hukum-kukum newton mengenai gerak

BAB I

PEMBAHASAN

1.1  Hukum-Hukum Newton Mengenai Gerak

1.1.1   Hukum kesatu  Newton

Hukum pertama newton menyatakan bahwa sebuah benda dalam keadaan diam atau bergerak dengan kecepatan konstan akan tetap daim atau akan terus bergerak dengan kecepatan konstan kecuali ada gaya eksternal yang bekerja pada benda itu. Kecenderungan ini digambarkan dengan mengatakan bahwa benda mempunyai kelembaman sehubungan dengan itu, hukum pertama newton seringkali dimaksud hukum kelembaman.

Hukum pertama newton tidak membuat perbeadaan antara benda diam dan benda yang bergerak denagn kecepatan konstan. Misalkan, sebuah buku yang diam diatas meja udara dalam sebuah gerbong barang kereat api. Dalam sistem koordinat yang titik asalnya O^’ dikaitkan denagan gerbong, buku itu dalam kedaan diam. Sistem koordinat itu menentapkan suatu kerangka acuan untuk mengukur posisi, kecepatan dan percepatan buku. Kita akan menamakan  kerangka acuan yang dikaitkan pada gerbong S^’. Andaikan sekarang gerbong bergerak sepanjang rel ke kanan dengan kelajuan v. buku diletakan pada meja udara sehingga buku juga diam relatif terhadap gerbong. Kealajuan gerbong adalah v diukur relatif terhadap sistem koordinat kedua yang titik asalnya O dikaitkan dengan rel. Dalam kerangka acuan rel, yang akan kita namakan S, buku bergerak ke kanan dengan kelajuan v, menurut hukum pertama  newton, buku akan terus bergerak dengan kecepatan konstan dalam kerangka acuan S^’ atau akan tetap diam dalam kerangka acuan S^’ kecuali ia dipengaruhi suatu gaya neto.

Sebuah kerangka acuan dimana hukum pertama newton berlaku dinamakan kerangka acuan inersial. Tiap kerangka acuan yang bergerak dengan keceptan konstan relatif terhadap suatu kerangka acuan inersial adalah juga kerangka acuan inersial. Suatu kerangka acauan yang terikat pada permukaan bumi sebenarnya bukan kerangka acuan inersial karena percepatan kecil permukaan bumi (relatif terhadap pusat bumi) yang disebabkan rotasi bumi, dan karena percepatan sentripetal yang kecil dari bumi itu sendiri sehubungan dengan peredarannya mengelilingi matahari. Namun percepatan-percepatan ini berode 0,01 m/s² atau kurang. Sehingga dalam pendekatan yang baik, kerangka acuan yang terikat pada permukaan bumi adalah kerangka acuan unersial.

1.1.2   Hukum Kedua Newton

Hukum peratama dan kedua newton dapat dianggap sebagai definisi gaya. Gaya adalah suatu pengaruh pada sebuah benda yang menyebabkan benda megubah kecepatannya, artinya, dipercepat . Arah adalah arah percepatan yang disebabkannya jika gaya itu adalah satu-satunya gaya yang bekerja pada benda tersebut. Besarnya gaya adalah hasil kali massa benda dan besarnya percepatan yang dihasilkan gaya. Secara eksperimen telah ditemukan bahwa jika dua atau lebih gaya bekerja pada benda yang sama, perceptan benda adalah sama seperti jika benda dikenai gaya tunggal yang sama dengan penjumlahan vektor gaya-gaya itu sendiri. Artinya, gaya-gaya dijumlahkan sebagai vektor-vektor.

Massa adalah sifat intrinsik sebuah benda yang mengukur resintasinya terhadap percepatan. Rasio dua massa dapat didefinisikan sebagai berikut. Jika gaya f dikerjakan pada benda bermassa m_1, dan menghasilkan percepatan a₁, maka :

F = m_1.a₁

Jika gaya yang sama dikerjakan pada benda kedua yang massanya m₂, dan menghasilkan perecepatan a₂, maka :

F = m₂.a₂

Dengan menggabungkan persamaan-persamaan ini, kita dapatkan :

F = m₁.a₁ = m₂.a₂

Atau     

 F =  =

           

Jadi rasio massa dua benda didefenisikan dengan menerapkan gaya yang sama pada masing-masing benda dan membandingkan percepatannya.

