Rumus Gaya dan Cara Menggunakannya (Contoh Soal)

Daftar Isi

Rumus umum gaya (F) dalam fisika adalah F = m . a, di mana (m) adalah massa benda dan (a) adalah percepatan benda.

Halo adik-adik, kali ini kakak akan menjelaskan satu rumus penting dalam fisika, yaitu rumus gaya. Kalian pasti sedang mempelajari ini di sekolah, iya kan? Nah, materi ini hadir untuk melengkapi pembahasan dari bapak dan ibu guru yah...

Materi seputar gaya sendiri dipelajari oleh siswa di semua tingkatan sekolah, mulai dari SD, SMP, dan SMA. Jika ingin mempelajari materi ini lebih dalam lagi, maka setelah lulus SMA nanti kalian kuliah ambil jurusan Fisika.

Oleh karena dipelajari di semua tingkatan, maka kakak usahakan penjelasan materi ini bisa dibaca oleh semua tingkatan siswa. 

Mungkin yang membedakan antar tingkatan adalah soal-soalnya, di mana untuk tingkatan SMA perhitungannya lebih kompleks daripada tingkatan SD dan SMP.

Baca Juga:

• Rumus Usaha

Namun, kalian tenang aja, kakak jamin tidak sulit kok. Baiklah, kita mulai saja materinya...

Pengertian Gaya

Apa yang dimaksud dengan gaya? Secara umum, gaya sering diartikan sebagai tarikan atau dorongan yang dikerjakan pada suatu benda¹. 

Misalnya, ketika kalian menarik sebuah kursi, maka hal itu berarti kalian sedang memberikan gaya pada kursi. Begitupun ketika kalian mendorong lemari, artinya kalian sedang memberikan gaya pada lemari.

Gaya berupa tarikan dan dorongan bisa terjadi dalam dua cara, yaitu cara sentuh dan tak sentuh, selanjutnya disebut sebagai gaya sentuh dan gaya tak sentuh. 

Ilustrasi kursi dan lemari di atas bisa dikategorikan sebagai gaya sentuh, dalam artian untuk memberikan gaya pada kursi dan lemari tersebut, maka kita harus menyetuhnya. 

Lantas, bagaimana dengan gaya tak sentuh? Contohnya adalah gaya yang dikeluarkan oleh magnet, berupa gaya tarik dan gaya tolak meskipun tanpa sentuhan.

Apa saja contoh gaya sentuh dan gaya tak sentuh? Mungkin, ada baiknya kita berikan pembahasan khusus mengenai hal tersebut. Kakak masukkan dalam bagian jenis-jenis gaya berikut ini:

Jenis-Jenis Gaya

Berdasarkan sifatnya, gaya dibagi menjadi dua (2) jenis, yaitu gaya sentuh dan gaya tak sentuh. Berikut ini pengertian dan contohnya:

1. Gaya Sentuh

Gaya sentuh adalah gaya yang terjadi karena titik kerja gaya bersentuhan langsung dengan benda. Dengan kata lain, gaya ini baru akan bekerja ketika terjadi sentuhan dengan benda. 

Macam-macam gaya sentuh dalam kehidupan sehari-hari antara lain, sebagai berikut:

1.1. Gaya Pegas

Gaya pegas adalah gaya yang terjadi karena adanya sifat elastis benda, seperti pegas, per, atau karet. Gaya pegas berbentuk renggangan atau tarikan dengan arah gaya yang tetap, yaitu menuju sebuah titik tertentu dan besarnya bergantung pada posisi gaya terhadap titik tersebut. 

Suatu benda elastis (karet atau per) jika direnggangkan dengan gaya tarik condong ke panjang semula dan melakukan gaya melawan gaya tarik yang bekerja padanya. Contoh gaya pegas dalam kehidupan sehari-hari adalah:

• Anak panah melesat dari busurnya
• Batu terlontar dari ketapel
• Peluru terlontar dari pistol mainan

1.2. Gaya Gesek

Gaya gesek adalah gaya yang bekerja antara dua permukaan benda yang saling bersentuhan, arahnya berlawanan dengan arah gerak benda. Dalam hubungannya dengan gerak benda, gaya gesek merupakan gaya yang menahan gerakan benda sehingga benda berhenti bergerak.

Gaya gesek bisa terjadi di semua zat, baik itu zat padat, cair, dan gas. Gaya gesek antara dua zat padat disebut gaya gesek statis/kinetis, sedangkan gaya gesek antara benda padat dan cairan serta gas disebut gaya Stokes.

