Isaac Newton tidak hanya menulis persamaan. Dia memberi kita buku peraturan tentang bagaimana alam semesta sebenarnya bergerak. Sebelum tahun 1687, ketika ia menerbitkan Principia, fisika dipenuhi dengan ide-ide yang saling bertentangan. Newton membersihkannya. Dia memaparkan tiga aturan yang masih mengatur setiap benda bermassa, mulai dari cangkir kopi yang meluncur dari meja hingga planet yang mengorbit bintang. Ini adalah hukum gerak, dan merupakan landasan mekanika klasik.
Anda tidak memerlukan gelar fisika untuk memahami yang pertama. Itu yang paling berlawanan dengan intuisi.
Mengapa benda terus bergerak (atau diam)
Hukum pertama Newton sering disebut hukum inersia. Dinyatakan bahwa benda yang diam akan tetap diam, dan benda yang bergerak akan tetap bergerak dengan kecepatan dan arah yang sama kecuali ada gaya yang tidak seimbang yang bekerja pada benda tersebut.
Pikirkan tentang keping hoki di atas es. Jika Anda menamparnya, ia akan meluncur dalam waktu yang lama. Ia tidak berhenti karena “ingin”. Ia berhenti karena gesekan, suatu gaya luar, melawan geraknya. Dalam ruang hampa sempurna, tanpa gesekan, keping itu akan meluncur selamanya. Itu adalah inersia. Ini adalah kecenderungan materi untuk menolak perubahan keadaan geraknya.
Konsep ini memecah intuisi kita sehari-hari. Kita hidup di dunia yang penuh gesekan. Pintu tertutup. Mobil berhenti. Bola-bola menggelinding hingga terhenti. Jadi kami berasumsi berhenti adalah keadaan alamiah. Newton membalik itu. Gerakan sama alaminya dengan keheningan. Anda tidak memerlukan kekuatan untuk membuat sesuatu tetap bergerak. Anda hanya memerlukan kekuatan untuk mengubah cara bergeraknya.
Artinya bagi kehidupan sehari-hari
Ini bukan hanya teori abstrak. Itu sebabnya Anda terhuyung ke depan ketika mobil mengerem tiba-tiba. Tubuh Anda ingin tetap bergerak dengan kecepatan mobil sebelumnya. Sabuk pengaman memberikan kekuatan tidak seimbang yang menghentikan Anda. Itu sebabnya Anda perlu mendorong kotak yang berat untuk membuatnya bergerak, tetapi begitu kotak itu meluncur, dibutuhkan lebih sedikit usaha untuk mempertahankannya (walaupun gesekan selalu merugikan Anda).
Memahami inersia membantu menjelaskan segalanya mulai dari alasan astronot melayang di orbit hingga mengapa Anda memerlukan mesin yang kuat untuk menggerakkan truk besar. Massa suatu benda menentukan besarnya inersia yang dimilikinya. Lebih banyak massa berarti lebih banyak resistensi terhadap perubahan. Bulu mudah dipindahkan. Kereta api tidak.
Hukum pertama mengatur panggungnya. Ini mendefinisikan garis dasar. Jika tidak ada gaya total yang bekerja pada suatu benda, maka tidak ada perubahan. Dari sana, Newton membangun sisa kerangkanya.
Mengapa cangkir kopi Anda tetap diam saat Bumi bergerak dengan kecepatan 1.000 km/jam
Itu terasa jelas bagi kami sekarang. Namun selama berabad-abad, hal itu tidak terjadi.
Jika Anda menjatuhkan bola, maka bola itu akan menyentuh tanah. Jika Anda mendorong sebuah kotak dan berhenti, maka kotak itu akan berhenti. Kehidupan sehari-hari berteriak bahwa gerakan membutuhkan dorongan. Hentikan dorongannya, hentikan gerakannya. Ini adalah mekanika Aristotelian. Itu cocok dengan apa yang dilihat mata Anda. Itu intuitif.
Itu juga salah.