Gaya yang diperlukan untuk menghasilkan percepatan 1 m/s² pada benda satndar didefenisikan sebagai 1 newton (N). Dengan cara yang sama, gaya yang mengahasilkan percepatan 2 m/s² pada benda standar itu didefinisikan sebagai 2 N.

1.1.3   Hukum Ketiga Newton

Hukum ketiga newton kadang-kadang dinamakan hukum interaksi atau hukum aksi reaksi. Hukum ini menggambarkan sifat penting dari gaya, yaitu bahwa gaya-gaya selalu terjadi berpasangan. Jika sebauh gaya dikerjakan pada sebuah benda A, maka harus ada benda B yang mengerjakan gaya itu. Selanjutnya jika B menegrjakan gaya pada A, maka A harus menegrjakan gaya pada B yang sama besar dan berlawanan arahnya. Sebagai contoh, bumi mengerjakan gaya garavitasional F_g pada sebuah benda proyektil, yang menyebabkannya dipercepat ke bumi. Menurut hukum ketiga newton, proyektil mengerjakan gaya pada bumi yang sama besar dan berlawanan arahnya.

Jadi, proyektil mengerjakan gaya F_g^’ = -F_g pada bumi kearah proyektil. Jika gaya adalah satu-satunya gaya yang bekerja pada bumi, bumi akan dipercepat ke proyektil. Karena bumi mempunyai massa yang sangat besar, percepatan yang dialami akiabat gaya yang dihasilkan proyektil ini sangat kecil dan tak teramati.

Dalam pembahasan tentang hukum ketiga newton, kata ‘aksi’ dan ‘rekas’ seringkali digunakan. Gaya yang dikerjakan benda pertama disebut gaya aksi, sedangkan gaya yang dikerjakan benda kedua disebut gaya reaksi. Kedua gaya itu sama besar, tetapi berlawanan arah.

   F_aksi = -F_reaksi

Dua hal yang perlu dipahami tentang hukum III Newton adalah sebagai berukut:

v  Pasangan gaya aksi dan reaksi bekerja pada dua benda yan berlainan, tetapi mempunyai garis kerja yang sama. Pasangan gaya yang bekerja pada satu benda yang sama bukan merupakan pasangan aksi dan reaksi.

v  Besar gaya aksi-reaksi hanya berlawanan arah.

Contoh pasangan aksi-reaksi

 

              F₂         F₂     F₁            F₁

                       

                         Gambar 2.1

F₁ dan F₁^’  serta F₂ dan F₂^’ merupakan pasangan gaya aksi-rekasi. Akan tetapi , F₁ dan F₂^’ serta F₁^’ dan F₁ bukan pasangan aksi-reasi.

1.2  Gerak Bergantung Posisi-Posisi Partikel Konsep Mengenai Energi dan Energi Potensial

1.2.1 Pengertian Energi Potensial

Dalam fisika, energi potensial adalah energi yang disimpan dalam tubuh atau dalam sisitem karena posisinya dalam medan gaya atau karena konfigurasi. ^[1] Para Satuan SI untuk energi ukuran dan kerja adalah Joule (simbol J).

Potensial" Istilah ini diciptakan oleh insinyur abad ke-19 Skotlandia dan fisikawan William Rankine . Energi potensial ada ketika sebuah kekuatan bertindak atas objek yang cenderung untuk mengembalikan ke konfigurasi energi yang lebih rendah. Gaya ini sering disebut gaya pemulih. Sebagai contoh, ketika musim semi yang membentang ke kiri, itu memberikan gaya ke kanan sehingga kembali ke posisi semula, teregang. Demikian pula, ketika massa dinaikkan, kekuatan gravitasi akan bertindak sehingga membawa kembali turun. Tindakan peregangan pegas atau mengangkat massa membutuhkan energi untuk melakukan. Energi yang masuk ke mengangkat massa disimpan dalam posisinya di medan gravitasi, sedangkan yang sama, energi yang dibutuhkan untuk meregangkan pegas tersebut disimpan dalam logam. Menurut hukum konservasi energi , energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan; maka energi ini tidak bisa menghilang. Sebaliknya, akan disimpan sebagai energi potensial. Jika musim semi dilepaskan atau massa dijatuhkan, ini energi yang tersimpan akan dikonversi menjadi energi kinetik oleh gaya pemulih, yang merupakan elatisita dalam kasus musim semi, dan gravitasi dalam kasus massa. Pikirkan roller coaster. Ketika coaster yang naik bukit itu memiliki energi potensial. Di bagian paling atas bukit adalah energi potensial maksimum. Ketika kecepatan mobil menuruni bukit energi potensial berubah menjadi kinetik. Energi kinetik terbesar di bagian bawah.