Contoh gaya gesek dalam kehidupan sehari-hari adalah:

• Kampas rem dengan cakram kendaraan
• Ban dengan aspal
• Alas sepatu dengan lantai
• Dayung perahu dengan air

1.3. Gaya Mesin

Gaya mesin adalah tarikan atau dorongan yang disebabkan oleh kerja dari mesin atau alat. Gaya ini dihasilkan dari kerja mekanis seluruh komponen-komponen yang terdapat di dalam mesin.

Contoh gaya mesin dalam kehidupan sehari-hari adalah mesin pabrik, mesin motor, dan mesin mobil.

1.4. Gaya Otot

Gaya otot adalah gaya yang dihasilkan otot untuk mendorong, menarik, mengangkat, dan sebagainya. Contoh gaya otot dalam kehidupan sehari-hari adalah pada saat kalian menarik atau mendorong meja, kuda menarik pedati atau gerobak.

2. Gaya Tak Sentuh

Gaya tak sentuh adalah gaya yang timbul akibat adanya medan dari sebuah sumber gaya yang mempengaruhi benda di sekitarnya. Jadi, pada gaya tak sentuh, walaupun antarbenda tidak bersentuhan, tetapi benda yang berada di dalam daerah medan gaya akan merasakan efeknya.

Macam-macam gaya tak sentuh dalam kehidupan sehari-hari, antara lain sebagai berikut:

2.1. Gaya Magnet

Gaya magnet adalah gaya tarik atau tolak yang dimiliki oleh benda-benda yang bersifat magnet. Magnet mempunyai dua kutub, yaitu utara dan selatan. Kekuatan gaya tarik magnet yang paling kuat terletak pada kutub-kutub tersebut.

Semakin kuat suatu magnet, semakin besar kemampuan gaya tariknya untuk menembus suatu benda. Kutub-kutub magnet senama akan tolak-menolak dan kutub-kutub magnet yang tidak senama akan tarik-menarik.

Gaya magnet adalah gaya yang dapat menarik benda logam, seperti besi dan baja. Contoh pemanfaatan gaya magnet dalam kehidupan sehari-hari adalah:

• Kompas atau penunjuk arah
• Membantu dalam perubahan energi.
• Menghasilkan listrik.
• Menggantikan roda pada kereta api maglev.
• Membantu merapatkan kedua benda. 

2.2. Gaya Listrik

Gaya listrik adalah gaya yang ditimbulkan oleh muatan listrik. Gaya listrik dibedakan menjadi 2 macam yaitu gaya listrik statis dan gaya listrik dinamis.

• Gaya listrik statis merupakan gaya listrik yang timbul dari benda bermuatan listrik yang tidak mengalirkan arus listrik, contohnya penggaris mika yang digosok pada rambut yang kering dan kemudian didekatkan pada serpihan kertas. Ternyata serpih-serpih kertas tertarik oleh penggaris mika. 
• Gaya listrik dinamis adalah gaya listrik yang timbul dari benda bermuatan listrik yang mengalirkan arus listrik.

Gaya listrik terjadi akibat adanya muatan listrik. Jenis muatan menentukan gaya listrik tersebut tarik-menarik atau tolak-menolak.

Gaya listrik berasal dari muatan positif menuju muatan negatif. Garis gaya listrik tidak pernah berpotongan, semakin rapat garis gaya listrik, semakin kuat medan listriknya.

2.3. Gaya Gravitasi

Gaya gravitasi adalah gaya yang berasal dari gaya tarik bumi. Apabila suatu benda dilemparkan ke atas maka gaya gravitasi menyebabkan benda tersebut akan kembali jatuh ke bumi. Gaya gravitasi bumi yang menyebabkan benda-benda di bumi memiliki berat.

Gaya gravitasi merupakan gaya yang bersifat semesta karena mencakup dan berlaku diseluruh penjuru alam semesta. Artinya, bukan hanya bumi yang memiliki gaya gravitasi, tetapi juga dimiliki oleh matahari, dan seluruh planet di tata surya atau alam semesta.

Pengaruh Gaya Terhadap Benda

Ada tiga pengaruh gaya terhadap benda, antara lain sebagai berikut:

1. Gaya Mempengaruhi Bentuk Benda 

Gaya dapat mempengaruhi bentuk benda. Misalnya, plastisin dapat dibuat menjadi beraneka bentuk, tanah liat dapat dibuat menjadi berbagai macam gerabah, telur yang dibenturkan dengan keras akan pecah, botol kosong yang diinjak akan menjadi penyok.

2. Gaya Mempengaruhi Kelajuan Benda

Pengaruh gaya terhadap kelajuan benda dapat menyebabkan benda yang semula diam menjadi bergerak, atau benda yang semula bergerak menjadi diam/berhenti.

