Hukum I Newton

Seorang pemain hoki es meluncurkan keping hoki di atas es yang baru dirapikan. Keping itu meluncur, melintasi hampir seluruh lapangan, dan hanya sedikit melambat, walaupun sudah tidak ada yang mendorongnya. Jika es benar-benar licin dan lapangannya tak terhingga, keping itu akan meluncur selamanya, sama cepat dan sama lurus. Inilah inti hukum I Newton, yang disebut juga hukum kelembaman.

Hukum kelembaman

Isaac Newton merumuskannya pada tahun 1687 kira-kira seperti ini:

Setiap benda akan tetap diam atau bergerak lurus beraturan, kecuali jika dipaksa oleh gaya-gaya luar untuk mengubah keadaannya.

Hal ini tidak berarti bahwa tidak boleh ada gaya yang bekerja pada benda. Cukup jika resultan semua gaya yang bekerja padanya bernilai nol. Keping hoki di atas es ditarik Bumi ke bawah, dan es menekannya ke atas dengan gaya yang sama besar. Gesekan di atas es begitu kecil sehingga hampir tidak terasa. Jadi, gaya-gayanya praktis seimbang, dan keping hoki berperilaku seolah-olah tidak ada yang bekerja padanya. Secara singkat:

$$\overrightarrow{F}=\overrightarrow{0}\Rightarrow \mathrm{\Delta }\overrightarrow{v}=\overrightarrow{0}$$

Jika resultan $\overrightarrow{F}$ bernilai nol, kecepatan $\overrightarrow{v}$ tidak berubah. Besarnya tidak berubah, sehingga benda tidak bertambah cepat ataupun melambat, dan arahnya juga tidak berubah, sehingga benda tidak berbelok. Diam hanyalah kasus khusus ketika kecepatannya tetap nol. Buku yang tergeletak tetap tergeletak, keping hoki yang meluncur terus meluncur.

Hal ini juga berlaku sebaliknya: jika benda diam atau bergerak lurus beraturan, resultan gaya yang bekerja padanya nol. Jika kecepatan benda berubah, baik besarnya maupun arahnya, resultannya tidak nol.

Kemampuan benda untuk mempertahankan kecepatannya disebut kelembaman (inersia). Setiap benda memilikinya: batu, keping hoki, bus, dan juga kamu.

Lalu, mengapa benda-benda berhenti?

Namun, pengalaman sehari-hari tampaknya mengatakan sebaliknya. Jika kamu berhenti mengayuh, sepeda berhenti setelah beberapa saat. Bola yang menggelinding di rumput juga berhenti. Filsuf Yunani Aristoteles pada abad ke-4 sebelum Masehi mengajarkan bahwa keadaan alami benda-benda di bumi adalah diam. Agar sesuatu terus bergerak, harus ada yang terus mendorongnya, dan begitu dorongan berhenti, benda itu akan berhenti dengan sendirinya. Kedengarannya masuk akal, dan orang memercayainya selama hampir dua ribu tahun. Jika kamu juga pernah berpikir begitu, kamu tidak sendirian. Kenyataannya tidak demikian.

Galileo Galilei memecahkan persoalan ini pada abad ke-17 dengan percobaan pikiran menggunakan dua lereng.

Bola kecil yang dilepaskan dari lereng kiri menggelinding turun dan pada lereng di seberangnya naik sampai setinggi tempat ia dilepaskan, yang ditandai garis putus-putus abu-abu. Di sana bola berhenti sesaat. Makin landai lereng kanan, makin jauh lintasan yang ditempuh bola sebelum mencapai ketinggian itu. Pada lereng biru yang curam hanya sedikit, pada lereng hijau yang landai jauh lebih jauh dan lebih lama. Bagaimana jika lereng kanan sama sekali tidak naik, seperti lintasan mendatar merah? Maka bola tidak akan pernah mencapai ketinggian start, sehingga terus menggelinding dengan kelajuan yang sama sampai keluar dari gambar.

Bola sungguhan hanya naik hampir setinggi titik start dan akhirnya berhenti di lintasan mendatar. Bola itu diperlambat oleh gesekan dan hambatan udara, yaitu gaya-gaya yang bekerja melawan gerak. Gaya-gaya inilah yang menghentikan sepeda maupun bola di rumput. Benda tidak pernah berhenti dengan sendirinya, selalu ada gaya yang memperlambatnya. Di atas es, gesekannya kecil, sehingga keping hoki meluncur begitu jauh.

