Hukum Gerakan Newton Pertama

Seorang pemain hoki ais menghantar keping hoki di atas ais yang baru dilicinkan. Keping itu menggelongsor, melalui hampir seluruh gelanggang dan lajunya hanya berkurang sedikit, walaupun tiada sesiapa yang menolaknya lagi. Jika ais itu licin sempurna dan gelanggangnya tidak terhingga panjang, keping itu akan bergerak selama-lamanya dengan laju yang sama dan dalam arah yang sama. Inilah teras Hukum Gerakan Newton Pertama, yang juga dipanggil hukum inersia.

Hukum inersia

Isaac Newton merumuskannya pada tahun 1687 lebih kurang seperti berikut:

Sesuatu jasad akan kekal dalam keadaan pegun atau bergerak dengan halaju seragam pada garis lurus, kecuali jika dipaksa oleh daya luar untuk mengubah keadaan itu.

Hal ini tidak bermaksud tiada daya yang boleh bertindak pada jasad. Cukuplah daya paduan semua daya yang bertindak padanya sifar. Keping hoki di atas ais ditarik ke bawah oleh Bumi, dan ais menolaknya ke atas dengan daya yang sama besar. Geseran di atas ais begitu kecil sehingga kita hampir tidak menyedarinya. Oleh itu, daya-daya itu boleh dikatakan seimbang, dan keping itu berkelakuan seolah-olah tiada apa-apa yang bertindak padanya. Secara ringkas:

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

Jika daya paduan $\overrightarrow{F}$ sifar, halaju $\overrightarrow{v}$ tidak berubah. Magnitudnya tidak berubah, maka jasad tidak memecut atau menjadi perlahan, dan arahnya juga tidak berubah, maka jasad tidak membelok. Keadaan pegun hanyalah kes khas apabila halaju kekal sifar. Buku yang terletak di atas meja kekal di situ, dan keping hoki yang bergerak terus menggelongsor.

Hal ini juga berlaku sebaliknya: apabila jasad pegun atau bergerak dengan halaju seragam pada garis lurus, daya paduan yang bertindak padanya sifar. Dan apabila halaju jasad berubah, sama ada magnitud atau arahnya, daya paduan bukan sifar.

Kecenderungan jasad untuk mengekalkan halajunya ialah inersia. Setiap jasad mempunyai inersia: batu, keping hoki, bas dan anda sendiri.

Jadi, mengapa benda-benda berhenti?

Namun, pengalaman seharian menunjukkan sebaliknya. Anda berhenti mengayuh, dan basikal berhenti tidak lama kemudian. Bola yang bergolek di atas rumput juga berhenti. Ahli falsafah Yunani Aristotle pada abad ke-4 sebelum Masihi mengajar bahawa keadaan semula jadi bagi jasad di Bumi ialah pegun. Supaya sesuatu bergerak, sesuatu yang lain mesti menolaknya secara berterusan, dan sebaik sahaja tolakan itu berhenti, jasad itu akan berhenti dengan sendirinya. Kedengarannya munasabah, dan manusia mempercayainya selama hampir dua ribu tahun. Jika anda juga berfikir begitu, anda berada dalam kumpulan yang baik. Sebenarnya, keadaannya berbeza.

Galileo Galilei menyelesaikan persoalan ini pada abad ke-17 dengan eksperimen pemikiran menggunakan dua cerun.

Guli yang dilepaskan dari cerun kiri bergolek turun dan naik di cerun bertentangan hingga ketinggian asalnya, yang ditandakan dengan garis putus-putus kelabu. Di situ guli itu berhenti seketika. Semakin landai cerun kanan, semakin jauh perjalanan guli sebelum mencapai ketinggian itu. Di cerun biru yang curam hanya sedikit, di cerun hijau yang landai jauh lebih jauh dan lebih lama. Bagaimana pula jika cerun kanan tidak menaik langsung, seperti landasan mengufuk merah? Maka guli itu tidak akan pernah sampai ke ketinggian permulaan, dan oleh itu terus bergolek dengan laju yang sama hingga keluar dari rajah.

Guli sebenar hanya naik hampir ke ketinggian permulaan, dan di landasan mengufuk akhirnya berhenti. Guli itu diperlahankan oleh geseran dan rintangan udara, iaitu daya-daya yang bertindak menentang gerakan. Daya-daya inilah yang menghentikan basikal dan bola di atas rumput. Jasad tidak pernah berhenti dengan sendirinya, sentiasa ada daya yang memperlahankannya. Di atas ais, geseran kecil, sebab itulah keping hoki bergerak begitu jauh.

