Di dalam ilmu
fisika,
gaya atau
kakas adalah apapun yang dapat menyebabkan
sebuah benda ber
massa
mengalami
percepatan.
[1].
Gaya memiliki
besar dan
arah, sehingga
merupakan besaran
vektor.
Satuan SI yang digunakan untuk mengukur gaya
adalah
Newton
(dilambangkan dengan N). Berdasarkan
Hukum
kedua Newton, sebuah benda dengan massa konstan akan dipercepat
sebanding dengan gaya netto yang bekerja padanya dan berbanding terbalik
dengan massanya.

Penjelasan lain yang mirip, gaya netto yang bekerja pada sebuah benda
adalah sebanding dengan laju perubahan
momentum yang
dialaminya.
[2]


Gaya bukanlah sesuatu yang pokok dalam ilmu fisika, meskipun ada
kecenderungan untuk memperkenalkan ilmu fisika lewat konsep ini. Yang
lebih pokok ialah momentum,
energi dan
tekanan. Sebenarnya, tak
seorang pun dapat mengukur gaya secara langsung. Tetapi, kalau sesuatu
mengatakan seseorang mengukur gaya, sedikit berpikir akan membuat
seseorang menyadari bahwa apa yang diukur sebenarnya adalah tekanan
(atau mungkin kemiringannya). "Gaya" yang Anda rasakan saat meraba kulit
anda, misalnya, sebenarnya adalah sel syaraf tekanan Anda yang mendapat
perubahan tekanan. Ukuran neraca pegas mengukur ketegangan pegas, yang
sebenarnya adalah tekanannya, dll. Dalam bahasa sehari-hari gaya
dikaitkan dengan dorongan atau tarikan, mungkin dikerahkan oleh
otot-otot kita. Di fisika, kita memerlukan definisi yang lebih presisi.
Kita mendefinisikan gaya di sini dalam hubungannya dengan percepatan
yang dialami benda standar yang diberikan ketika ditempatkan di
lingkungan sesuai. Sebagai benda standar kita menggunakan (atau agaknya
membayangkan bahwa kita menggunakannya!) silinder platinum yang disimpan
di International Bureau of Weights and Measures dekat Paris dan disebut
kilogram standar. Di fisika, gaya adalah aksi atau agen yang
menyebabkan benda bermassa bergerak dipercepat. Hal ini mungkin dialami
sebagai angkatan, dorongan atau tarikan. Percepatan benda sebanding
dengan penjumlahan vektor seluruh gaya yang beraksi padanya (dikenal
sebagai gaya netto atau gaya resultan). Dalam benda yang diperluas, gaya
mungkin juga menyebabkan rotasi, deformasi atau kenaikan tekanan
terhadap benda. Efek rotasi ditentukan oleh torka, sementara deformasi
dan tekanan ditentukan oleh stres yang diciptakan oleh gaya. Gaya netto
secara matematis sama dengan laju perubahan momentum benda dimana gaya
beraksi. Karena momentum adalah kuantitas vektor (memiliki besar dan
arah), gaya adalah juga kuantitas vektor. Konsep gaya telah membentuk
bagian dari statika dan dinamika sejak zaman kuno. Kontribusi kuno
terhadap statika berpuncak dalam pekerjaan Archimedes di abad ke tiga
sebelum Masehi, yang masih membentuk bagian fisika modern. Sebaliknya,
dinamika Aristoteles disatukan kesalahpahaman intuisi peranan gaya yang
akhirnya dikoreksi dalam abad ke 17, berpuncak dalam pekerjaan Isaac
Newton. Menurut perkembangan mekanika kuantum, sekarang dipahami bahwa
partikel saling mempengaruhi satu sama lain melalui interaksi
fundamental, menjadikan gaya sebagai konsep yang berguna hanya pada
konsep makroskopik. Hanya empat interaksi fundamental yang dikenal:
kuat, elektromagnetik, lemah (digabung menjadi satu interaksi
elektrolemah pada tahun 1970-an), dan gravitasi (dalam urutan penurunan
kuat interaksi).