Definisi yang lebih formal adalah bahwa energi potensial adalah perbedaan energi antara energi dari sebuah objek dalam posisi yang diberikan dan energi pada posisi referensi.

1.2.2 Jenis-Jenis Energi Potensial

A. energi potensial gravitasi

Energi gravitasi adalah energi potensial yang terkait dengan gaya gravitasi. Jika ada benda jatuh dari satu titik ke titik lain di dalam medan gravitasi, gaya gravitasi akan melakukan kerja yang positif pada objek, dan energi potensial gravitasi akan menurun dengan jumlah yang sama.

Gaya gravitasi membuat planet-planet di orbit sekitar Matahari

Faktor-faktor yang mempengaruhi energi potensial gravitasi suatu benda adalah ketinggian relatif terhadap beberapa titik acuan, massa, dan kekuatan medan gravitasi itu masuk Jadi, sebuah buku tergeletak di atas meja memiliki kurang energi potensial gravitasi dari buku yang sama pada atas lemari tinggi, dan energi potensial gravitasi kurang dari sebuah buku berat tergeletak di meja yang sama. Sebuah benda pada ketinggian tertentu di atas permukaan Bulan memiliki kurang energi potensial gravitasi dari pada ketinggian yang sama di atas permukaan bumi karena gravitasi Bulan lebih lemah. Perhatikan bahwa "tinggi" dalam arti umum dari istilah tidak dapat digunakan untuk perhitungan energi potensial gravitasi ketika gravitasi tidak diasumsikan konstan. Bagian berikut ini memberikan lebih rinci.

Kekuatan medan gravitasi bervariasi dengan lokasi. Namun, ketika perubahan jarak yang kecil dalam hubungannya dengan jarak dari pusat sumber medan gravitasi, ini variasi dalam kekuatan medan diabaikan dan kita dapat mengasumsikan bahwa gaya gravitasi pada objek tertentu adalah konstan.

Dekat permukaan bumi, misalnya, kita asumsikan bahwa percepatan karena gravitasi adalah konstanta g = 9,81 m / s ² ("gravitasi standar"). Dalam kasus ini, ekspresi sederhana untuk energi potensial gravitasi dapat diturunkan menggunakan persamaan W = Fd untuk bekerja, dan persamaan

            Ketika akuntansi hanya untuk massa, gravitasi, dan ketinggian, persamaan adalah:

 

  

Keterangan :

U = energi potensial  (joule)     g = percepatan gravitasi (m/s²)

m = massa benda (kg)                h= ketinggian objek (m)

Oleh karena itu, perbedaan potensial adalah:

 

Medan energi potensial gravitasi ditentukan dengan menggunakan hukum Newton tentang gravitasi universal, yaitu:

 

Namun, lebih dari variasi yang besar di kejauhan, perkiraan bahwa g adalah konstan adalah tidak berlaku lagi, dan kita harus menggunakan kalkulus dan definisi matematis umum pekerjaan untuk menentukan energi potensial gravitasi. Untuk perhitungan energi potensial kita dapat mengintegrasikan gaya gravitasi, yang besarnya diberikan oleh hukum gravitasi newton, sehubungan dengan r jarak antara dua benda. Menggunakan definisi, energi potensial gravitasi suatu sistem massa m ₁ dan M ₂ pada jarak r menggunakan konstanta G

 

,

dimana K adalah konstanta integrasi. Memilih konvensi bahwa K = 0 membuat perhitungan sederhana, meskipun dengan biaya pembuatan U negatif, karena mengapa hal ini secara fisik masuk akal, lihat di bawah.

Mengingat rumus untuk U, energi potensial total sistem tubuh n ditemukan dengan menjumlahkan, untuk semua pasang dari dua badan, energi potensial dari sistem dari dua tubuh.

