I. Latar belakang
Bangsa Yunani sejak zaman dahulu telah meyakini bahwa tarikan atau dorongan yang disebut gaya adalah sesuatu yang menyebabkan sebuah benda bergerak, dan tanpa adanya gaya sebuah benda yang sedang bergerak akan segera berhenti. Sebuah benda yang sedang diam, yang berarti bahwa bila tidak ada gaya yang bekerja padanya maka benda tersebut akan terus diam. Tampaknya, pandangan bangsa Yunani ini beralasan, tetapi akan kita ketahui nanti bahwa ternyata pandangan tersebut tidak tepat.
Menurut "Prinsip Inersia" yang diusulkan Galileo, sebuah benda yang sedang bergerak pada permukaan horizontal yang licin sempurna (tanpa gesekan) akan tetap terus bergerak dengan kelajuan sempurna. Berdasarkan pada pendapat Galileo tersebut, pada tahun 1678 Isaac Newton menyatakan Hukum pertamanya tentang gerak, yang sekarang kita kenal sebagai Hukum Newton I. Kemudian ia pun mengemukakan Hukum II dan Hukum III Newton. Sebuah benda yang mula-mula diam akan dapat bergerak jika mendapat suatu pengaruh atau interaksi yang bekerja pada benda tersebut (Halliday, 1996).
Dalam percobaan kali ini kita akan menyelidiki apakah Hukum Newton tersebut dapat diaplikasikan terhadap alat peraga berupa pesawat atwood. Pesawat atwood merupakan alat eksperimen yang sering digunakan untuk mengamati hukum mekanika pada gerak yang dipercepat secara beraturan. Sederhananya pesawat atwood tersusun atas 2 benda yang terhubung dengan seutas kawat/tali. Bila kedua benda massanya sama, keduanya akan diam. Tetapi bila salah satu lebih besar (misal m1 > m2). Maka benda akan bergerak ke arah m1 dengan dipercepat. Dari penjelasan ini maka pembahasan secara khusus tentang pesawat atwood dibahas dengan dilakukannya praktikum ini, dalam rangka untuk menyelidiki prinsip-prinsip apa saja yang bekerja pada pesawat atwood.
II. Tujuan Percobaan
- Membuktikan Hukum-hukum Newton melalui sistem katrol.
- Menentukan percepatan gravitasi dan kecepatan serta memahami konsep gerak lurus beraturan dan gerak lurus berubah beraturan pada pesawat Atwood.
III. Dasar Teori
Hukum I Newton menyatakan "Sebuah benda akan berada dalam keadaan diam atau bergerak lurus beraturan apabila resultan gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol". Secara matematis Hukum I Newton dinyatakan dengan persamaan:
| (1) |
|---|
Hukum di atas menyatakan bahwa jika suatu benda mula-mula diam maka benda selamanya akan diam. Benda hanya akan bergerak jika pada suatu benda diberi gaya luar. Sebaliknya, jika benda sedang bergerak maka benda selamanya akan bergerak, kecuali bila ada gaya yang menghentikannya. Konsep gaya dan massa yang dijelaskan oleh Hukum Newton I mengungkap tentang sifat benda yang cenderung mempertahankan keadaannya. Sifat ini sering disebut sebagai “Hukum kelembaman” (Kanginan, 1995).
Hukum II Newton menyatakan bahwa percepatan dari sistem sebanding dengan gaya yang bekerja pada sistem itu:
| (2) |
|---|
Kesimpulan dari persamaan di atas yaitu arah percepatan benda sama dengan arah gaya yang bekerja pada benda tersebut. Jadi bila gayanya konstan maka percepatan yang timbul juga akan konstan. Bila pada benda bekerja gaya, maka benda akan mengalami percepatan, sebaliknya bila kenyataan dari pengamatan benda mengalami percepatan maka tentu akan ada gaya yang menyebabkannya. Untuk sebuah katrol dengan beban-beban akan berlaku:
| (3) |
|---|
Momen inersia (I) adalah ketika sebuah benda dapat bergerak melingkar melalui porosnya, harganya sebanding dengan massa benda terhadap porosnya (I ∼ m), dimana harga tersebut adalah harga yang tetap (Ganijanti, 2014).