Aristoteles dan pengikutnya meyakini bahwa keadaan alami objek di bumi tak bergerak dan bahwasannya objek-objek tersebut cenderung ke arah keadaan tersebut jika dibiarkan begitu saja. Aristoteles membedakan antara kecenderungan bawaan objek-objek untuk menemukan “tempat alami” mereka (misal benda berat jatuh), yang menuju “gerak alami”, dan tak alami atau gerak terpaksa, yang memerlukan penerapan kontinyu gaya.
Namun teori ini meskipun berdasarkan pengalaman sehari-hari bagaimana
objek bergerak (misal kuda dan pedati), memiliki kesulitan perhitungan
yang menjengkelkan untuk proyektil, semisal penerbangan panah. Beberapa
teori telah dibahas selama berabad-abad, dan gagasan pertengahan akhir
bahwa objek dalam gerak terpaksa membawa gaya dorong bawaan adalah
pengaruh pekerjaan Galileo. Galileo melakukan eksperimen dimana batu dan
peluru meriam keduanya digelindingkan pada suatu kecuraman untuk
membuktikan kebalikan teori gerak Aristoteles pada awal abad 17. Galileo
menunjukkan bahwa benda dipercepat oleh gravitasi yang mana tak gayut
massanya dan berargumentasi bahwa objek mempertahankan kecepatan mereka
jika tidak dipengaruhi oleh gaya - biasanya gesekan. Isaac Newton
dikenal sebagai pembantah secara tegas untuk pertama kalinya, bahwa
secara umum, gaya konstan menyebabkan laju perubahan konstan (turunan
waktu) dari momentum. Secara esensi, ia memberi definisi matematika
pertama kali dan hanya definisi matematika dari kuantitas gaya itu
sendiri - sebagai turunan waktu momentum: F = dp/dt. Pada tahun 1784
Charles Coulomb menemukan hukum kuadrat terbalik interaksi antara muatan
listrik menggunakan keseimbangan torsional, yang mana adalah gaya
fundamental kedua. Gaya nuklir kuat dan gaya nuklir lemah ditemukan pada
abad ke 20. Dengan pengembangan teori medan kuantum dan relativitas
umum, disadari bahwa “gaya” adalah konsep berlebihan yang muncul dari
kekekalan momentum (momentum 4 dalam relativitas dan momentum partikel
virtual dalam elektrodinamika kuantum). Dengan demikian sekarang ini
dikenal gaya fundamental adalah lebih akurat disebut “interaksi
fundamental”.
[sunting] Jenis-jenis Gaya
Meskipun terdapat dengan jelas banyak tipe gaya di alam semesta,
mereka seluruhnya berbasis pada empat gaya fundamental. Gaya nuklir kuat
dan gaya nuklir lemah hanya beraksi pada jarak yang sangat pendek dan
bertanggung jawab untuk "mengikat" nukleon tertentu dan menyusun nuklir.
Gaya elektromagnetik beraksi antara muatan listrik dan gaya gravitasi
beraksi antara massa. Prinsip perkecualian Pauli bertanggung jawab untuk
kecenderungan atom untuk tak "bertumpang tindih" satu sama lain, dan
adalah jadinya bertanggung jawab untuk "kekakuan" materi, namun hal ini
juga bergantung pada gaya elektromagnetik yang mengikat isi-isi setiap
atom. Seluruh gaya yang lain berbasiskan pada keempat gaya ini. Sebagai
contoh, gesekan adalah perwujudan gaya elektromagnetik yang beraksi
antara atom-atom dua permukaan, dan prinsip perkecualian Pauli, yang
tidak memperkenankan atom-atom untuk menerobos satu sama lain. Gaya-gaya
dalam pegas dimodelkan oleh hukum Hooke adalah juga hasil gaya
elektromagnetik dan prinsip perkecualian Pauli yang beraksi bersama-sama
untuk mengembalikan objek ke posisi keseimbangan. Gaya sentrifugal
adalah gaya percepatan yang muncul secara sederhana dari percepatan
rotasi kerangka acuan. Pandangan mekanika kuantum modern dari tiga gaya
fundamental pertama (seluruhnya kecuali gravitasi) adalah bahwa partikel
materi (fermion) tidak secara langsung berinteraksi dengan satu sama
lain namun agaknya dengan mempertukarkan partikel virtual (boson). Hasil
pertukaran ini adalah apa yang kita sebut interaksi elektromagnetik
(gaya Coulomb adalah satu contoh interaksi elektromagnetik). Dalam
relativitas umum, gravitasi tidaklah dipandang sebagai gaya. Melainkan,
objek yang bergerak secara bebas dalam medan gravitasi secara sederhana
mengalami gerak inersia sepanjang garis lurus dalam ruang-waktu
melengkung - didefinisikan sebagai lintasan ruang-waktu terpendek antara
dua titik ruang-waktu. Garis lurus ini dalam ruang-waktu dipandang
sebagai garis lengkung dalam ruang, dan disebut lintasan balistik objek.
