Mekanika merupakan bagian/cabang ilmu fisika yang mempelajari gerak benda dan pengaruh lingkungan terhadap gerak benda. Dalam kehidupan sehari-hari kita sering mendengar kata “gerak” seperti ; gerakan penari, gerakan pelari, gerak buah kinca (kanista) jatuh dari tangkainya, gerak kendaraan, hingga gerak bumi dan bulan merupakan contoh gerak dalam kehidupan sehari-hari.
Mekanika dibagi atas tiga cabang ilmu, yaitu kinematika, dinamika, dan statika. Kinematika adalah ilmu yang mempelajari gerak tanpa memperdulikan penyabab timbulnya gerak (massa benda di abaikan). Jadi, jarak yang ditempuh benda selama geraknya hanya ditentukan oleh kecepatan v dan percepatan a. Dinamika adalah ilmu yang mempelajari gerak dengan lingkungannya (penyebab terjadinya gerakan, yaitu gaya), dan Statika adalah ilmu yang mempelajari tentang kesetimbangan statis benda.
Agar dapat mempelajari bab ini anda harus telah mengetahui perbedaan antara besaran skalar (scalars) dan besaran vektor (vectors), posisi/kedudukan, jarak (distance) dan perpindahan (displacement), laju (speed) and kecepatan (velocity), percepatan (acceleration), serta hukum-hukum gerak.
Besaran Skalar
Besaran skalar adalah besaran yang hanya mempunyai nilai/besar saja (tidak punya arah). Contoh: panjang, massa, waktu, dll.
Besaran Vektor Besaran vektor adalah besaran yang mempunyai nilai dan arah, dan berfungsi untuk menentukan posisi. (untuk membantu memperjelas arah diasumsikan arah ke kanan : positif (+) dan arah ke kiri : negatif (–) dan atau dengan komponen i, j, k. Contoh besaran vektor diantaranya : kecepatan, percepatan, gaya, perpindahan, momentum, momen gaya, medan listrik, medan magnet, dll. Besaran-besaran skalar dan vektor dalam fisika sangat banyak, pembagianyapun berdasarkan kelompok-kelompok, yaitu kelompok dalam mekanika dan kelompok dalam elektromagnetika.
Posisi/Kedudukan
Kedudukan benda (dalam tinjauan paling sederhana, ruang satu dimensi) dapat juga ditentukan oleh jarak benda tersebut terhadap titik acuan. Pada Gambar 1 misalnya titik O sebagai titik acuan, maka kedudukan titik N yaitu berjarak 2 di kiri titik acuan O. Jadi titik N kedudukannya adalah ditulis , atau kedudukan Q berjarak 4 di sebelah kanan O maka kedudukannya ditulis (tanda positif sering tidak ditulis).
M N O P Q
· · · · · · · · · ·
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Gambar 1. Kedudukan benda pada suatu garis lurus.
Kita dapat juga menetapkan titik selain O sebagi acuan, misalnya Berapakah kedudukan P terhadap Q dan N?. Jika Q sebagai titik acuan maka kedudukan P adalah : –1 dan jika N sebagai titik acuan maka kedudukan P adalah : +5. Dari ilustrasi di atas dapat disimpulkan bahwa posisi/kedudukan adalah letak suatu benda pada suatu waktu tertentu terhadap suatu acuan tertentu, dan karena kedudukan ditentukan juga oleh besar dan arah (+ atau –), maka kedudukan termasuk suatu besaran vektor.
Jarak
Jarak ialah panjang lintasan sesungguhnya yang ditempuh oleh suatu benda dalam waktu tertentu dan tidak tergantung arah (besaran skalar), sehingga jarak selalu memiliki tanda positif (+).
Secara matematis diberikan sebagai:(1)
dimana : s = jarak, dalam satuan SI adalah meter.
A A’
x1 x2
Gambar 2. Posisi titik benda A pada x1 dan A’ pada x2.
Gambar 2. merupakan lintasan lurus, bila x1 = +2 dan x2 = +16, maka jarak antara A dan A’ adalah sama dengan jarak A’ dan A yaitu +14, (dapat ditulis,
Perpindahan
Perhatikan Gambar 2. Sebuah benda di A mula-mula kedudukannya x1 kemudian bergerak sampai di titik A’ dengan kedudukan x2, benda tersebut telah berubah kedudukannya dari x1 ke x2 dengan perubahan posisi s sebesar x2 – x1. Jadi, Perpindahan ialah perubahan posisi atau kedudukan suatu benda dalam suatu waktu tertentu, sehingga perpindahan hanya tergantung pada kedudukan awal dan akhir saja dan tidak tergantung pada jalan mana yang ditempuh oleh benda (termasuk besaran vektor). Jika arah gerak ke kanan perpindahan bertanda POSITIF, jika arah gerak ke kiri perpindahan bertanda NEGATIF.
Perpindahan suatu benda dari posisi ke posisi dapat ditulis sebagai :
(2)
dimana: = Perpindahan, dengan satuan SI adalah meter.