3. Gaya Mempengaruhi Arah Gerak Benda

Pengaruh gaya terhadap arah gerak contohnya; pada saat menggiring bola basket maka bola yang dipantulkan ke lapangan akan kembali memantul ke atas. Begitupun pada bola kasti, apabila bola kasti dilempar ke dinding maka bola akan memantul ke arah yang berlawanan dari arah semula.

Resultan Gaya

Resultan gaya adalah beberapa gaya yang bekerja pada suatu benda dalam suatu garis kerja. Resultan disimbolkan dengan sigma (Σ), jika dituliskan secara lengkap maka simbol resultan gaya adalah (ΣF).

Resultan gaya disebut juga dengan gaya total, bisa berbentuk penjumlahan atau selisih antar gaya, tergantung arah dari masing-masing gaya.

1. Untuk Gaya-gaya Searah

Rumus resultan gayanya, ΣF = F₁ + F₂

2. Untuk Gaya-gaya Tidak Searah

Rumus resultan gayanya, ΣF = (-F₁) + F₂ , atau  ΣF = F₂ - F₁

Secara matematis, rumus umum resultan gaya bisa ditulis:

ΣF = F₁ + F₂ + F₃....+ F_n

n = gaya ke n

Hukum tentang Gaya

Hukum tentang gaya yang paling terkenal dan umum digunakan adalah Hukum Newton. Hukum ini menggambarkan kaitan antara gaya dengan gerak sebuah benda.

Dinamakan Hukum Newton karena yang merumuskannya adalah Sir Isaac Newton (1643-1727), seorang fisikawan Inggris.

Hukum Newton terbagi menjadi tiga (3), antara lain sebagai berikut:

Hukum 1 Newton

Hukum 1 Newton berbunyi: "Jika gaya total yang bekerja pada sebuah benda sama dengan nol, maka benda tersebut akan tetap berada dalam keadaan gerak awalnya."

Maksud dari pernyataan di atas adalah jika total gaya yang bekerja pada sebuah benda sama dengan nol, maka benda yang awalnya diam, akan tetap diam dan tidak mungkin bergerak. Sebaliknya, benda yang awalnya bergerak, akan tetap bergerak dengan besar kecepatan yang sama (konstan) dan arah yang sama, tidak mungkin melambat atau bertambah cepat atau berbelok.

Secara matematis, Hukum 1 Newton dituliskan:

Jika ΣF = 0, maka a = 0 atau v = konstan 

Keterangan:

• ΣF = Resultan gaya atau gaya total (N)
• a = percepatan benda (^m/_s²)
• v = kecepatan atau kelajuan benda (^m/s)

Hukum 2 Newton

Hukum 2 Newton berbunyi: "Percepatan yang ditimbulkan oleh satu atau lebih gaya yang bekerja pada sebuah benda sebanding dengan besar resultan gaya dan berbanding terbalik dengan massa benda, serta searah dengan arah resultan gaya."

Secara matematis dirumuskan sebagai berikut:

a = ^ΣF/_m atau ΣF = m . a

Keterangan:

• m = massa benda (kg)

Hukum 3 Newton

Hukum 3 Newton sering juga disebut hukum interaksi atau hukum aksi-reaksi. Hukum ini berbunyi: "Ketika suatu benda memberikan gaya pada benda kedua maka benda kedua tersebut memberikan gaya terhadap benda pertama dengan besar yang sama tetapi berlawanan arah."

Jadi, untuk setiap gaya, selalu ada gaya lain yang menjadi pasangannya yang sama besar tapi berlawanan arah.

Saat kita memberikan gaya pada suatu benda, maka kita akan memperoleh gaya dari benda tersebut dengan arah yang berlawanan.

Perlu diperhatikan, pasangan gaya ini bekerja pada dua benda yang berbeda. Rumusan matematisnya:

F_aksi = -F_reaksi

Tanda minus (-) menunjukkan bahwa kedua gaya berlawanan arah.

Rumus Gaya

Secara umum, rumus gaya dituliskan dalam bentuk persamaan matematis:

a = ^ΣF/_m atau ΣF = m . a

Keterangan:

• a = percepatan benda (^m/_s²)
• ΣF = Resultan gaya atau gaya total (N)
• m = massa benda (kg) 

Ada banyak rumus gaya yang dikenal dalam fisika, mengacu kepada rumus umum di atas, sehingga melahirkan beberapa rumus untuk setiap jenis gaya. Berikut ini diantaranya:

• Rumus Gaya Berat, W = m . g
• Rumus Gaya Pegas, F = k . x
• Rumus Gaya Normal, N = W = m . g
• Rumus Gaya Gesek Statis, f_s = μ_s . N
• Rumus Gaya Gesek Kinetis, f_k = μ_k . N