Potensial gravitasi penjumlahan

 

 

Mengingat sistem tubuh sebagai set gabungan dari partikel kecil tubuh terdiri dari, dan menerapkan sebelumnya pada tingkat partikel negatif kita mendapatkan energi gravitasi yang mengikat. Ini energi potensial negatif lebih kuat daripada energi potensial total sistem tubuh seperti itu karena juga mencakup energi gravitasi yang mengikat negatif dari tubuh masing-masing. Energi potensial dari sistem tubuh seperti adalah negatif dari energi yang dibutuhkan untuk memisahkan tubuh dari satu sama lain hingga tak terbatas, sedangkan energi yang mengikat gravitasi adalah energi yang diperlukan untuk memisahkan semua partikel dari satu sama lain hingga tak terbatas.

Oleh karena itu,

,

B. energi potensial elastis

Energi potensial elastis adalah energi potensial dari sebuah elastis objek (misalnya busur atau ketapel) yang cacat di bawah ketegangan atau kompresi (atau stress dalam terminologi formal). Hal ini muncul sebagai konsekuensi dari kekuatan yang mencoba untuk mengembalikan objek ke bentuk aslinya, yang paling sering gaya elektromaknetik antara atom dan molekul yang membentuk objek. Jika peregangan dilepaskan, energi diubah menjadi energi kinetik.

Energi potensial elastis tersimpan dalam pegas diregangkan dapat dihitung dengan mencari pekerjaan yang diperlukan untuk meregangkan pegas x jarak  untuk membentang panjang:

musim semi yang ideal akan mengikuti Hukum Hooke:

 

Kerja yang dilakukan (dan karena itu energi potensial yang tersimpan) maka akan menjadi:

 

Persamaan ini sering digunakan dalam perhitungan posisi keseimbangan mekanik. Perhitungan lebih terlibat dapat ditemukan di energi potensial elatis.

C. energi potensial kimia

Energi kimia potensial adalah bentuk energi potensial yang terkait dengan susunan struktural atom atau molekul. Pengaturan ini mungkin hasil dari ikatan kimia dalam molekul atau sebaliknya. Energi kimia suatu zat kimia yang dapat diubah menjadi bentuk lain energi oleh reaksi kimia. Sebagai contoh, ketika bahan bakar dibakar energi kimia diubah menjadi panas, sama halnya dengan pencernaan makanan dimetabolisme dalam organisme biologis. Tanaman hijau mengubah energi matahari menjadi energi kimia melalui proses yang dikenal sebagai fotosintesis, dan energi listrik dapat diubah menjadi energi kimia melalui elektrokimia reaksi.

Istilah yang sama potensial kimia yang digunakan untuk menunjukkan potensi dari sebuah substansi untuk menjalani perubahan konfigurasi, baik itu dalam bentuk reaksi kimia, tata ruang transportasi, partikel pertukaran dengan reservoir, dll.

D. energi potensial listrik

Sebuah objek dapat memiliki energi potensial yang berdasarkan muatan listrik dan kekuatan yang berkaitan dengan kehadiran mereka. Ada dua jenis utama dari jenis energi potensial, yaitu

Plasma terbentuk di dalam bola gas yang diisi

v  Energi potensial elektrostatik adalah energi dari partikel bermuatan listrik (saat istirahat) dalam medan listrik. Hal ini didefinisikan sebagai pekerjaan yang harus dilakukan untuk bergerak dari jarak jauh tak terbatas ke lokasi sekarang, dalam ketiadaan listrik non-kekuatan pada objek. Energi ini adalah non-nol jika ada obyek lain bermuatan listrik di dekatnya.

Contoh paling sederhana adalah kasus dua titik-seperti benda A ₁ dan A ₂ dengan biaya listrik q ₁ dan q _2. Pekerjaan W dibutuhkan untuk memindahkan A ₁ dari jarak tak terbatas untuk jarak r jauh dari A ₂ diberikan oleh:

 

 

dimana ε ₀ adalah konstanta listrik Persamaan ini diperoleh dengan mengintegrasikan gaya Coloumb antara batas-batas tak terhingga dan r.

Sebuah jumlah yang terkait yang disebut potensial listrik (biasanya dilambangkan dengan V untuk tegangan) adalah sama dengan energi potensial listrik per satuan muatan. k

v  Energi potensial elektrodinamik

Dalam hal objek dibebankan atau partikel bermuatan penyusunnya tidak istirahat, itu menghasilkan medan magnet sehingga menimbulkan bentuk-bentuk lain dari energi potensial, sering disebut sebagai energi potensial magnet. Semacam ini energi potensial adalah hasil dari fenomena magnetisme, dimana objek yang adalah magnet memiliki potensi untuk memindahkan objek serupa lainnya. Benda magnetik dikatakan memiliki beberapa momen magnetik. Medan magnet dan efek mereka yang terbaik belajar di bawah elektrodinamika.

