap bergerak. Hukum pertama Newton tentang gerak menyatakan sebagai berikut :

Hukum I Newton tentang Gerak Sebuah benda: Pada saat diam benda akan tetap diam atau jika bergerak, tetap bergerak pada kecepatan konstan jika tidak ada gaya luar yang mempengaruhinya.

Perhatikan penggunaan berulang dari kata kerja “tetap.” Daripada bertentangan dengan pengalaman, hukum pertama Newton tentang gerak menyatakan bahwa harus ada penyebab (yang merupakan resultan gaya) untuk membuat perubahan dalam kecepatan (baik perubahan besaran atau arah). Kita akan menentukan resultan gaya luar pada bagian berikutnya. Sebuah objek meluncur di meja atau lantai melambat karena gaya total gesekan yang bekerja pada benda tersebut. Jika gesekan menghilang, objek masih melambat?

Ide sebab dan akibat sangat penting dan akurat menggambarkan apa yang terjadi dalam berbagai situasi. Sebagai contoh, perhatikan apa yang terjadi pada sebuah benda yang digeser sepanjang permukaan horisontal yang kasar benda cepat berhenti dan jika kita semprot permukaan dengan bedak untuk membuat permukaan halus, benda akan bergerak lebih jauh. Jika kita membuat permukaan lebih halus dengan menggosok minyak pelumas ke permukaan gesekan, benda tersebut akan bergerak lebih jauh lagi. Kita dapat membayangkan benda bergeser dalam garis lurus tanpa batas. Gesekan demikian yang menjadi penyebab melambatnya suatu benda (konsisten dengan hukum pertama Newton). Benda tidak akan diperlambat sama sekali jika gesekan benar-benar dihilangkan. Perhatikan meja hoki udara. Ketika udara dimatikan, keping hoki hanya akan bergerak dengan jarak yang tidak terlalu jauh dibandingkan dengan ketika udara dihidupkan yang menhasilkan permukaan hampir tanpa gesekan, dan keping meluncur dengan jarak jauh tanpa diperlambat. Selain itu, jika kita cukup tahu tentang gesekan, kita dapat secara akurat memprediksi seberapa cepat benda akan melambat. Gesekan adalah gaya eksternal itu.

Gambar 1: Meja Hoki dan pin hoki, kiri: ketika udara dimatikan, keping hoki hanya bergerak dengan jarak yang tidak terlalu jauh. Kanan:  jika udara dihidupkan keping akan meluncur dengan jarak yang sangat jauh.

Hukum pertama Newton benar-benar umum dan dapat diterapkan untuk apa pun dari suatu objek meluncur di atas meja, satelit yang mengorbit, untuk darah yang dipompa dari jantung. Percobaan telah benar-benar diverifikasi bahwa setiap perubahan dalam kecepatan (besar atau arah) harus disebabkan oleh gaya luar (eksternal). Hukum ini berlaku secara umum atau universal dan merupakan dasar dari semua hukum fisika. Mengidentifikasi hukum ini adalah seperti mengenali pola di alam di mana pola lanjut dapat ditemukan. Si Jenius Galileo, yang pertama kali mengembangkan ide untuk hukum pertama, dan Newton yang menjelaskannya.

Pada saat sebuah benda tidak dikenai gaya, atau dikenai beberapa gaya yang hasil penjumlahan vektornya sama dengan nol, kita katakan bahwa benda tersebut berada dalam keseimbangan (equilibrium). Pada keseimbanga, sebuah benda dapat diam atau bergerak pada garis lurus dengan kecepatan tetap. Untuk sebuah benda dalam keseimbangan, gaya total adalah nol. 

∑F = 0 (benda dalam keseimbangan)                             (1)

Supaya persamaan di atas benar, maka setiap resultan komponen dari gaya haruslah nol.

∑F_x = 0; ∑F_y = 0                                                              (2)

 

Massa 

Benda diam atau tetap bergerak dengan kecepatan konstan disebut inersia. Hukum pertama Newton sering disebut hukum inersia. Seperti yang kita tahu dari pengalaman, beberapa benda memiliki lebih inersia daripada yang lain. Hal ini jelas lebih sulit untuk mengubah gerak sebuah batu besar daripada bola basket, misalnya. Inersia sebuah objek diukur dengan massanya. Secara kasar, massa adalah ukuran dari jumlah materi dalam sesuatu. Kuantitas atau jumlah materi dalam suatu benda ditentukan oleh nomor atom dan molekul dari berbagai jenis yang dikandungnya. Tidak seperti berat benda, massa tidak berbeda besarnya untuk setiap lokasi. Massa suatu benda adalah sama di Bumi, di orbit, atau di permukaan Bulan. Dalam prakteknya, sangat sulit untuk menghitung dan mengidentifikasi semua atom dan molekul dalam suatu benda, sehingga massa tidak sering ditentukan dengan cara ini. Secara operasional, massa benda ditentukan oleh perbandingan dengan kilogram standar.