Keterangan:

• g = percepatan gravitasi (^m/_s²)
• W = gaya berat (N)
• N = gaya normal (N) 
• f_s = gaya gesek statis (N)
• f_k = gaya gesek kinetis (N)
• μ_s = koefisien gesek statis
• μ_k = koefisien gesek kinetis
• k = konstanta pegas (N/m)
• x = pertambahan panjang pegas (m)

Contoh Soal

Berikut ini adalah beberapa contoh soal yang berhubungan dengan gaya:

Contoh Soal 1

Jika diketahui gaya yang bekerja pada suatu benda sebesar 8 N dan massa benda 2 kg, berapakah percepatan gerak pada benda tersebut?

Jawaban:

Diketahui:

• F = 8 N
• m = 2 kg

Ditanyakan:

• a....?

Penyelesaian:

a = ^F/_m

   = ⁸/₂
   = 4 ^m/_s².

Jadi, percepatan gerak benda tersebut adalah 4 ^m/_s².

Contoh Soal 2

Sebuah resultan gaya sebesar 30 N bekerja pada sebuah benda bermassa 6 kg. Percepatan yang dialami benda adalah...

Jawaban:

Diketahui:

• ΣF = 30 N
• m = 6 kg

Ditanyakan:

• a....?

Penyelesaian:

a = ^ΣF/_m
   = ³⁰/₆
   = 5 ^m/_s²

Jadi, percepatan yang dialami benda adalah 5 ^m/_s².

Contoh Soal 3

Dua buah gaya segaris sebesar 5 N, satu mengarah ke barat dan yang lain ke timur. Resultan kedua gaya tersebut adalah?

Jawaban: 

Karena kedua gaya berlawanan arah, maka resultan gayanya adalah:

ΣF = F₂ - F₁

     = 5 N - 5 N

     = 0 N

Jadi, resultan kedua gaya adalah 0 N.

Contoh Soal 4

Sebuah gaya bekerja pada sebuah benda bermassa 3 kg sehingga mendapat percepatan sebesar 6 ^m/_s². Hitunglah percepatan yang didapat benda bermassa 12 kg jika mendapat gaya yang sama.

Jawaban:

Diketahui:

• m₁ = 3 kg
• a₁ = 6 ^m/_s²
• m₂ = 12 kg
• F₁ = F₂

Ditanyakan:

• a₂...?

Penyelesaian:

Soal ini merupakan jenis soal perbandingan, yaitu perbandingan percepatan. Kita buat terlebih dahulu rumus perbandingannya:

^a₁/_a2 = ^F₁/_m1 x ^m₂/_F2

Karena gaya yang bekerja pada kedua benda sama, maka besaran F bisa saling mengeliminasi:

^a₁/_a2 = ^m₂/_m1
^a₁/_a2 = ¹²/₃ = 4
a₁ = 4.a₂, atau
a₂ = ¹/₄ .a₁
    = 1/₄ .6
    = 1,5 ^m/_s². 

Jadi, percepatan benda bermassa 12 kg adalah 1,5 ^m/_s².

Contoh Soal 5

Sebuah gaya 48 N diperlukan untuk memberikan percepatan sebesar 10 ^m/_s² pada sebuah benda. Hitunglah besar gaya yang diperlukan untuk memberikan percepatan sebesar 4 ^m/_s² pada benda yang sama. 

Jawaban:

Diketahui:

• F₁ = 48 N
• a₁ = 10 ^m/_s²
• a₂ = 4 ^m/_s²

Ditanyakan:

• F₂....?

Penyelesaian:

^F₁/_F2 = ^m.a₁/_m.a2
^F₁/_F2 = ^a₁/_a2
F₂ = F₁ x ^a₂/_a1
    = 48 x ⁴/₁₀
    = 19,2 N

Kesimpulan 

Jadi, Rumus umum gaya (F) dalam fisika adalah F = m . a, di mana (m) adalah massa benda dan (a) adalah percepatan benda.

Gimana adik-adik, udah paham kan cara menggunakan rumus gaya di atas? Jangan bingung lagi yah saat mendapatkan soal.

Sekian dulu materi kali ini, bagikan agar teman yang lain bisa membacanya. Terima kasih, semoga bermanfaat.

Referensi:

• Nurhayadi, Yadi., dkk. 2009. Seri Evaluasi SI TEMAN: Fisika SMP Kelas VIII. Jakarta: Matrix Media Literata.
• Setiawan, Ruslan Tri. Widodo, Cahyo. 2008. Ringkasan dan Kumpulan Soal Fisika untuk Siswa SMP/MTs. Jakarta: Grasindo.