Ada juga kesalahpahaman populer lain yang berkaitan dengan hal ini. Jika kamu melempar bola, mudah sekali berpikir bahwa bola terus melayang karena di dalamnya masih tersimpan gaya dari tangan, yang kemudian “habis” di perjalanan. Tidak ada gaya seperti itu di dalam bola. Tangan hanya memberikan gaya pada bola sampai saat kamu melepaskannya. Setelah itu, yang bekerja padanya hanya Bumi dan hambatan udara, dan tidak ada yang mendorongnya ke depan. Bola bergerak ke depan karena kelembaman. Gaya diperlukan untuk mengubah kecepatan, bukan untuk bergerak.

Bus mulai bergerak

Kamu berdiri di dalam bus tanpa berpegangan, dan bus tiba-tiba mulai melaju. Tubuhmu tersentak ke belakang. Seolah-olah ada sesuatu yang menarikmu ke belakang, padahal tidak ada gaya yang bekerja padamu ke arah belakang. Lantai mulai bergerak dan membawa kakimu, karena sepatumu menempel padanya. Bagian tubuh lainnya tidak dipaksa oleh apa pun untuk mengubah geraknya, sehingga menurut hukum kelembaman tetap diam terhadap jalan. Kaki bergerak ke depan, tubuh tertinggal, dan kamu condong ke belakang.

Begitu bus melaju dengan kelajuan tetap di jalan yang lurus, kamu dapat berdiri dengan tenang di dalamnya tanpa berpegangan. Kecepatanmu sama dengan kecepatan bus, dan tidak ada yang perlu mengubahnya.

Karena alasan yang sama, di dalam mobil yang tiba-tiba bertambah cepat, jok menekan punggungmu. Tekanan itu adalah gaya yang membuatmu ikut bergerak bersama mobil. Tanpa gaya itu, kamu akan tetap diam dan mobil akan meninggalkanmu.

Bus mengerem

Mengerem adalah kebalikannya. Bus melambat, tetapi kamu terus bergerak dengan kecepatan yang sama, sampai ada sesuatu yang menghentikanmu. Jadi, terhadap bus kamu bergeser ke depan.

Berapa waktu yang kamu miliki? Sebuah bus antarkota mengerem mendadak dengan perlambatan $|a|=5{\mathrm{m}/\mathrm{s}}^2$. Sandaran kursi di depan seorang penumpang yang tidak memakai sabuk pengaman berjarak 0,4 m. Gesekan dengan kursi sedikit memperlambatnya, tetapi pada pengereman mendadak tidak cukup, sehingga kita abaikan.

Kita menghitung dalam kerangka acuan yang terikat pada jalan. Pada saat pengemudi menginjak rem, bus dan penumpang bergerak dengan kecepatan yang sama, v₀. Penumpang terus bergerak beraturan dan dalam waktu t menempuh

$$s_1=v_0\cdot t.$$

Bus mengerem, geraknya adalah gerak lurus berubah beraturan dengan percepatan negatif, dan menempuh jarak yang lebih pendek:

$$s_2=v_0\cdot t-\frac{1}{2}\cdot |a|\cdot t^2$$

Selisih kedua jarak menyatakan seberapa jauh penumpang bergeser terhadap bus. Selisih itu kita sebut x:

$$x=s_1-s_2=\frac{1}{2}\cdot |a|\cdot t^2$$

Kecepatan awalnya saling menghilangkan, sehingga seberapa cepat bus melaju sama sekali tidak berpengaruh. Kita nyatakan waktunya:

$$t=\sqrt{\frac{2\cdot x}{|a|}}$$

Kita substitusikan:

$$\begin{array}{rl}t& =\sqrt{\frac{2\cdot 0,4\mathrm{m}}{5{\mathrm{m}/\mathrm{s}}^2}}\\ & =\sqrt{0,16{\mathrm{s}}^2}=0,4\mathrm{s}\end{array}$$

Selama waktu itu, kelajuan bus berkurang $|a|\cdot t=5{\mathrm{m}/\mathrm{s}}^2\cdot 0,4\mathrm{s}=2\mathrm{m}/\mathrm{s}$, sedangkan kelajuan penumpang sama sekali tidak berkurang. Karena itu, ia menabrak sandaran kursi dengan kelajuan 2 m/s, yaitu sekitar 7 km/h, seperti menabrak tembok saat berjalan cepat. Semua itu terjadi dalam waktu kurang dari setengah sekon, sehingga tidak ada waktu untuk berpegangan.

Karena itulah bus antarkota dilengkapi sabuk pengaman.

Bus bergerak ke kanan dan sejak lampu rem merah menyala, bus melambat. Di bawah jalan, setiap selang waktu yang sama bertambah tanda: tanda oranye menunjukkan posisi penumpang, tanda biru posisi bagian depan bus. Tanda oranye mula-mula berjarak sama, karena penumpang tidak melambat. Jarak antartanda biru memendek selama pengereman. Karena itu, penumpang bergeser ke depan terhadap bus, sampai tertahan oleh sabuk hijau. Baru sabuk itulah yang memperlambatnya, dan selanjutnya ia bergerak bersama bus. Dalam animasi, sabuknya dibuat sangat longgar agar pergeserannya terlihat jelas.