Hukum pertama gerakan dan inersia juga berlaku untuk benda-benda bergerak. Sebagai contoh,

• Ketika Anda mengayuh sepeda, Anda mempercepat untuk melakukan langkah sepeda maju. Karena gaya yang bekerja pada sepeda yang seimbang, sepeda dan pengendara terus bergerak pada kecepatan yang sama dan arah yang sama. Sepeda ini memiliki inersia. Inersia bisa diatasi hanya jika pengendara berlaku beberapa jenis kekuatan. Luar kekuatan bisa dihasilkan dari mendorong pedal, memutar handle bar, atau menggunakan rem.
• Anda harus telah mengamati bahwa ketika orang turun dari kereta yang sedang bergerak, mereka terus bergerak bersama kereta. Jika mereka berhenti sekaligus, kaki akan akan diam tiba-tiba tetapi bagian atas tubuh masih akan bergerak dan mereka akan cenderung terdorong ke depan.
• Ketika paket makanan yang dijatuhkan dari pesawat terbang, paket tidak menyentuh tanah secara vertikal lurus ke bawah tapi jatuh di tanah lebih jauh ke depan. Ketika paket makanan meninggalkan pesawat, paket ini bergerak dengan kecepatan pesawat. Karena inersia gerak paket ini terus bergerak maju saat jatuh. Oleh karena itu paket makanan menyentuh tanah lebih jauh ke depan. 

Contoh  (Hukum I Newton)
Ini adalah masalah pengalaman umum saat benda diam tidak akan mulai bergerak dengan sendirinya. Jika kita menempatkan benda di tempat tertentu kita berharap untuk tetap ada kecuali ada gaya yang dikerjakan pada benda itu.  Beberapa trik sederhana didasarkan pada prinsip ini antara lain:

• Botol dan  koin sama efektif dalam menunjukkan efek yang sama. Sebuah koin diletakkan di atas kartu dan ditempatkan di atas mulut botol. Saat kartu dijentik dengan jari koin tetap berada rapi di atas botol, lihat gambar 2a. Agar berhasil dalam melakukan trik ini jari harus bergerak di bidang horizontal sehingga kartu tidak miring.

Gambar 2

• Tempatkan koin pada kartu halus di atas segelas air. Berikan tepi kartu pukulan tajam dengan sisi datar dari penggaris. Kartu ini akan terlempar dari kaca, namun koin akan jatuh ke dalamnya, lihat gambar 2b dan 2c.
• Menumpuk balok halus dan memberikan balok bagian bawah satu pukulan tajam dengan ujung penggaris. Bagian bawah balok akan bergeser, dan sisanya tidak akan tergulingkan dari tumpukan tapi akan jatuh ke bawah dan masih dalam tumpukan, lihat gambar 3. 

Gambar 3

Note: Sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan konstan dalam garis lurus cenderung untuk  bergerak selamanya (tidak akan berhenti), kecuali ada gaya luar yang dikerjakan padanya. Tetap faktanya adalah bahwa belum ditemukannya suatu cara untuk menghilangkan gaya luar rata-rata yang dapat menghambat benda bergerak.

• Seseorang yang mengendarai sepeda dari atas jalan miring tidak akan bergenti bergerak jika ia berhenti mengayuh sepedanya, sepeda akan terus bergerak maju, tapi akhirnya berhenti sebagai akibat dari perlambatan dari hambatan udara dan gesekan antara ban dan permukaan jalan.

Gambar 4

• Dalam tabrakan antara dua kendaraan motor penumpang sering cedera ketika mereka memukul kaca depan. Kekuatan eksternal berhenti kendaraan, tetapi bukan penumpang yang hanya melanjutkan gerak garis lurus mereka sesuai dengan hukum pertama Newton.
• Ketika peluru ditembakkan dari pistol, gerakannya ditentang baik oleh hambatan udara dan gaya tarik bumi. Cepat atau lambat peluru akan kembali ke bumi, tetapi jika hambatan udara dan gravitasi dapat dihilangkan, peluru akan bergerak dalam garis lurus selamanya.
• Ketika kereta tiba-tiba berjalan, penumpang cenderung terdorong ke belakang. Hal ini karena bagian bawah tubuh yang bersentuhan dengan kereta mulai bergerak sedangkan bagian atas tubuh cenderung mempertahankan posisi diamnya. Akibatnya, bagian atas cenderung terdorong ke belakang.

Gambar 5