Gaya Berat dan Gaya Normal

Sebagaimana yang telah kita pelajari sebelumnya bahwa, Galileo mengklaim bahwa semua benda yang dijatuhkan di atas permukaan bumi akan bergerak jatuh dengan percepatan yang sama, jika tahanan udara dapat diabaikan. Gaya yang menyebabkan percepatan ini disebut gaya gravitasi. Apa yang mengerahkan gaya gravitasi pada benda-benda? jawabannya adalah bumi, (selanjutnya nanti kita akan pelajari) dan gaya tersebut bekerja secara vertikal ke bawah (menuju pusat bumi). Marilah kita menerapkan hukum II Newton pada sebuah benda bermassa m yang jatuh bebas akibat gravitasi. Untuk percepatan a, kita gunakan percepatan ke bawah akibat gravitasi g. Sehingga, gaya gravitasi atau force gravity pada sebuah benda, F_G, dapat dituliskan sebagai

F_G = mg (1)

Arah gaya ini ke bawah menuju pusat bumi (gambar.1) dan besar gravitasi pada sebuah benda, F_G = w = mg, biasanya disebut sebagai berat (weight) benda tersebut.

Gambar (1)

 Dalam satuan SI (Standar Internasional), g = 9,8 m/s² = 9,8 N/kg (untuk mempermudah perhitungan biasnya dibulatkan menjadi 10 m/s²), sehingga berat sebuah benda yang bermassa 1,00 kg di bumi adalah 1,00 kg x 9,8 N/kg = 9,80 N. Kita utamanya akan membicarakan berat benda-benda di bumi, namun kita harus mencatat bahwa, di bulan dan planet-planet lain, atau di luar angkasa, berat sebuah benda bermassa tertentu akan berbeda dari beratnya di bumi. Sebagai contoh, percepatan akibat gravitasi dibulan adalah sekitar seperenam dari percepatan gravitasi di bumi, dan karenanya berat sebuah benda yang bermassa 1,0 kg hanya 1,6 N.

Gaya gravitasi bekerja pada sebuah benda ketika benda itu bergerak jatuh. Ketika sebuah benda berada dalam keadaan diam di bumi, gaya gravitasi pada benda itu tidak hilang, sebagaimana dapat kita ketahui bila kita menimbangnya pada neraca pegas. Gaya yang sama, yang ditunjukkan oleh persamaan (1), tetap bekerja. Lalu, mengapa benda tersebut tidak bergerak? Menurut hukum II Newton, gaya total pada sebuah benda yang diam adalah nol. Maka, pastilah terdapat suatu gaya lain yang mengimbangi gaya gravitasi. Untuk sebuah benda yang diam di atas meja, meja mengerahkan gaya ini ke arah atas, gambar (2). Meja sedikit tertekan di bawah benda dan, karena elastisitasnya meja mendorong benda ke atas seperti ditunjukkan dalam gambar (2). Gaya yang dikerahkan oleh meja ini sering disebut gaya kontak (force contact) atau gaya persentuhan karena terjadi ketika dua benda saling bersentuhan (mengalami kontak). Gaya dari tangan Anda mendorong sebuah troli juga adalah gaya kontak. Bila gaya kontak bekerja tegak lurus terhadap permukaan di mana persentuhan terjadi (permukaan kontak), maka gaya itu disebut gaya normal (normal berarti tegak lurus), sehingga gaya ini diberi simbol N atau F_N. Untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar arah gaya berat (w = mg) dan gaya normal (N) untuk berbagai kemungkinan permukaan lantai di mana benda diletakkan,

Gambar (2)

Kedua gaya yang ditunjukkan pada gambar 2a, bekerja pada balok yang tetap dalam keadaan diam, sehingga jumlah vektor dari kedua gaya ini pastilah nol (hukum II Newton). Sehingga w dan N harus sama besarnya dan berlawanan arah. Tetapi kedua gaya ini bukan pasangan aksi-reaksi yang dijelaskan pada hukum III Newton, karena pasangan aksi-reaksi pada hukum III Newton bekerja pada benda yang berbeda, sedangkan kedua gaya dalam gambar 2a bekerja pada benda yang sama.

Contoh Soal

Sebuah buku fisika (E-BOOK ASF) bermassa 4,0 kg diam di atas meja horisontal, gbr 3. (a) tentukan berat buku ini dan gaya normal yang dikerahkan padanya oleh meja, dan (b) jika Andy menekan buku itu dengan gaya 10 N, tentukan berat buku dan gaya normal yang dikerahkan padanya oleh meja!

Jawab:

Buku diam di atas meja, sehingga gaya total pada buku dalam setiap kasus adalah nol (hukum I dan hukum II Newton). Dalam kedua kasus berat buku sama dengan mg.

(a) Berat buku adalah mg = (4,0 kg)(9,8 N/kg) = 39,2 N dan gaya ini bekerja ke arah bawah. Satu-satunya gaya lain pada buku adalah gaya normal yang dikerahkan ke arah atas oleh meja, seperti dalam gbr.3a. Kita menetapkan arah ke atas sebagai arah y positif, maka gaya total pada buku adalah ΣF = N + (– mg). Tanda minus berarti mg bekerja dalam arah y Meja dalam keadaan diam maka gaya total padanya haruslah nol. Sehingga,

 

Gaya normal pada buku yang dikerahkan oleh meja, adalah 39,2 N ke arah atas, dan memiliki nilai/besar yang sama dengan berat buku.

(b) Andi menekan buku ke bawah dengan gaya sebesar 10 N. Maka terdapat tiga gaya yang bekerja pada buku, seperti gbr.3b. Berat kotak masih tetap 39,0 N. Gaya totalnya ΣF = N – F – mg = N – mg – 10 dan sama dengan nol karena buku masih tetap dalam keadaan diam (a = 0). Maka,

Yang lebih besar daripada gaya normal pada (a). Meja mendorong balik dengan gaya yang lebih besar ketika Andy menekan buku tersebut. Gaya normal tidak selalu sama dengan berat.