Sebagai contoh, bola basket yang dilempar dari landasan bergerak dalam
bentuk parabola sebagaimana ia dalam medan gravitasi serba sama.
Lintasan ruang-waktunya (ketika dimensi ekstra ct ditambahkan) adalah
hampir garis lurus, sedikit melengkung (dengan jari-jari kelengkungan
berorde sedikit tahun cahaya). Turunan waktu perubahan momentum dari
benda adalah apa yang kita labeli sebagai "gaya gravitasi". Contoh:
- Objek berat dalam keadaan jatuh bebas. Perubahan momentumnya
sebagaimana
dp/dt = mdv/dt = ma =mg (jika massa m konstan), jadi kita sebut
kuantitas mg "gaya gravitasi" yang beraksi pada objek. Hal ini adalah
definisi berat (W = mg) objek.
- Objek berat di atas meja ditarik ke bawah menuju lantai oleh gaya
gravitasi (yakni beratnya). Pada waktu yang sama, meja menahan gaya ke
bawah dengan gaya ke atas yang sama (disebut gaya normal), menghasilkan
gaya netto nol, dan tak ada percepatan. (Jika objek adalah orang, ia
sesungguhnya merasa aksi gaya normal terhadapnya dari bawah.)
- Objek berat di atas meja dengan lembut didorong dalam arah
menyamping oleh jari-jari.
- Akan tetapi, ia tidak pindah karena gaya dari jari-jari tangan pada
objek sekarang dilawan oleh gaya baru gesekan statis, dibangkitkan
antara objek dan permukaan meja.
- Gaya baru terbangkitkan ini secara pasti menyeimbangkan gaya yang
dikerahkan pada objek oleh jari, dan lagi tak ada percepatan yang
terjadi.
- Gesekan statis meningkat atau menurun secara otomatis. Jika gaya
dari jari-jari dinaikkan (hingga suatu titik), gaya samping yang
berlawanan dari gesekan statis meningkat secara pasti menuju titik dari
posisi sempurna.
- Objek berat di atas meja didorong dengan jari cukup keras sehingga
gesekan statis tak dapat membangkitkan gaya yang cukup untuk menandingi
gaya yang dikerahkan oleh jari, dan objek mulai terdorong melintasi
permukaan meja. Jika jari dipindah dengan kecepatan konstan, ini perlu
untuk menerapkan gaya yang secara pasti membatalkan gaya gesek kinetik
dari permukaan meja dan kemudian objek berpindah dengan kecepatan
konstan yang sama. Kecepatan adalah konstan hanya karena gaya dari jari
dan gesekan kinetik saling menghilangkan satu sama lain. Tanpa gesekan,
objek terus-menerus bergerak dipercepat sebagai respon terhadap gaya
konstan.
- Objek berat mencapai tepi meja dan jatuh. Sekarang objek, yang
dikenai gaya konstan dari beratnya, namun dibebaskan dari gaya normal
dan gaya gesek dari meja, memperoleh dalam kecepatannya dalam arah
sebanding dengan waktu jatuh, dan jadinya (sebelum ia mencapai kecepatan
dimana gaya tahanan udara menjadi signifikan dibandingkan dengan gaya
gravitasi) laju perolehan momentum dan kecepatannya adalah konstan.
Fakta ini pertama kali ditemukan oleh Galileo.
- Objek berat suspended pada timbangan. Karena objek tidak bergerak
(sehingga turunan waktu dari momentumnya adalah nol) maka selama
percepatan jatuh bebas g ia harus mengalami percepatan yang diarahkan
sama dan berlawanan a = -g dikarenakan aksi pegas.