Gerak lurus dapat dikelompokkan menjadi gerak lurus berubah beraturan dan gerak lurus beraturan yang dibedakan dengan ada dan tidaknya percepatan. Gerak lurus beraturan (GLB) adalah gerak lurus suatu objek, dimana dalam gerak ini kecepatannya tetap atau tanpa percepatan, sehingga jarak yang ditempuh dalam gerak lurus beraturan adalah kelajuan dikali waktu:
| (4) |
|---|
Sementara itu, gerak lurus berubah beraturan (GLBB) adalah gerak lurus suatu objek, dimana kecepatannya berubah terhadap waktu akibat adanya percepatan yang tetap. Pada umumnya GLBB didasari oleh Hukum Newton II (Σ F = m · a) (Serway, 2014).
Gerak melingkar atau gerak rotasi merupakan gerak melingkar suatu benda pada porosnya pada suatu lintasan melingkar. Bila sebuah benda mengalami gerak rotasi melalui porosnya, ternyata pada gerak ini akan berlaku persamaan gerak yang ekuivalen dengan persamaan gerak linier. Momen Inersia pada gerak rotasi bisa dianalogikan dengan massa pada gerak translasi. Sedangkan gaya pada gerak translasi dapat dianalogikan dengan momen gaya pada gerak translasi:
| (5) |
|---|
Jika gaya menyebabkan timbulnya percepatan pada gerak translasi maka momen gaya itulah yang menyebabkan timbulnya percepatan sudut pada gerak rotasi (Giancoli, 1997).
Pesawat atwood adalah alat yang digunakan untuk menjelaskan hubungan antara tegangan, energi potensial, dan energi kinetik dengan menggunakan 2 pemberat (massa berbeda) yang dihubungkan dengan tali pada sebuah katrol. Benda yang lebih berat diletakkan lebih tinggi posisinya dibanding yang lebih ringan. Jadi benda yang berat akan turun karena gravitasi dan menarik benda yang lebih ringan karena ada tali dan katrol (Sutrisno, 1977).
IV. Metodologi Percobaan
4.1 Alat dan Bahan
- Katrol tetap berfungsi sebagai pengubah arah gaya tarik dari menarik ke atas menjadi menarik ke bawah (1 buah).
- Tali katrol berfungsi sebagai pengait kedua objek benda (penghubung) yang diletakkan pada katrol (1 buah).
- Mistar berfungsi sebagai alat pengukur suatu objek dengan suatu besaran skalar (1 buah).
- Neraca berfungsi sebagai alat pengukur massa dari suatu benda dengan memanfaatkan prinsip keseimbangan (1 buah).
- Stopwatch digital berfungsi sebagai alat pengukur waktu (1 buah).
- Beban berfungsi sebagai bahan percobaan (6 buah).
- Seperangkat alat atwood berfungsi sebagai tempat dari alat-alat atwood dipasang (1 set).
