Fisika Kelas X: Gaya dan Hukum Newton

Fisika Kelas X 1000guru.net 1 Fisika Kelas X 1000guru.net 1

Hukum Gerak dan Gaya

Gaya dan Hukum Newton

Aplikasi Hukum Newton


Keseimbangan dan Kelembaman

Tumpukan batu di samping menunjukkan konsep keseimbangan dan kelembaman (inersia) secara bersamaan.

Seimbang Ada suatu “faktor” internal dari dalam batu yang menjaga batu tidak bergerak

Lembam “malas” (inert), artinya batu tersebut akan tetap selamanya begitu jika tidak diganggu “faktor” eksternal dari luar.

“Faktor” apa yang dimaksud?

Gaya (“F”, force, bukan style)


Gaya dibutuhkan u/ mengubah keadaan

Gaya bisa berupa tarikan

Gaya bisa berupa dorongan atau pukulan

Kombinasi seluruh gaya yang bekerja pada sebuah

benda disebut dengan gaya total ∑𝑭 (atau resultan gaya, atau gaya netto). Gaya total ini, jika nilainya tidak nol, itulah yang akan mengubah keadaan gerak suatu benda. Satuan gaya?

newton (disingkat N)


Total gaya pada sebuah benda

Gaya := Vektor Mempunyai besar Mempunyai arah

Penjumlahan gaya mengikuti prinsip penjumlahan vektor

Gaya yang diberikan

Total Gaya

Benda bisa seimbang pada tangan anak ini karena total gaya bernilai nol.

∑𝐹


Total gaya pada sebuah benda

Gaya Tegang Tali dan Berat Benda 𝑇0

𝑊0

𝑇0 = 𝑊0

Kondisi timbangan mula-mula:

(kalibrasi titik nol):

Kondisi benda pada saat ditimbang:

𝑇𝑏 = 𝑊𝑏

𝑇𝑏 − 𝑊𝑏 = 0 → ∑𝐹 = 0

𝑇0 − 𝑊0 = 0 → ∑𝐹 = 0 𝑇𝑏

𝑊𝑏


Pemikiran Galileo tentang Gaya

Posisi awal Posisi akhir

Akan berhenti?

Jika bola tidak mengalami gangguan (alias gaya total bernilai nol), bola tersebut akan terus menggelinding dengan kecepatan tetap.


Hukum Newton ke-1

Keseimbangan mekanis (mechanical equilibrium)

Jika jumlah total gaya pada sebuah benda bernilai nol, maka: (1) Benda yang diam akan tetap diam. (2) Benda yang bergerak dengan kecepatan konstan akan tetap bergerak dengan kecepatan konstan.


Contoh Soal:

Apakah total gaya = nol?

①

②

Tunjukkan semua gaya yang bekerja pada papan!


Solusi:

①

Gaya berat dari 2 orang tukang dan dari papannya sendiri berpengaruh pada papan tsb.

Gaya tegang tali dari menyeimbangkan papan agar tidak jatuh sehingga total gaya bernilai nol (Σ𝐹 = 0)

Wpapan W1

W2

T1

T2


Solusi:

①

𝑇1 + 𝑇2 − 𝑊1 − 𝑊2 − 𝑊papan = 0

Wpapan W1

W2

T1

T2

Apa akibat/konsekuensi dari Σ𝐹 = 0 ?

𝑇1 + 𝑇2 = 𝑊1 + 𝑊2 + 𝑊papan


Solusi:

①

Wpapan W1

W2

T1

T2

𝑇1 + 𝑇2 = 𝑊1 + 𝑊2 + 𝑊papan

Contoh: Jika W1 = 700 newton, W2 = 500 newton, Wpapan = 1000 newton, maka berapakah T1 + T2?

= 700 + 500 + 1000 = 2200 newton


Apakah total gaya = nol? ②

Solusi:

Jawaban singkat: Ya

Alasan: Jika tidak nol, maka buku itu pasti sudah jatuh ke bawah akibat gaya berat/gravitasi.

Lalu kenapa buku tsb tidak jatuh meskipun punya gaya berat?