Menarik taplak dari bawah piring

Trik yang terkenal: meja sudah ditata, pesulap menyentak taplak dengan cepat, dan piring-piring tetap berdiri di atas meja yang kini tanpa taplak. Piring hanya dapat terbawa oleh gesekan antara taplak dan piring. Jika taplak disentak cukup cepat, gesekan hanya bekerja sepersekian sekon, dan dalam waktu sesingkat itu piring hampir tidak bergerak. Kelembaman menahannya di tempat. Siapa yang menarik perlahan memberi gesekan cukup waktu, dan piring-piring ikut meluncur bersama taplak sampai ke lantai.

Cobalah sendiri, tetapi sebaiknya jangan dengan piring porselen kesayangan nenekmu. Letakkan selembar kartu pos di atas gelas, dan letakkan sebuah koin di atasnya. Lalu sentil kartu pos itu dengan cepat secara mendatar. Kartu pos terlempar, dan koin jatuh berdenting ke dalam gelas.

Sabuk pengaman dan sandaran kepala

Di dalam mobil berlaku hal yang sama seperti di bus yang mengerem, hanya semuanya jauh lebih mendadak. Ketika mobil menabrak rintangan, mobil berhenti dalam waktu sekitar sepersepuluh sekon. Namun, pengemudi yang tidak memakai sabuk pengaman terus bergerak dengan kelajuan yang dimiliki mobil sebelum tabrakan, dan baru dihentikan oleh setir atau kaca depan. Sabuk pengaman menahannya di kursi, sehingga ia berhenti bersama mobil, dan gaya yang menghentikannya disebarkan ke dada dan panggul.

Sandaran kepala melindungi saat ditabrak dari belakang. Bayangkan sebuah mobil lain menabrak mobilmu yang sedang berhenti, mobil dan kursi tiba-tiba terdorong ke depan, dan kursi membawa tubuhmu. Tidak ada yang mendorong kepalamu, sehingga kepala tetap di tempatnya. Tubuh bergerak meninggalkannya, dan leher tertekuk keras ke belakang. Sandaran kepala mendorong kepala ke depan bersama tubuh. Karena itu, sandaran kepala harus diatur cukup tinggi sehingga berada di belakang kepala, bukan di belakang leher.

Kerangka acuan inersial

Mari kita lihat penumpang yang tidak memakai sabuk pengaman dari sudut pandang penumpang di sebelahnya. Selama bus melaju dengan kelajuan tetap, penumpang itu duduk diam terhadapnya. Begitu bus mulai mengerem, penumpang itu terhadapnya mulai bergerak sendiri ke depan, dengan gerak lurus berubah beraturan, $x=\frac{1}{2}\cdot |a|\cdot t^2$. Jadi, dalam kerangka acuan yang terikat pada bus yang mengerem, hukum kelembaman tidak berlaku: penumpang mulai bergerak di dalamnya tanpa ada gaya baru yang mulai bekerja padanya.

Berlaku atau tidaknya hukum kelembaman dapat diketahui dengan sebuah uji. Letakkan bola kecil di lantai bus dan jangan ada yang menyentuhnya. Jika bola tetap diam, hukum itu berlaku di dalam bus. Jika bola menggelinding sendiri, hukum itu tidak berlaku, karena tidak ada yang mendorongnya secara mendatar. Dari jalan terlihat alasannya: bola mempertahankan kecepatannya, sedangkan bus di bawahnya melambat atau berbelok.

Kerangka acuan tempat hukum kelembaman berlaku disebut kerangka acuan inersial, dari bahasa Latin inertia, kelembaman.

Dua bus pertama terlihat sama persis dari dalam. Karena itu, di dalam kereta yang melaju mulus di rel yang lurus, dengan mata tertutup kamu tidak dapat mengetahui apakah kereta itu bergerak atau berhenti. Jadi, setiap kendaraan yang bergerak lurus dengan kelajuan tetap terhadap jalan adalah kerangka acuan inersial: bola di dalamnya tetap diam.

Jalan pun tidak benar-benar inersial: Bumi berotasi dan beredar mengelilingi Matahari. Namun, percepatan akibat rotasi paling besar hanya sekitar 0,034 m/s², sehingga Bumi akan kita anggap sebagai kerangka acuan inersial.

Hukum kelembaman menyatakan apa yang dilakukan benda yang resultan gayanya nol. Apa yang terjadi jika resultannya tidak nol, dan mengapa benda yang lebih besar massanya lebih sulit digerakkan, akan ditunjukkan dalam artikel berikutnya, Hukum II Newton.