E. energi potensial nuklir

Energi potensial nuklir adalah energi potensial dari partikel di dalam sebuah inti atom. Partikel-partikel nuklir terikat bersama oleh gaya nuklir kuat. Kekuatan nuklir lemah memberikan energi potensial untuk beberapa jenis peluruhan radioaktif, seperti peluruhan beta.

Partikel nuklir seperti proton dan neutron tidak hancur dalam proses fisi dan fusi, tapi koleksi dari mereka memiliki massa yang kurang dari jika mereka secara individu bebas, dan ini perbedaan massa dibebaskan sebagai panas dan radiasi dalam reaksi nuklir (panas dan radiasi telah hilang massa, tetapi sering kali lolos dari sistem, di mana tidak diukur). Energi dari Matahari adalah contoh dari bentuk konversi energi. Di Matahari, proses fusi hidrogen mengubah sekitar 4 juta ton materi matahari per detik ke energi elektromagnetik, yang dipancarkan ke ruang angkasa.

1.3  Gaya Sebagai Fungsi Waktu Konsep Mengenai Implus

1.3.1   Pengertian Implus

Impuls dinotasikan dengan I, satuannya N.s atau kg.m/s.

untuk membuat benda yang diam menjadi bergerak, maka perlu dikerjakan gaya pada benda tersebut selama selang waktu tertentu.

Perhatikan peristiwa berikut:

Sebuah bola bergerak dipukul dengan tongkat besar. Gaya pukul tongkat dikalikan dengan selang waktu selama gaya bekerja pada bola impuls.
Jadi, Impuls adalah hasil kali gaya konstan sesaat dengan selang waktu gaya bekerja.

 

Impuls merupakan besaran vektor, jadi perhatikan arah gerak benda serta arah gaya yang bekerja.

Contoh lain dalam kehidupan sehari-hari adalah  

                                

Contoh Konsep Impuls :

Sebuah bola kasti dipukul dengan gaya kontak 50 N antara pemukul dengan bolanya. Jika menghasilkan impuls sebesar 20 Ns. Berapakah selang waktu sentuh antara pemukul dengan bola kasti?

Pembahasan :

 

Impuls juga dapat dihitung dengan metode hitung integral atau metode sgrafik.
Jika gaya F yang bekerja pada sebuah benda tidak tetap.

A.  Dengan metode Integral

Penggunaan metode hitung integral jika gaya F yang bekerja pada sebuah benda tidak tetap. Atau Gaya F bukan merupakan fungsi linear terhadap waktu.

   

Besar impuls dapat dicari :

   

Impuls dapat dihitung dari luas daerah yang diarsir.

B.  Dengan metode Grafik

Penggunaan grafik dapat dilakukan jika besar gaya F merupakan fungsi linear terhadap waktu

   

Impuls = luasan grafik di bawah kurva.

Pada sebuah benda bermassa 0,5 kg bekerja gaya dalam selang waktu seperti pada gambar:

   

Berapakah impuls yang dihasilkan ?

   

1.3.2   Pengertian Momentum

Momentum dinotasikan dengan P, dengan satuan kg.m/s.

Sebuah benda bermassa m yang bergerak dengan kecepatan v mempunyai momentum (disimbolkan p). Besar momentum benda  tersebut merupakan perkalian antara massa (m) dengan kecepatannya ( v).

Benda-benda yang massanya besar atau benda-benda yang bergerak dengan laju yang besar, memiliki momentum yang besar . 

Secara matematis, persamaan momentum ditulis :

                        

Contohnya, sebuah mobil bergerak dengan laju tertentu kemudian menabrak sebuah pohon, semakin cepat mobil itu bergerak maka kerusakan yang timbul semakin besar. 

Atau semakin besar massa mobil semakin besar pula kerusakan yang ditimbulkan. Maka mobil dikatakan memiliki momentum yang besar.
Karena momentum termasuk besaran vektor, maka momentum memiliki sifat seperti halnya vektor, yaitu dapat dijumlahkan dan dapat diuraikan. Penyelesaian beberapa momentum menggunakan konsep vektor.