W (weight / gaya berat)

Ada gaya “normal” dari meja yang menahan buku tsb…

N (gaya normal hati-hati simbolnya sama dengan “newton”)


②

Solusi:

W (weight / gaya berat)

N (gaya normal)

Apa konsekuensi dari Σ𝐹 = 0?

Σ𝐹 = 0

+𝑁 − 𝑊 = 0

𝑁 = 𝑊

Contoh: Jika W = 50 newton maka N = 50 newton


Tingkat kelembaman/Inersia(“rasa malas”)

ditentukan oleh massa benda

Semakin besar massa benda, semakin “lembam” (malas)

semakin besar gaya yang dibutuhkan untuk membuatnya bergerak

Hati-hati! Massa bukanlah Berat (Gaya)

Massa Ukuran jumlah partikel yg menyusun benda [kg] Berat Ukuran gaya gravitasi yg bekerja pada benda [N]


Tingkat kelembaman/Inersia(“rasa malas”)

ditentukan oleh massa benda

Mencoba mengubah keadaan gerak suatu batu di luar angkasa

sama sulitnya dengan di Bumi (karena massa batu tak berubah)

Massa tidak terpengaruh lokasi

Sementara itu, gaya berat (gravitasi) sangat tergantung pada lokasi tempat benda berada.


𝐹

𝐹

𝑚1 𝑚2 𝑚 : massa 𝐹 : gaya

Apa jadinya jika benda berhasil diubah

geraknya oleh gaya tertentu?


Apa jadinya jika benda berhasil diubah

geraknya oleh gaya tertentu?

𝐹

𝐹


Muncul PERCEPATAN!

𝑎 Perubahan kecepatan

𝑎 =𝐹

𝑚


Hukum Newton ke-2

Jika total gaya yg diberikan tidak nol,

maka keadaan gerak benda akan berubah

m.a


𝐹 = 60 N

𝐹 = 60 N


Contoh aplikasi:

Menghitung Percepatan dari Gaya vs Massa

Diketahui m1 = 20 kg

m2 = 30 kg

Berapa nilai a setiap orang?

𝑎1 =𝐹

𝑚1=

60

20= 3 m/s2

𝑎2 =𝐹

𝑚2=

60

30= 2 m/s2

Jawab:


Gaya berat (gravitasi)

𝑊

Berat suatu benda muncul karena ada gaya gravitasi yang bekerja padanya (misal gravitasi Bumi)

𝐅 = 𝑚. 𝐚 → 𝐖 = 𝑚. 𝐠

Biasanya kita gunakan g = 9,8 m/s2

atau dibulatkan 10 m/s2

Contoh: berapa berat benda yang massanya

50 kg? 60 kg? 70 kg? (Jawab: 500 N, 600 N, 700 N)


Contoh Soal:

Truk bermassa 2.000 kg dapat bergerak dengan percepatan maksimum 3 m/s2. Kita asumsikan gaya gerak truk tak berubah, berapa percepatan truk sekarang jika ia mengangkut beban 500 kg?

①

②

Sebuah benda ditarik dengan gaya F sehingga bergerak dari keadaan diam sampai memiliki kelajuan 10 m/s dalam waktu 2 detik. Jika massa benda 0,6 kg, berapakah nilai gaya F?


Solusi:

① Sebuah benda ditarik dengan gaya F sehingga bergerak dari keadaan diam sampai memiliki kelajuan 10 m/s dalam waktu 2 detik. Jika massa benda 0,6 kg, berapakah nilai gaya F?

Diketahui : 𝑣0 = 0 m/s 𝑣𝑡 = 10 m/s 𝑡 = 2 s 𝑚 = 0,6 kg Ditanyakan : 𝐹

Yang perlu dihitung : 𝐹 = 𝑚. 𝑎 Data massa sudah diketahui, tapi percepatan belum ada. Hitung dulu:

𝑎 =Δ𝑣

𝑡=

𝑣𝑡 − 𝑣0

𝑡=

10 − 0

2= 5 m/s2

Jadi: 𝐹 = 𝑚. 𝑎 = 0,6 kg × 5 m/s2 = 3 N


② Truk bermassa 2.000 kg dapat bergerak dengan percepatan maksimum 3 m/s2. Asumsikan gaya gerak truk tak berubah, berapa percepatan truk sekarang jika ia mengangkut beban 500 kg?

