Hukum Newton tentang Gerak

Sampul buku  Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica  edisi pertama (1687)
(sumber : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Prinicipia-title.png)

Hukum Newton tentang gerak terdiri dari tiga hukum fisika yang menjadi dasar bagi mekanika klasik. Hukum ini mendiskripsikan hubungan antara gaya yang bekerja pada sebuah benda dan gerakan yang diakibatkan oleh gaya tersebut. Adapun ketiga hukum tersebut adalah :

1. Hukum I Newton : jika tidak ada gaya yang bekerja pada suatu benda, maka kecepatan benda adalah konstan. yaitu benda berada dalam keadaan diam (jika kecepatannya nol), atau bergerak pada garis lurus jika kecepatannya tidak nol.
2. Hukum II Newton : percepatan a suatu benda adalah berbanding lurus dengan gaya F yang bekerja pada benda tersebut, dan arahnya sama dengan gaya F yang bekerja.       F = ma
3. Hukum III Newton : ketika benda pertama dengan gaya F₁ bekerja pada benda kedua, secara bersamaan benda kedua menerima gaya sebesar F₂ = −F₁ dari benda pertama. Ini berarti bahwa F₁ dan F₂ adalah sama besar dan berlawanan arah.

Naskah asli Hukum I dan II Newton dalam bahasa latin  yang diterbitkan pada  tahun 1687
(sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Newtons_laws_in_latin.jpg)

Ketiga hukum tentang gerak tersebut pertama kali dipublikasikan oleh Sir Isaac Newton dalam bukunya  Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, yang diterbitkan pada tahun 1687. Newton menggunakan hukum ini untuk menjelaskan dan menginvestigasi berbagai gerakan pada objek dan sistem fisis. Sebagai contoh, pada bagian ketiga dari buku tersebut, Newton menunjukkan bahwa hukum-hukum gerak yang dikombinasikan dengan hukum gravitasi universal, dapat menjelaskan hukum Kepler tentang gerak planet.

Hukum I Newton

Hukum pertama menyatakan bahwa jika gaya total (jumlah vektor dari semua gaya yang bekerja pada suatu benda) adalah nol, maka kecepatan benda tersebut konstan. Kecepatan adalah sebuah besaran vektor yang menyatakan kecepatan obyek dan arahnya. Sehingga bila kecepatan suatu benda adalah konstan, hal ini berarti bahwa benda tersebut bergerak dengan arah dan kecepatan yang konstan.

Secara matematis hukum pertama Newton dapat dinyatakan :

sehingga konsekuensi dari hukum pertama ini adalah : 

• suatu benda yang dalam kondisi diam akan selalu diam, kecuali ada gaya luar yang bekerja pada benda tersebut.
• suatu benda yang bergerak tidak akan berubah kecepatannya, kecuali ada gaya luar yang bekerja pada benda tersebut. hal ini sering disebut sebagai gerak beraturan.

Suatu benda terus melakukan apapun yang terus terjadi padanya sampai ada suatu gaya yang berkerja padanya. Jika benda itu dalam keadaan diam, maka benda akan tetap diam. Misalnya sebuah piring yang diletakkan diatas meja yang diberi taplak. Kemudian secara terampil taplak tersebut ditarik dan piring tetap dalam keadaan diam karena tidak ada gaya yang bekerja pada piring tersebut. Jika benda dalam keadaan bergerak, maka benda akan terus bergerak tanpa mengubah kecepatanya. Hal ini terbukti dengan satelit buatan yang terus bergerak mengorbit bumi. Dengan tidak adanya gaya total, maka benda cenderung bergerak pada garis lurus tak hingga.

Newton menempatkan hukum pertama tentang gerak untuk membentuk kerangka acuan dimana hukum-hukum yang lain berlaku. Hukum pertama tentang gerak ini mendalilkan (postulat) setidaknya ada satu kerangka acuan Newtonian atau kerangka acuan inersia. Kerangka acuan ini menunjukkan gerak relatif partikel karena suatu gaya dalam garis lurus pada kecepatan konstan. Dengan demikian, dapat ditunjukkan untuk gerak partikel yang seragam relatif terhadap kerangka acuan inersia memiliki gaya total yang bekerja pada partikel itu adalah nol.

Hukum II Newton
Hukum kedua ini menunjukkan bahwa gaya total pada benda adalah sama dengan perubahan (turunan)  momentum linier p dalam kerangka acuan inersia.

Hukum kedua ini juga menyatakan tentang percepatan benda, hanya ketika masa benda adalah konstan. Berdasarkan persamaan diatas, massa dapat dikeluarkan dari operator diferensial karena massa yang konstan, sehingga

dimana F adalah gaya total, m adalah massa benda dan a adalah percepatan benda. Dengan demikian, gaya total yang dikenakan pada benda menghasilkan percepatan benda. Atau dengan kata lain, apabila benda mengalami percepatan, maka ada gaya yang bekerja pada benda tersebut.

Sesuai dengan hukum pertama, laju perubahan momentum terhadap waktu tidaklah nol ketika momentum berubah arah walaupun nilai besaran momentum tetap. Misalnya pada gerak melingkar beraturan. Hal ini menunjukkan adanya kelestarian (kekekalan) momentum, yaitu ketika gaya total pada benda sama dengan nol, maka momentum benda konstan. Setiap gaya total sama dengan laju perubahan momentum.

Massa yang berubah (bertambah atau berkurang) karena adanya sistem akan mengakibatkan perubahan momentum. Akan tetapi perubahan ini bukan berasal dari gaya luar melainkan karena perubahan massa itu sendiri.

Hukum II Newton ini memerlukan modifikasi ketika efek dari relativitas khusus harus diperhitungkan. Karena pada kecepatan tinggi (kecepatan cahaya c), pendekatan bahwa momentum adalah produk dari massa diam dan kecepatan menjadi tidak relefan. 

Hukum III Newton
Hukum ketiga ini menyatakan bahwa semua gaya berada dalam keadaan berpasangan. Jika obyek A memberikan gaya sebesar  F_A pada obyek B, maka secara bersamaan obyek B akan memberikan gaya sebesar  F_B. Kedua gaya ini sama besarnya tetapi berlawanan arah : F_A = −F_B. Hal ini menunjukkan bahwa semua gaya berinteraksi diantara benda yang berbeda dan tidak ada gaya yang berinterakasi hanya pada satu benda. Hukum ketiga ini sering juga disebut sebagai hukum aksi - reaksi, dimana F_A disebut 'aksi' dan F_B disbut 'reaksi'. Aksi dan reaksi bekerja secara simultan. Tidak mempedulikan mana aksi dan mana reaksi, tergantung dari sudut pandang mana kita melihat. Kedua gaya 'aksi - reaksi' tersebut merupakan bagian dari interaksi (kedua benda) tunggal, dan tidak ada gaya yang eksis tanpa adananya gaya yang lain.