Biologi, Fisika dan Kimia untuk Pendidikan: MASSA, BERAT DAN GAYA NORMAL

Pengantar

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 = m g

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, F_G, yang besarnya disebut berat, dapat ditulis sebagai :

F_G= 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 (F_G = 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 F_Natau 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. F_Gatauw 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 permukaan sentuh. Beberapa contoh arah Gaya Normal terhadap permukaan 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 45^o, berapakah Gaya Normal (N) yang diberikan meja terhadap buku ? anggap saja percepatan gravitasi 10 m/s²