Penjumlahan Momentum

Bila terdapat 2 buah benda yang massanya masing-masing m₁ dan m₂ bergerak dengan kecepatan masing-masing v₁ dan v₂ seperti pada gambar, sehingga  kedua benda masing-masing memiliki momentum P₁ dan P₂, maka momentum kedua benda dapat dijumlahkan dengan ketentuan sebagai berikut :       

 

Resultan momentum P dari dua buah benda P₁ dan P₂ yang diapit sudut :

       

Keterangan:

P₁ = momentum peratama (kg.m/s²)

P₂ = momentum kedua (kg.m/s²)

P = momentum total (kg.m/s²⁾

 =  sudut antara p₁ dan p₂ dalam derajat

Contoh Konsep Momentum :

Dua buah benda bermassa sama 6kg bergerak seperti pada gambar dengan Kecepatan masing-masing 10 m/s dan 5 m/s. Tentukan momentum total yang dihasilkan benda setelah tumbukan.

Pembahasan :

     

1.3.3 Hubungan Impuls dan Momentum

Hubungan antara impuls dan momentum dijelaskan dari penerapan  Hukum II Newton, yaitu :

 

Dapat disimpulkan  Impuls (I) sama dengan perubahan momentum (∆P). Ini menunjukkan bahwa gaya yang bekerja pada sebuah benda sama dengan perubahan momentum benda persatuan waktu.

P₁ = momentum awal benda  dalam kg.m/s

P₂ = momentum akhir benda  dalam kg.m/s

V₁ = kecepatan awal benda dalam m/s

V₂ = kecepatan akhir benda dalam m/s

Catatan:

Impuls adalah besaran vektor, jadi arah gaya yang bekerja harus diperhatikan. 

Contoh Konsep Hubungan Impuls dan Momentum

Sebuah bola bermassa 200 gram dilemparkan ke kanan dengan kelajuan 10m/s. Sesaat setelah dipukul, bola berbalik arah dengan kelajuan 20 m/s. Jika diketahui bola bersentuhan dengan pemukul selama 1 ms. Tentukan :

a.    Impuls yang diberikan pemukul pada bola.

b.    Gaya rata-rata yang diberikan pemukul pada bola.

Pembahasan :

Diketahui : m = 200 gram = 0,2 kg

V₁ = 10 m/s (ke kanan)

v₂ = -20m/s (berbalik arah ke kiri )

∆t = 1 ms = 10-3 s.

a.    I = P₂ – P₁

I = mv₂  - mv₁

I = (0,2kg)(-20m/s) – (0,2kg)(10

I = -6 N.s

b.    I = F. ∆t

-6 N.s = F. 10-3s

F  = -6.103 N

Tanda (-) menunjukkan bahwa gaya yang diberikan oleh pemukul berlawanan arah dengan arah kecepatan bola mula-mula.        

Hukum Kekekalan Momentum

Besar Impuls dinyatakan sebagai perubahan momentum:
F ∆t =  ∆p.  Saat F = 0, maka ∆p = 0  atau  p = konstan.

Dapat disimpulkan jika suatu sistem tidak mendapat gaya dari luar, momentum sistem selalu tetap. Hal itulah yang disebut Hukum Kekekalan Momentum.

Jumlah Momentum awal kedua benda (sebelum tumbukan):

   ∑P =  P₁  +  P

=  m₁v₁  +  m₂v₂

Jumlah Momentum akhir kedua benda (sesudah tumbukan):

∑P’  =  P’₁  +  P’₂

 =  m₁v^’₁  +  m₂v^’₂

1.4  Gaya Sebagai Fungsi Kecepatan

1.4.1   Gaya Hambat

Sebuah benda yang bergerak melalui gas atau cairan mengalami sebuah gaya yang arahnya berlawanan dengan gerakan benda tersebut. Kecepatan terminal dicapai saat gaya hambat sebanding dengan magnitud (magnitudo) tapi arahnya berlawanan dengan gaya yang mendorong benda. Di gambar ini tampak sebuah bola dalamaliran Stokes,  pada bilangan Reynolds yang sangat rendah.