Berkaitan dengan hal ini terdapat satu lagi salah faham yang popular. Apabila anda membaling bola, anda mudah berfikir bahawa bola terus melayang kerana daya dari tangan masih tertinggal di dalamnya, dan daya itu “habis” di sepanjang perjalanan. Tiada daya seperti itu di dalam bola. Tangan hanya bertindak pada bola sehingga saat bola dilepaskan. Selepas itu, yang bertindak padanya hanyalah Bumi dan rintangan udara, dan tiada apa-apa yang menolaknya ke hadapan. Bola melayang ke hadapan kerana inersia. Daya diperlukan untuk mengubah halaju, bukan untuk bergerak.

Bas mula bergerak

Anda berdiri di dalam bas tanpa berpaut, dan bas mula bergerak secara mengejut. Badan anda tersentak ke belakang. Seolah-olah ada sesuatu yang menarik anda ke belakang, tetapi tiada apa-apa yang bertindak pada anda ke belakang. Lantai mula bergerak dan membawa kaki anda bersamanya kerana kasut anda melekat padanya. Tiada apa-apa yang memaksa bahagian lain badan anda untuk mengubah gerakan, maka mengikut hukum inersia, bahagian itu kekal pegun relatif kepada jalan. Kaki bergerak ke hadapan, badan tertinggal di belakang, dan anda tersandar ke belakang.

Sebaik sahaja bas mencapai laju yang malar dan bergerak di jalan yang lurus, anda dapat berdiri dengan tenang di dalamnya tanpa berpaut. Halaju anda sama dengan halaju bas, dan tiada apa-apa yang perlu mengubahnya.

Atas sebab yang sama, apabila kereta memecut secara mengejut, tempat duduk menekan belakang anda. Tekanan itu ialah daya yang menggerakkan anda bersama kereta. Tanpa daya itu, anda akan kekal di tempat yang sama dan kereta akan meninggalkan anda.

Bas membrek

Membrek ialah keadaan yang bertentangan. Bas menjadi perlahan, tetapi anda terus bergerak dengan laju yang sama sehingga ada sesuatu yang menghentikan anda. Jadi, relatif kepada bas, anda bergerak ke hadapan.

Berapa banyakkah masa yang anda ada? Sebuah bas ekspres membrek dengan kuat dengan nyahpecutan $|a|=5{\mathrm{m}/\mathrm{s}}^2$. Seorang penumpang yang tidak memakai tali pinggang keledar mempunyai penyandar tempat duduk di hadapannya pada jarak 0.4 m. Geseran dengan tempat duduk sedikit memperlahankannya, tetapi tidak mencukupi semasa membrek kecemasan, maka kita abaikan geseran itu.

Kita mengira dalam kerangka rujukan yang terikat pada jalan. Pada saat pemandu menekan brek, bas dan penumpang bergerak dengan laju yang sama v₀. Penumpang itu terus bergerak secara seragam dan dalam masa t melalui

$$s_1=v_0\cdot t.$$

Bas membrek, iaitu bas melakukan gerakan dengan pecutan seragam dengan pecutan negatif, dan melalui jarak yang lebih pendek:

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

Beza jarak menyatakan sejauh mana penumpang beralih relatif kepada bas. Jarak ini kita tandakan x:

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

Laju awal terbatal semasa ditolak, maka laju bas tidak penting langsung. Kita ungkapkan masa:

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

Kita gantikan nilainya:

$$\begin{array}{rl}t& =\sqrt{\frac{2\cdot 0.4\mathrm{m}}{5{\mathrm{m}/\mathrm{s}}^2}}\\ & =\sqrt{0.16{\mathrm{s}}^2}=0.4\mathrm{s}\end{array}$$

Dalam masa itu, laju bas berkurang sebanyak $|a|\cdot t=5{\mathrm{m}/\mathrm{s}}^2\cdot 0.4\mathrm{s}=2\mathrm{m}/\mathrm{s}$, manakala laju penumpang tidak berkurang langsung. Oleh itu, penumpang menghentam penyandar dengan laju 2 m/s, iaitu kira-kira 7 km/h, seolah-olah anda berjalan laju dan terlanggar dinding. Semua ini berlaku dalam masa kurang daripada setengah saat, maka tiada masa untuk berpaut.

Sebab itulah bas ekspres dilengkapi tali pinggang keledar.

Bas bergerak ke kanan dan menjadi perlahan mulai saat lampu brek merah menyala. Di bawah jalan, tanda-tanda bertambah selepas selang masa yang sama panjang: tanda jingga menunjukkan kedudukan penumpang, dan tanda biru kedudukan bahagian hadapan bas. Pada mulanya, tanda jingga sama jarak antara satu sama lain kerana laju penumpang tidak berkurang. Jarak antara tanda biru semakin pendek semasa bas membrek. Oleh itu, penumpang beralih ke hadapan relatif kepada bas sehingga dia tertahan pada tali pinggang hijau. Barulah tali pinggang memperlahankannya, dan selepas itu dia bergerak bersama bas. Dalam animasi, tali pinggang itu sangat longgar supaya peralihan dapat dilihat dengan jelas.