Diketahui : Mula-mula

𝑚1 = 2.000 kg 𝑎1 = 3 m/s2 Kondisi akhir

𝑚2 = 2.500 kg

𝐹

𝐹 𝑚2

𝑚1

Nilai F dianggap tidak berubah

𝑎1

𝑎2 =? ? ?

Solusi:


Ditanyakan : percepatan pada kondisi akhir (yaitu 𝑎2)

Nilai F belum diketahui. Ini bisa dihitung dari data kondisi mula-mula: 𝐹 = 𝑚1. 𝑎1 = 2.000 × 3 = 6.000 N

Yang perlu dihitung: 𝑎2 =𝐹

𝑚2

Diketahui : Mula-mula

𝑚1 = 2.000 kg 𝑎1 = 3 m/s2 Kondisi akhir

𝑚2 = 2.500 kg

𝐹

𝐹 𝑚2

𝑚1

Nilai F dianggap tidak berubah

𝑎1

𝑎2 =? ? ?

Jadi: 𝑎2 =𝐹

𝑚2=

6.000

2.500=

12

5= 2,4 m/s2

Solusi:


Intermezzo: Trigonometri

Rumus-rumus trigonometri akan banyak digunakan dalam analisis fisika/mekanika yang terkait hukum Newton

sisi depan

(d)

sisi samping (s)

d

s

Letak d, s, dan m harus disesuaikan dgn posisi sudut yang dimaksud, agar tidak mengubah definisi rumus trigonometri.

Jangan lupa juga rumus Pythagoras: 𝑑2 + 𝑠2 = 𝑚2


Intermezzo: Trigonometri

Sudut-sudut istimewa

1

30∘

60∘ 2

2

1

45∘

45∘

1

2 3

37∘

53∘ 5

4

sin 30∘ =1

2

cos 30∘ =2

2

tan 30∘ =1

2

sin 60∘ =2

2

cos 60∘ =1

2

tan 60∘ = 2

Latihan: Coba hitung sendiri nilai sin, cos, tan untuk sudut-sudut 45∘, 37∘, dan 53∘!


Intermezzo: Gaya adalah Vektor

Jika ada gaya yang arahnya membentuk sudut tertentu terhadap arah gerak benda, maka komponen masing-masing

gaya tersebut perlu diuraikan ke setiap arah koordinat.

30∘

𝐹 = 20 N

𝑚 = 10 kg Contoh: Benda 10 kg ditarik dengan gaya 20 N pada lantai licin seperti pada gambar. Berapakah percepatan benda di arah sumbu horizontal?

30∘ 𝐹𝑥

𝐹𝑦

𝐹 𝐹𝑥

𝐹= cos 30∘

𝐹𝑥 = 𝐹 cos 30∘ = 20.2

2= 𝟏𝟎 𝟐 𝐍

𝑎𝑥

𝑎𝑥 =𝐹𝑥

𝑚=

10 2

10= 2 ≈ 𝟏, 𝟒 𝐦/𝐬𝟐


Contoh Soal:

① 1

45∘

45∘

1

2 3

37∘

53∘ 5

4

Coba hitung sendiri nilai sin, cos, tan untuk sudut-sudut 45∘, 37∘, dan 53∘!

②

37∘

5 kg

F = 50 N Benda 5 kg ditarik ke atas dengan gaya F sebesar 5 N menaiki bidang miring kasar sehingga benda bergerak dengan kecepatan

konstan (total gaya ΣF = 0). Berapa besar gaya gesek f yang dialami benda?

(Hati-hati kita perlu perhatikan komponen gaya berat

juga di dalam perhitungan ΣF)

f


Solusi:

① 1

45∘

45∘

1

2 3

37∘

53∘ 5

4

Hitung nilai sin, cos, tan untuk sudut-sudut 45∘, 37∘, dan 53∘!

45∘ → sin 𝜃 =1

2 ; cos 𝜃 =

1

2 ; tan 𝜃 = 1

37∘ → sin 𝜃 =3

5 ; cos 𝜃 =

4

5 ; tan 𝜃 =

3

4

53∘ → sin 𝜃 =4

5 ; cos 𝜃 =

3

5 ; tan 𝜃 =

4

3


②

37∘

5 kg

F = 50 N Benda 5 kg ditarik ke atas dengan gaya F sebesar 5 N menaiki bidang miring kasar sehingga benda bergerak dengan kecepatan

konstan (total gaya ΣF = 0). Berapa besar gaya gesek f yang dialami benda?