Dalam dinamika fluida, gaya hambat (yang kadang-kadang disebut hambatan fluida atau seretan) adalah gaya yang menghambat pergerakan sebuah benda padat melalui sebuah fluida (cairan atau gas). Bentuk gaya hambat yang paling umum tersusun dari sejumlah gaya gesek, yang bertindak sejajar dengan permukaan benda, plus gaya tekanan, yang bertindak dalam arah tegak lurus dengan permukaan benda. Bagi sebuah benda padat yang bergerak melalui sebuah fluida, gaya hambat merupakan komponen dari aerodinamika gaya resultan atau gaya dinamika fluida yang bekerja dalam arahnya pergerakan. Komponen tegak lurus terhadap arah pergerakan ini dianggap sebagai gaya angkat. Dengan begitu gaya hambat berlawanan dengan arah pergerakan benda, dan dalam sebuah kendaraan yang digerakkan mesin diatasi dengan gaya dorong.

Dalam mekanika orbit, tergantung pada situasi, hambatan atmosfer bisa dianggap sebagai ketidak efesiensian yang membutuhkan pengeluaran energi tambahan dalam peluncuran objek angkasa luar.

Tipe-tipe gaya hambat pada umumnya terbagi menjadi tiga kategori, yaitu sebagai berikut berikut:

v  Gaya hambat parasit, gaya hambat parasit (yang juga disebut gaya seret parasit atau seretan parasit) merupakan gaya hambat yang disebabkan oleh pergerakan sebuah benda padat melalui sebuah fluida. Gaya hambat parasit tersusun dari begitu banyak komponen, yang terbesar adalah seretan bentuk. Gesekan permukaan serta seretan interferensi juga merupakan komponen utamanya gaya hambat parasit. Gaya hambat ini terdiri dari:

o   seretan bentuk,

o   gesekan permukaan,

o   seretan interferensi,

v  gaya hambat imbas, Dalam  aerodinamika, gaya hambat imbas atau gaya seret vortek merupakan sebuah gaya hambat yang terjadi saat sebuah badan angkat atau sayap menghasilkan gaya angkat dalam jangka waktu terbatas. Sedangkan parameter lainnya tetap sama, sudut serangan dan gaya hambat imbas yang meningkat.

v  Gaya hambat gelombang (aerodinamika), Bentuk umum dari persamaan kecepatan tinggi berlaku lumayan baik bahkan pada kecepatan yang mendekati atau melebihi kecepatan suara, namun, faktor Cd berubah dengan kecepatan, dalam sebuah cara yang tergantung pada sifat objek.

Pada umumnya, di atas Mach 0.85 koefisien hambatan meningkat sampai sebuah nilai beberapa kali lipat lebih tinggi pada Mach 1.0, dan lalu menurun lagi pada kecepatan yang lebih tinggi, cenderung pada sebuah nilai mungkin 30% lebih tinggi daripada kecepatan subsonik. Hal ini disebabkan oleh terciptanya gelombang kejut yang menghasilkan gaya hambat gelombang.

Gaya hambat pada kecepatan tinggi

Persamaan gaya hambat menghitung gaya yang dialami sebuah objek yang bergerak melalui sebuah fluida pada kecepatan yang relatif besar (misalnya bilangan Reynolds yang tinggi, R_e > ~1000), yang juga dijuluki seretan kuadrat. Persamaan tersebut merupakan penghormatan kepada John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh, yang awalnya menggunakan L² dalam tempatnya A (L adalah panjang). Gaya sebuah objek yang bergerak melalui sebuah fluida adalah.

 

                                

 

 ^{= gaya dari seratn}

 ^{adalah massa jenisnya fluida (Catatan untuk atmosfer Bumi, massa jenis bisa diketahui dengan menggunakan rumus barometer. Massa jenisnya sebesar 1.293 kg/m3 pada 0 °C dan 1 atmosfer.),}

adalah laju objek dibandingkan dengan fluida,

adalah luas rujukan,

adalah koefisien hambatan (parameter tak berdimensi, misalnya 0,25 sampai 0,45 untuk sebuah mobil), dan

adalah vektor satuan yang menunjukkan arah kecepatan (tanda negatif menunjukkan arah gaya hambat berlawanan arah kecepatan). menunjukkan arah gaya hambat berlawanan arah kecepatan).

Luas rujukan A sering didefinisikan sebagai luas proyeksi ortografi (proyeksi siku-siku) dari objek  pada sebuah bidang yang tegak lurus terhadap arah gerakan, misalnya untuk objek-objek berbentuk sederhana seperti lingkaran, ini merupakan luas penampang lintang.

Terkadang sebuah objek memiliki beberapa luas rujukan dimana sebuah koefisien hambatan yang sesuai dengan masing-masing luas rujukan harus ditentukan.