- Percepatan ini dikalikan dengan massa objek adalah apa yang kita
labeli sebagai "gaya reaksi pegas" yang mana secara nyata sama dan
berlawanan dengan berat objek mg.
- Mengetahui massa (katakanlah, 1 kg) dan percepatan jatuh bebas
(katakanlah, 9,8 meter/detik2) kita dapat menentukan timbangan dengan
tanda "9,8 N". Pasang beragam massa (2 kg, 3 kg, ...) kita dapat
mengkalibrasi timbangan dan kemudian menggunakan skala tertentu ini
untuk mengukur banyak gaya yang lain (gesek, gaya reaksi, gaya listrik,
gaya magnetik, dst).
[sunting] Definisi Kuantitatif
Kita memiliki pemahaman intuitif ide gaya, karena gaya dapat secara
langsung dirasakan sebagai dorongan atau tarikan. Sebagaimana dengan
konsep fisika yang lain (misal temperatur), ide intuitif dikuantifikasi
menggunakan definisi operasional yang konsisten dengan persepsi
langsung, namun lebih presisi. Secara historis, gaya pertama kali secara
kuantitatif diselidiki dalam keadaan keseimbangan statis dimana
beberapa gaya membatalkan satu sama lain. Eksperimen demikian
membuktikan sifat-sifat yang rumit bahwa gaya adalah kuantitas vektor
aditif: mereka memiliki besar dan arah. Sehingga, ketika dua gaya
berkasi pada suatu objek, gaya hasil, resultan, adalah penjumlahan
vektor gaya asal. Hal ini disebut prinsip superposisi. Besar resultante
bervariasi dari perbedaan besar dua gaya terhadap penjumlahan mereka,
gayut sudut antara garis-garis aksi mereka. Sebagaimana dengan seluruh
penambahan vektor hasil-hasil ini dalam aturan jajaran genjang:
penambahan dua vektor yang diwakili oleh sisi-sisi jajaran genjang,
memberi vektor resultan ekivalen yang sama dalam besar dan arah terhadap
transversal jajaran genjang. Sebagaimana dapat ditambahkan, gaya juga
dapat diuraikan (atau dipecah). Sebagai contoh, gaya horisontal menunjuk
timur laut dapat dipecah menjadi dua gaya, satu menunjuk ke utara dan
satu menunjuk timur. Jumlahkan komponen-komponen gaya ini menggunakan
penambahan vektor menghasilkan gaya asal. Vektor-vektor gaya dapat juga
menjadi tiga dimensi, dengan komponen ketiga (vertikal) pada penjuru
sudut terhadap dua komponen horisontal. Kasus paling sederhana dari
keseimbangan statis adalah ketika dua gaya adalah sama dalam besar namun
berlawanan arah. Ini menyisakan cara yang paling biasa dari pengukuran
gaya, menggunakan peralatan sederhana semisal timbangan berat dan neraca
pegas. Menggunakan peralatan demikian, beberapa hukum gaya kuantitatif
ditemukan: gaya gravitasi sebanding dengan volume objek yang terdiri
dari material (secara luas dimanfaatkan saat ini untuk mendefinisikan
standar berat); prinsip Archimedes untuk gaya apung; analisis Archimedes
dari pengungkit; hukum Boyle untuk tekanan gas; dan hukum Hooke untuk
pegas: seluruhnya diformulasikan dan secara eksperimental dibuktikan
sebelum Isaac Newton menguraikan secara rinci tiga hukum geraknya. Gaya
kadang-kadang didefinisikan menggunakan hukum kedua Newton, sebagai
perkalian massa m kali percepatan atau lebih umum, sebagai laju
perubahan momentum. Pendekatan ini diabaikan oleh sejumlah besar buku
teks. Dengan pertimbangan yang lebih, hukum kedua Newton dapat diambil
sebagai definisi kuantitatif massa; secara pasti dengan menuliskan hukum
sebagai persamaan, satuan relatif gaya dan massa ditetapkan. sukses
empirik yang diberikan hukum Newton, hal itu kadang-kadang digunakan
untuk mengukur kuat gaya (sebagai contoh, menggunakan orbit astronomi
untuk menentukan gaya gravitasi).