4.2 Gambar Alat
4.3 Langkah Kerja
4.3.1 Prosedur percobaan gerak AB (GLBB)
4.3.2 Prosedur percobaan gerak BC (GLB)
4.4 Metode Grafik
4.4.1 Grafik 1
4.4.2 Grafik 2
V. Data dan Analisa
5.1 Data Percobaan
5.2 Analisa Data
Pada percobaan sistem pesawat atwood kali ini menerapkan prinsip-prinsip dari Hukum Newton, gerak lurus beraturan, gerak lurus berubah beraturan, dan momen inersia. Dengan memanfaatkan sistem pesawat atwood ini didapatkan suatu nilai dari gravitasi dan gaya gesek secara perhitungan manual dan secara grafik. Melalui pesawat atwood ini juga kita dapat mengetahui nilai dari kecepatan, percepatan, dan momen inersia dari suatu benda. Dilakukan 2 percobaan, percobaan 1 menggunakan prinsip gerak lurus berubah beraturan dengan menghitung waktu pada jarak yang ditentukan dan variasi beban. Percobaan 1 ini dimanfaatkan untuk menentukan nilai dari gravitasi secara grafik maupun perhitungan manual dengan mengabaikan berat dari tali dan gesekan dari katrol. Percobaan 2 dilakukan menggunakan prinsip dari gerak lurus beraturan dengan menghitung waktu pada massa yang telah ditentukan dan variasi jarak. Percobaan 2 dimanfaatkan untuk menentukan nilai dari gaya gesek pada sistem pesawat atwood. Data dari waktu dan variasi massa pada percobaan 1 dimasukkan ke dalam persamaan:
| (6) |
|---|
dengan nilai I/R2 adalah sebesar 2,69 × 10-2 kg. AB adalah jarak dari A ke titik B sebesar 31,5 × 10-2 m. tAB adalah waktu yang diperlukan benda dari titik A ke B. Persamaan ini digunakan untuk menentukan nilai dari gravitasi secara manual. Dapat juga dari persamaan (6) ditentukan nilai dari gravitasi secara grafik dengan persamaan linier garis y = m · x. Grafik dari hasil percobaan gerak AB (GLBB) dapat dilihat pada grafik di bawah ini:
didapatkan nilai dari gradien sebesar mt = (0,0758 ± 0,0280). Nilai dari gradien ini lalu dimasukkan ke dalam persamaan garis dan didapatkan nilai gravitasi dari metode grafik sebesar 7,61 m/s2. Sedangkan dalam perhitungan secara manual menggunakan persamaan (6) didapatkan nilai dari gravitasi sebesar 9,03 m/s2. Menurut literatur dari Fisika Jilid 1 karya Douglas C Giancoli nilai dari gravitasi adalah sebesar 9,8 m/s2. Perbedaan data dari nilai gravitasi ini disebabkan oleh beberapa hal diantaranya karena kurangnya ketelitian pada saat pengukuran, saat melakukan perhitungan, pengambilan data, pembuatan grafik, dan lain lain yang mengakibatkan data yang diperoleh menjadi kurang akurat. Dapat disimpulkan juga bahwa perhitungan gravitasi secara manual memperoleh hasil yang lebih akurat daripada perhitungan gravitasi secara grafik, hal ini disebabkan karena pada perhitungan gravitasi secara grafik sulit menemukan titik-titik yang sesuai dengan data-data lainnya, sehingga sulit mencapai keakuratan.
Pada percobaan 2 yang mana dalam percobaan ini adalah pada gerak BC (GLB) dibuat variasi jarak SBC pada waktu tertentu. Dengan memanfaatkan Hukum Newton I yang menyatakan bahwa benda diam akan cenderung diam dan benda yang bergerak akan tetap bergerak selama tidak ada gaya luar yang mempengaruhinya. Jadi dengan memanfaatkan Hukum I Newton ini pada saat beban m diletakkan di atas benda M1 yang mengakibatkan benda dan beban menjadi turun ke bawah ketika beban tersangkut pada alat atwood, disaat ini juga lah benda M1 mendapatkan Hukum Newton I atau bisa dikatakan memiliki kecepatan yang hampir konstan (karena masih ada gaya gesek yang sangat kecil pada katrol). Data dari waktu dan variasi jarak pada percobaan ini dimasukkan ke dalam persamaan:
| (7) |
|---|
dengan nilai I/R2 adalah sebesar 2,69 × 10-2 kg. BC adalah jarak dari titik B ke titik C dengan variasi jarak yang berbeda. tBC adalah waktu yang diperlukan benda dari titik B ke C. Persamaan (7) digunakan untuk menentukan nilai dari gaya gesek secara manual. Dapat juga dari persamaan (7) ditentukan nilai dari gaya gesek secara grafik dengan acuan persamaan linier garis y = m · x. Grafik dari hasil percobaan gerak BC (GLB) dapat dilihat dari grafik di bawah ini:
didapatkan nilai gradien sebesar mt = (8,8326 ± 2,0000). Nilai dari gradien ini lalu dimasukkan ke dalam persamaan garis dan didapatkan nilai gaya gesek dari metode grafik sebesar 0,0528 N. Sedangkan dalam perhitungan secara manual menggunakan persamaan (7) didapatkan nilai dari gaya gesek rata-rata sebesar 0,0883 N. Perbedaan dari data gaya gesek perhitungan secara manual dan grafik ini disebabkan oleh beberapa hal diantaranya adalah karena kurangnya ketelitian pada saat pengukuran, pembuatan grafik, pengambilan data, dan lain-lain sehingga terdapat perbedaan hasil pada nilai dari gaya gesek.