Untuk objek yang bepermukaan halus, dan titik  pisah yang tidak tetap seperti sebuah lingkaran atau silinder bundar, koefisien hambatan akan bervariasi dengan bilangan Reynolds R_e, bahkan sampai pada nilai yang sangat tinggi R_e dari tingkat besaran 10⁷). Bagi sebuah objek bertitik pisah yang tetap dan terdefinisi dengan baik, seperti sebuah cakram lingkar berbidang normal terhadap arah aliran, koefisien hambatan adalah konstan untuk R_e > 3,500. Pada umumnya, koefisien hambatan C_d merupakan sebuah fungsi orientasinya aliran berkenaan dengan objek (terlepas dari objek yang simetris seperti sebuah bola).

1.4.2 Daya

Rumus daya yang dibutuhkan untuk mengatasi gaya hambat aerodinamis adalah:

 

Perlu diketahui bahwa daya yang dibutuhkan untuk mendorong sebuah objek melalui sebuah fluida meningkat sebagai pangkat tiganya kecepatan. Sebuah mobil yang sedang melaju di jalan raya dengan kecepatan 80km/jam (50 mph) hanya membutuhkan 10 tenaga kuda (7,5 kW) untuk mengatasi gaya hambat udara, tapi bila mobil itu melaju secepat 160 km/jam (100 mph) dibutuhkan 80 tenaga kuda (60 kW). to overcome air drag, but that same car at 100 mph (160 km/h) requires 80 hp (60 kW). Dengan penggandaan kecepatan gaya hambat membesar empat kali lipat per rumus. Pengerahan daya empat kali pada sebuah jarak yang tetap menghasilkan usaha empat kali lipat.

Karena daya adalah tingkat usaha yang sedang dilakukan, maka empat kali usaha yang dilakukan dalam setengah waktu membutuhkan delapan kali daya.

Perlu ditekankan disini bahwa persamaan gaya hambat merupakan sebuah perkiraan, dan belum tentu memberikan perkiraan yang tepat dalam setiap kasus. Jadi berhati-hatilah saat sedang membuat asumsi dengan menggunakan persamaan-persamaan di atas.

Kecepatan objek yang sedang jatuh

Kecepatan sebagai sebuah fungsi waktu untuk sebuah objek yang sedang jatuh melalui sebuah perantara yang tidak bermassa jenis kasarannya merupakan fungsi yang melibatkan fungsi hiperbolik:

 

 

Dengan kata lain, kecepatan secara asimtotik yang mencapai sebuah nilai maksimal disebut kecepatan terminal:

 

Bagi sebuah objek berbentuk kentang dengan diameter rata-rata d dan massa jenis ρ_obj, maka kecepatan terminalnya adalah

 

Untuk berbagai objek yang massa jenisnya mirip air (tetesan air hujan, hujan es, objek yang hidup, hewan, burung, serangga, dll.) yang sedang jatuh di udara dekat permukaan Bumi pada permukaan laut, maka kira-kira kecepatan terminalnya sama dengan

 

 

Sebagai contoh, untuk tubuh manusia ( ~ 0.6 m) ~ 70 m/detik, untuk hewan kecil seperti kucing ( ~ 0.2 m) ~ 40 m/detik, untuk burung kecil ( ~ 0.05 m) ~ 20 m/detik, untuk serangga ( ~ 0.01 m) ~ 9 m/detik, untuk setetes kabut ( ~ 0.0001 m) ~ 0.9 m/detik, untuk serbuk sari atau bakteri ( ~ 0.00001 m) ~ 0.3 m/detik dan seterusnya. Kecepatan terminal (kecepatan akhir) yang sesungguhnya dari objek yang sangat kecil (serbuk sari, dll.) bahkan lebih kecil dikarenakan viskositasnya udara.

Kecepatan terminal lebih tinggi untuk berbagai makhluk yang berukuran lebih besar, dan dengan begitu lebih mematikan. Seekor tikus yang jatuh dengan kecepatan terminalnya punya kemungkinan lebih besar tetap hidup saat jatuh ke tanah daripada seorang manusia yang jatuh pada kecepatan terminalnya. Hewan kecil seperti jangkrik yang bertubrukan pada kecepatan terminalnya kemungkinan takkan menderita luka. Hal ini menjelaskan penyebab tetap hidupnya binatang-binatang yang kecil yang jatuh dari tempat yang sangat tinggi.