Menarik alas meja dari bawah pinggan mangkuk

Satu helah yang terkenal: meja sudah dihias, seorang ahli silap mata menarik alas meja dengan sekali sentap, dan pinggan mangkuk kekal di atas permukaan meja yang kosong. Hanya geseran antara alas meja dengan pinggan yang boleh membawa pinggan bersamanya. Jika alas meja disentap cukup cepat, geseran hanya bertindak selama sebahagian kecil saat, dan dalam masa sesingkat itu pinggan hampir tidak digerakkan. Inersia mengekalkan pinggan di tempatnya. Sesiapa yang menarik perlahan-lahan memberikan geseran cukup masa, dan pinggan mangkuk akan tergelincir bersama alas meja hingga ke lantai.

Cubalah, tetapi jangan dengan pinggan mangkuk kesayangan nenek. Letakkan sekeping poskad di atas sebiji gelas dan sekeping syiling di atas poskad itu. Kemudian, jentik poskad itu dengan kuat secara mengufuk. Poskad tercampak, dan syiling berdenting jatuh ke dalam gelas.

Tali pinggang keledar dan penyokong kepala

Di dalam kereta, hal yang sama berlaku seperti di dalam bas yang membrek, cuma semuanya jauh lebih mendadak. Apabila kereta melanggar halangan, kereta itu berhenti dalam masa lebih kurang satu per sepuluh saat. Namun, pemandu yang tidak memakai tali pinggang keledar terus bergerak dengan laju kereta sebelum perlanggaran, dan hanya stereng atau cermin depan yang menghentikannya. Tali pinggang keledar menahannya pada tempat duduk, maka dia berhenti bersama kereta, dan daya yang menghentikannya diagihkan ke dada dan pinggul.

Penyokong kepala melindungi semasa perlanggaran dari belakang. Bayangkan sebuah kereta lain merempuh kereta yang sedang berhenti, kereta dan tempat duduk tersentak ke hadapan, dan tempat duduk membawa badan anda bersamanya. Tiada apa-apa yang menolak kepala, maka kepala kekal di tempatnya. Badan bergerak meninggalkannya, dan leher terlentur ke belakang dengan mendadak. Penyokong kepala menolak kepala ke hadapan bersama badan. Oleh itu, penyokong kepala mesti dilaraskan cukup tinggi supaya berada di belakang kepala, bukan di belakang leher.

Kerangka rujukan inersia

Mari kita lihat penumpang yang tidak memakai tali pinggang keledar melalui mata penumpang di sebelahnya. Selagi bas bergerak dengan laju malar, penumpang itu duduk pegun relatif kepadanya. Sebaik sahaja bas mula membrek, penumpang itu mula bergerak ke hadapan dengan sendirinya relatif kepadanya, malah dengan pecutan seragam, $x=\frac{1}{2}\cdot |a|\cdot t^2$. Jadi, dalam kerangka rujukan yang terikat pada bas yang membrek, hukum inersia tidak berlaku: penumpang itu mula bergerak tanpa sebarang daya baharu bertindak padanya.

Sama ada hukum inersia berlaku dapat ditunjukkan oleh satu ujian. Letakkan sebiji bola kecil di atas lantai bas dan jangan biarkan sesiapa menolaknya. Jika bola itu kekal di tempatnya, hukum itu berlaku di dalam bas. Jika bola itu bergolek dengan sendirinya, hukum itu tidak berlaku, kerana tiada apa-apa yang menolaknya secara mengufuk. Dari jalan, sebabnya jelas kelihatan: bola itu mengekalkan halajunya, manakala bas di bawahnya menjadi perlahan atau membelok.

Kerangka rujukan yang hukum inersia berlaku di dalamnya dipanggil kerangka rujukan inersia, daripada perkataan Latin inertia, iaitu inersia.

Dua buah bas yang pertama kelihatan sama sahaja dari dalam. Oleh itu, di dalam kereta api yang bergerak dengan lancar di landasan yang lurus, anda tidak dapat mengetahui dengan mata tertutup sama ada kereta api itu bergerak atau berhenti. Jadi, setiap kenderaan yang bergerak lurus dengan laju malar relatif kepada jalan ialah kerangka rujukan inersia: bola di dalamnya kekal di tempatnya.

Jalan pun tidak benar-benar merupakan kerangka inersia: Bumi berputar dan mengorbit Matahari. Namun, pecutan akibat putaran itu paling tinggi kira-kira 0.034 m/s², maka kita akan menganggap Bumi sebagai kerangka inersia.

Hukum inersia menyatakan apa yang dilakukan oleh jasad apabila daya paduan yang bertindak padanya sifar. Apakah yang berlaku apabila daya paduan bukan sifar, dan mengapa jasad yang lebih besar jisimnya lebih sukar digerakkan, akan ditunjukkan dalam artikel seterusnya, Hukum Gerakan Newton Kedua.