Hukum inersia, yang sering disebut hukum pertama Newton, membalikkan logika ini. Sebuah benda yang diam akan tetap diam. Sebuah benda yang bergerak tetap bergerak dengan kecepatan tetap pada garis lurus. Kecuali ada suatu kekuatan yang bertindak padanya. Tidak perlu dorongan untuk terus berjalan. Tidak perlu dorongan untuk tetap bertahan.
Dalam mekanika Newton klasik, tidak ada perbedaan penting antara diam dan gerak beraturan pada garis lurus.
Ini adalah bagian yang membuat orang tersandung. “Istirahat” hanyalah “gerakan” yang dilihat dari sudut yang berbeda. Jika Anda berada di dalam kereta yang bergerak dengan kecepatan 100 km/jam dan Anda melempar koin lurus ke atas, koin tersebut akan jatuh kembali ke tangan Anda. Anda melihatnya naik dan turun. Seseorang yang berdiri di platform melihatnya membentuk parabola. Keduanya benar. Status koin tidak berubah. Pengamat punya.
Galileo Galilei berhasil mewujudkan hal ini. Dia tidak hanya memikirkannya; dia menggelindingkan bola ke bidang miring. Dia memperhatikan mereka memanjat sisi yang lain. Ia menyadari jika tidak ada gesekan, bola tidak akan pernah berhenti menanjak. Itu akan terus berlanjut selamanya. Itulah terobosannya. Itu bukan dugaan. Itu adalah deduksi dari eksperimen.
Mengapa hal ini menjadi sangat penting?
Bayangkan Bumi berputar. Bayangkan ia mengorbit Matahari. Menurut akal sehat, tanah seharusnya menjauh dari kaki kita. Kita harus merasakan anginnya. Kita seharusnya tertinggal.
Kami tidak melakukannya.
Mengapa kita tidak merasakan pergerakan bumi?
Karena kita ikut bergerak bersamanya. Udara, tanah, dan tubuh Anda semuanya berbagi kecepatan tersebut. Hukum inersia menjelaskan mengapa dunia terasa diam. Kami mempertahankan gerakan kami. Bumi tampak diam bagi kita karena kita adalah bagian dari sistem.
Itu tidak selalu diterima. Ini adalah isu sentral perdebatan ilmiah. Orang-orang menolak gagasan bahwa gerakan tidak memerlukan sebab untuk bertahan. Mereka berpegang teguh pada pandangan Aristoteles karena cocok dengan pengalaman sehari-hari. Gesekan dan hambatan udara ada dimana-mana. Mereka menutupi sifat sebenarnya dari gerak. Rumusan Newton memperjelas hal ini: benda berhenti bukan karena “ingin” berhenti, tetapi karena gaya yang tidak seimbang seperti gesekan bekerja pada benda tersebut.
Setelah Newton memilah rinciannya, gambarannya menjadi tepat. Permukaan bumi tidak bergerak lurus dengan kecepatan konstan. Itu berputar. Rotasi itu menimbulkan penyimpangan kecil. Kami merasakannya sebagai efek Coriolis atau sebagai perubahan berat yang nyata. Namun prinsip intinya tetap berlaku. Inersia adalah garis dasarnya.
Perbedaan antara diam dan gerak lurus beraturan adalah ilusi perspektif. Mereka adalah keadaan gerak yang sama, dilihat oleh pengamat yang berbeda. Seseorang bergerak bersama partikel tersebut. Yang lain bergerak dengan kecepatan konstan relatif terhadapnya. Kesetaraan ini adalah dasar dari mekanika klasik. Tanpanya, ilmu fisika lainnya tidak akan berfungsi.
Bagaimana hukum kedua Newton menghubungkan gaya, massa, dan percepatan
Hukum kedua Newton mendefinisikan hubungan kuantitatif antara gaya dan perubahan gerak suatu benda. Dinyatakan bahwa laju perubahan momentum suatu benda terhadap waktu sama dengan gaya yang dikenakan padanya baik besaran maupun arahnya. Momentum sendiri merupakan besaran vektor yang dihitung sebagai hasil kali massa dan kecepatan. Karena mempunyai arah, suatu gaya dapat mengubah besarnya momentum, arahnya, atau keduanya secara bersamaan.