[sunting]
Gaya dalam
Relativitas Khusus
Dalam teori relativitas khusus, massa dan energi adalah sama
(sebagaimana dapat dilihat dengan menghitung kerja yang diperlukan untuk
mempercepat benda). Ketika kecepatan suatu objek meningkat demikian
juga energinya dan oleh karenanya ekivalensi massanya (inersia). Hal ini
memerlukan gaya yang lebih besar untuk mempercepat benda sejumlah yang
sama daripada itu lakukan pada kecepatan yang lebih rendah. Definisi
masih valid.
[sunting] Gaya dan Potensial
Disamping gaya, konsep yang sama secara matematis dari medan energi
potensial dapat digunakan untuk kesesuaian. Sebagai contoh, gaya
gravitasi yang beraksi pada suatu benda dapat dipandang sebagai aksi
medan gravitasi yang hadir pada lokasi benda. Pernyataan ulang secara
matematis definisi energi (melalui definisi kerja), medan skalar
potensial didefinisikan sebagai medan yang mana gradien adalah sama dan
berlawanan dengan gaya yang dihasilkan pada setiap setiap titik. Gaya
dapat diklasifikasi sebagai konservatif atau non konservatif. Gaya
konservatif sama dengan gradien potensial.
[sunting] Gaya konservatif
Gaya konservatif yang beraksi pada sistem tertutup memiliki sebuah
kerja mekanis terkait yang memperkenankan energi untuk mengubah hanya
antara bentuk kinetik atau potensial. Hal ini berarti bahwa untuk sistem
tertutup, energi mekanis netto adalah kekal kapan pun gaya konservatif
beraksi pada sistem. Gaya, oleh karena itu, terkait secara langsung
dengan perbedaan energi potensial antara dua lokasi berbeda dalam ruang
dan dapat ditinjau sebagai artifak, benda (artifact) medan potensial
dalam cara yang sama bahwa arah dan jumlah aliran air dapat ditinjau
sebagai artifak pemetaan kontur (contour map) dari ketinggian area. Gaya
konservatif meliputi gravitasi, gaya elektromagnetik, dan gaya pegas.
Tiap-tiap gaya ini, oleh karena itu, memiliki model yang gayut pada
posisi seringkali diberikan sebagai vektor radial eminating dari
potensial simetri bola.
[sunting] Gaya non konservatif
Untuk skenario fisis tertentu, adalah tak mungkin untuk memodelkan
gaya sebagaimana dikarenakan gradien potensial. Hal ini seringkali
dikarenakan tinjauan makrofisis yang mana menghasilkan gaya sebagai
kemunculan dari rata-rata statistik makroskopik dari keadaan mikro.
Sebagai contoh, friksi disebabkan oleh gradien banyak potensial
elektrostatik antara atom-atom, namun mewujud sebagai model gaya yang
tak gayut sembarang vektor posisi skala makro.
Gaya non konservatif selain friksi meliputi gaya kontak yang lain,
tegangan, tekanan, dan seretan (drag). Akan tetapi, untuk sembarang
deskripsi detil yang cukup, seluruh gaya ini adalah hasil gaya
konservatif karena tiap-tiap gaya makroskopis ini adalah hasil netto
gradien potensial mikroskopis. Hubungan antara gaya non konservatif
makroskopis dan gaya konservatif mikroskopis dideskripsikan oleh
perlakuan detil dengan mekanika statistik. Dalam sistem tertutup
makroskopis, gaya non konservatif beraksi untuk mengubah energi internal
sistem dan seringkali dikaitkan dengan transfer panas. Menurut Hukum
Kedua Termodinamika, gaya non konservatif hasil yang diperlukan dalam
transformasi energi dalam sistem tertutup dari kondisi terurut menuju
kondisi lebih acak sebagaimana entropi meningkat.
[sunting] Satuan Ukuran
Satuan SI yang digunakan untuk mengukur gaya adalah newton (simbol
N), yang mana adalah ekivalen dengan kg.m.s-2. Satuan CGS lebih awal
adalah dyne. Hubungan F = m.a dapat digunakan dengan yang mana pun.