Percobaan pesawat atwood ini telah membuktikan Hukum-hukum Newton, Hukum I Newton telah dibuktikan pada percobaan 2 yaitu tentang gerak lurus beraturan karena setelah beban tersangkut pada alat atwood, benda M1 memiliki kecepatan yang hampir konstan (karena ada gaya gesek pada katrol). Hukum II Newton juga telah dibuktikan pada percobaan 1 yaitu tentang gerak lurus berubah beraturan karena saat benda diberi beban m benda mengalami perubahan kecepatan sehingga menimbulkan percepatan. Hukum III Newton juga dengan adanya tegangan tali dengan gaya berat (Aksi-Reaksi). Meskipun telah berumur lebih dari 4 abad sejak pertama kali menyatakan hukumnya, hukum-hukum ini masih terbukti valid sampai sekarang.
Gerakan pada tali dapat dipercepat apabila di salah satu tali diberi beban lebih berat dibanding dengan tali yang satunya. Gerakan kecepatan akan tetap apabila benda yang digantung di antara kedua tali tersebut memiliki berat yang sama. Semakin berat beban yang digantung di salah satu tali maka semakin cepat pula gerakan tali yang akan turun, dan sebaliknya jika kedua ujung tali tersebut diberi beban yang sama atau sedikit berbeda maka gerakannya tidak akan dipercepat.
Pesawat atwood ini membantu kita dalam kehidupan sehari-hari karena sistem ini mengubah gaya yang langsung menarik dari bawah menjadi gaya tarik ke atas. Sehingga gaya yang timbul akibat dari percepatan gravitasi bumi bisa diperkecil. Contoh pengaplikasian pesawat atwood dalam kehidupan sehari-hari adalah penarikan bendera, saat menimba air di sumur, dalam produksi suatu industri, dan lain-lain.
VI. Kesimpulan
- Pesawat atwood merupakan alat yang dapat dijadikan sebagai aplikasi atau sebagai alat yang dapat membantu dalam membuktikan hukum-hukum Newton ataupun gejala-gejala lainnya. Melalui pesawat atwood ini kita dapat mengetahui nilai kecepatan, percepatan, gaya gesek gravitasi, dan momen inersia dari suatu benda. Pada pesawat atwood semakin berat beban yang digantung di salah satu tali maka semakin cepat pula gerakan tali yang akan turun, dan sebaliknya jika kedua ujung tali tersebut diberi beban yang sama atau sedikit berbeda maka gerakannya akan dipercepat.
- Dalam percobaan kali ini didapatkan nilai dari gravitasi dan gaya gesek. Perhitungan yang akurat dan ketelitian yang tinggilah yang dapat mengurangi nilai ketidakpastian karena angka-angka ini masih jauh berbeda dari literatur. Berikut ini adalah nilainya:
- Nilai dari gravitasi
manual:g = 9,03 m/s2grafik:g = 7,61 m/s2 - Nilai dari gaya gesek
manual:fgesek = 0,0883 Ngrafik:fgesek = 0,0528 N
VII. Daftar Pustaka
- Ganijanti, A., 2014. Seri Fisika Dasar Mekanika. Jakarta: Salemba Teknika.
- Giancoli, D.C., 1997. Fisika Jilid I. Jakarta: Erlangga.
- Halliday, D. dkk., 1996. Fisika Dasar Edisi ke 5 Jilid I. Jakarta: Erlangga.
- Kanginan, M., 1995. Fisika Jilid I. Jakarta: Erlangga.
- Serway, R.A., 2014. Fisika untuk Sains dan Teknik. Jakarta: Salemba Teknika.
- Sutrisno, S., 1977. Fisika Dasar. Jakarta: Erlangga.