Untuk benda dengan massa konstan, hukum disederhanakan menjadi persamaan umum F = ma. Di sini gaya dan percepatan merupakan besaran vektor. Jika suatu gaya total bekerja pada suatu benda, maka benda tersebut mengalami percepatan. Jika tidak ada percepatan maka tidak ada gaya total. Prinsip ini merupakan salah satu prinsip terpenting dalam seluruh fisika.
Apa yang terjadi jika gaya tumbukan pada pasangan aksi-reaksi?
Hukum ketiga Newton menjelaskan interaksi antara dua benda. Hal ini membuktikan bahwa untuk setiap aksi, terdapat reaksi yang sama besar dan berlawanan arah.
Hukum Ketiga Newton: Aksi dan Reaksi dalam Praktek
Hukum III Newton menyatakan bahwa gaya-gaya selalu datang berpasangan. Ketika benda A mendorong benda B, benda B mendorong benda A kembali dengan gaya yang sama besar dan berlawanan arah. Inilah hukum aksi dan reaksi. Ini bukan sekedar abstraksi teoritis; ini adalah interaksi fisik yang nyata.
Bayangkan sebuah buku tergeletak di atas meja. Berat buku menekan permukaannya. Sebagai tanggapan, meja mendorong buku dengan kekuatan yang sama. Mengapa? Beratnya buku menyebabkan meja sedikit berubah bentuk. Kompresi kecil ini mengubah meja menjadi pegas darurat, yang mendorong beban. Reaksi yang setara dan berlawanan ini membuat buku tetap diam.
Prinsip ini berlaku baik benda diam maupun bergerak. Jika ada gaya total, benda mengalami percepatan (sesuai hukum kedua). Jika gaya-gaya dihilangkan, benda tetap dalam keadaan setimbang. Tidak ada akselerasi? Tidak ada kekuatan total. Ini adalah pengurangan langsung.
Dari Copernicus hingga Revolusi Ilmiah
Newton menerbitkan hukum ini pada tahun 1687 dalam Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, atau Principia. Namun dia tidak membangun dari awal. Landasannya dimulai pada tahun 1543 ketika Nicolaus Copernicus mengusulkan Matahari, bukan Bumi, sebagai pusat alam semesta.
Antara Copernicus dan Newton, tokoh-tokoh seperti Galileo, Johannes Kepler, dan Descartes membongkar pandangan lama Aristotelian. Mereka meletakkan kerangka untuk memahami kosmos heliosentris. Principia Newton mensintesis ilmu baru ini. Dia menyusun tiga hukumnya secara khusus untuk menjelaskan mengapa orbit planet berbentuk elips, bukan lingkaran sempurna. Dia berhasil. Namun implikasinya jauh melampaui mekanika orbital. Seluruh peralihan ini, dari Copernicus ke Newton, menandai Revolusi Ilmiah.
Mengapa Hukum Newton Masih Penting
Pada abad ke-20, fisika mengalami kemajuan. Mekanika kuantum dan relativitas menjadi kerangka fundamental baru. Hukum Newton tidak lagi menjadi kebenaran hakiki.
Tapi mereka masih bekerja. Untuk objek dan kecepatan sehari-hari, Newton tetap akurat. Pengecualiannya sangat ekstrim: partikel subatom seperti elektron, atau benda yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Dalam rezim tersebut, Anda memerlukan mekanika kuantum atau relativitas. Untuk benda yang lebih besar dan kecepatan lebih lambat, teori-teori baru tersebut disederhanakan kembali ke hukum Newton. Mereka tidak melanggar peraturan lama; mereka memperluasnya.
Jadi, apakah Newton sudah ketinggalan zaman? Tidak terlalu. Hanya terbatas. Dan untuk sebagian besar interaksi Anda sehari-hari, hukumnya masih berlaku.