Kelajuan dan Kecepatan
Kelajuan adalah besaran yang tidak tergantung pada arah (Besaran skalar) yang nilainya selalu positif (+) dan besarnya sesuai dengan perubahan lintasan tiap satuan waktu. Contoh: kita melihat spidometer dengan kelajuan 60 km/jam.
Kecapatan adalah besaran yang bergantung pada arah (Besaran vektor) dan besarnya sesuai dengan perubahan lintasan tiap satuan waktu. Contoh: mobil bergerak maju dengan kecepatan 60 km/jam, maka ditulis = + 60 km/jam, atau bergerak mundur dengan kecepatan 60 km/jam, maka ditulis = – 60 km/jam.
I. Kelajuan sesaat dan Kecepatan sesaat.
Untuk selang waktu yang sangat kecil mendekati nol (), maka kecepatan rata-rata akan menjadi kecepatan sesaat. Kecepatan sesaat didefenisikan sebagai :
Lebih umum dinyatakan dengan notasi diferensial (derivatif, turunan)
(3)
Jadi, kecepatan sesaat adalah kelajuan sesaat beserta arah geraknya yaitu laju perubahan posisi terhadap waktu, atau diferensial posisi terhadap waktu. Besarnya kecepatan sesaat dinamakan juga kelajuan (speed). Kecepatan sesaat ini benar-benar menunjukkan keadaan gerak di sebuah titik (sifat lokal). Untuk selanjutnya kecepatan sesaat hanya akan disebut kecepatan saja.
II. Kelajuan rata-rata dan Kecepatan rata-rata
Laju rata-rata didefenisikan sebagai hasil bagi antara jarak total yang ditempuh dengan selang waktu untuk menempuhnya.
Laju rata-rata
(4)
Dengan : = laju rata-rata (m/s), s = jarak tempuh (m), dan t = waktu tempuh (s). Catatan : laju rata-rata termasuk besaran skalar (karena s dan t adalah besaran skalar).
Kecepatan rata-rata didefenisikan sebagai hasil bagi antara perpindahan dengan selang waktu untuk menempuhnya.
Kecepatan rata-rata
(5)
Dengan : ....= Kecepatan rata-rata (m/s), ....= Perpindahan (m), dan t = selag waktu (s). Catatan: Kecepatan ini disebut kecepatan rata-rata karena tidak menggambarkan kecepatan benda yang sesungguhnya, melainkan hanya kecepatan rata-rata selama selang waktu tersebut. Kecepatan rata-rata termasuk besaran vektor (karena perpindahan adalah besaran vektor).
Percepatan
Benda yang bergerak dengan kecepatan berubah disebut mengalami percepatan. Percepatan adalah ukuran cepat lambatnya perubahan kecepatan.
Percepatan rata-rata didefenisikan sebagai perbandingan antara perubahan vektor kecepatan terhadap selang waktu yang dipakai untuk perubahan tersebut.
(6)
Percepatan sesaat di suatu titik didefenisikan sebagai laju perubahan (diferensial) kecepatan yang berlangsung dalam selang waktu yang sangat singkat (), atau limit percepatan rata-rata untuk selang waktu yang sangat kecil.
(7)
Hukum-hukum gerak
Dalam hukum-hukum gerak akan dibahas mengenai gerak suatu benda dengan sistem-sistem tertentu dengan menganalisa gaya-gaya yang berpengaruh/penyebab suatu benda atau sistem-sistem yang diam atau bergerak.
Gaya yang merupakan besaran vektor, dapat dianggap sebagai dorongan atau tarikan. Hukum II Newton, gaya didefinisikan sebagai aksi yang bisa meninmbulkan percepatan. Gaya total pada sebuah benda adalah jumlah vektor dari semua gaya yang bekerja pada benda tersebut.
Kecendrungan benda untuk menolak perubahan gerak disebut inersia. Hukum I Newton (hukum inersia), yakni jika gaya total pada sebuah benda nol, maka benda akan diam atau bergerak dengan kecepatan tetap. Hukum II Newton, yakni percepatan benda berbanding lurus dengan gaya total yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya (.....). Hukum III Newton, yakni jika sebuah benda memberikan gaya pada benda kedua, benda kedua tersebut selalu memberikan gaya ke benda pertama yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan (.....).
Konsep gaya dapat didefinisikan secara operasional. Dalam bahasa sehari-hari gaya sering diartikan sebagai dorongan atau tarikan, terutama yang dilakukan oleh otot-otot manusia. Dalam fisika gaya perlu mendefinisikannya secara lebih terperinci dan tepat. Dimana gaya dinyatakan dalam percepatan yang dialami oleh suatu benda standar bila diletakkan dalam lingkungan tertentu yang sesuai. Jadi, hukum-hukum tentang gerak dapat dijabarkan dari :
1. Hukum I Newton.
2. Hukum II Newton.
3. Hukum III Newton
.