(Hati-hati kita perlu perhatikan komponen gaya berat

juga di dalam perhitungan ΣF)

f

“Diagram bebas” benda: Menggambar seluruh gaya yang mungkin bekerja pada sebuah benda

F = 50 N

f

Sekilas hanya ada F dan f

W = m.g = 5 kg . 10 m/s2 = 50 N

N

Namun secara lengkap ada W dan N juga

Solusi:


f

W

N

Menguraikan Gaya ke Sumbu Gerak:

F • F, f, dan N sudah sejajar dengan

sumbu-x atau sumbu-y

• Tinggal W saja yang perlu diuraikan

W

37∘

53∘ Wx

Wy

𝑊𝑥

𝑊= cos 53∘

𝑊𝑥 = 𝑊. cos 53∘ = 50 ×3

5

= 30 N

𝑊𝑦

𝑊= sin 53∘

𝑊𝑦 = 𝑊. sin 53∘ = 50 ×4

5

= 40 N


f

Gaya yang ditanyakan ada pada sumbu-x: (yaitu f)

F = 50 N

• Cukup gambarkan gaya-gaya yang ada pada sumbu-x

∑𝐹 = 0 ⇒ ∑𝐹𝑥 = 0

+𝐹 − 𝑊𝑥 − 𝑓 = 0

𝑓 = 𝐹 − 𝑊𝑥 = 50 − 30 = 20 N

Hukum ke-1 Newton:

Bagaimana dengan gaya-gaya pada sumbu-y?

N • Konsepnya sama, gambarkan gaya-gaya pada sumbu-y dan terapkan hukum ke-1 Newton.


Hukum Newton ke-3

Untuk setiap aksi sebuah benda A pada benda B, akan ada reaksi dari benda B pada benda A dengan besar gaya yang sama，namun arah berlawanan.

FBA = -FAB A B

𝐅BA

𝐅AB

Gaya selalu muncul berpasangan pada setiap interaksi, dan bekerja pada benda yang berbeda.

(pada B, oleh A) (pada A, oleh B)


Contoh penerapan hukum Newton ke-3

A

B

𝐅BA

𝐅AB

A

𝐅AB = 𝐖

Gaya berat/gravitasi pada A oleh Bumi

Bumi juga mengalami reaksi gravitasi dari benda A, namun karena pengaruh gaya yang lain maka Bumi seolah tidak terpengaruh oleh gaya tersebut.

A B

licin

mA = 6 kg

mB = 10 kg

F = 64 N Berapa besar gaya yang bekerja pada balok A akibat reaksi dari balok B?


Pekerjaan Rumah:

A

B

licin

mA = 3 kg

mB = 5 kg F = 12 N

Berapa besar gaya yang bekerja pada balok A akibat reaksi dari balok B jika ketika B bergerak balok A tidak jatuh?


Gesekan dan Pengaruhnya pada Gerak

Pada kenyataan, nyaris tidak ada permukaan licin dari suatu benda ketika berinteraksi dengan benda lain.

F f

Kekasaran permukaan suatu benda dalam fisika dinyatakan dengan besaran

“koefisien gesek” (𝜇) Selain ditentukan oleh koefisien gesek, besar gaya gesek ditentukan oleh berapa kuat dua benda saling bersentuhan:

“gaya normal” (𝑁)

N

𝑓 = 𝜇. 𝑁 Gaya gesek:


Gaya gesek statis dan kinetis

F = 4 N f = 4 N

• Gesekan muncul ketika ada gaya yang menarik benda F = 7 N f = 7 N

F = 10 N f = 10 N

• Setelah melewati ambang batas gaya tarik tertentu, gaya gesek akan mengecil dan konstan

F = 12 N f = 5 N

fs,max fk


Gaya gesek statis dan kinetis

𝑓𝑠,max = 𝜇𝑠. 𝑁

𝑓𝑘 = 𝜇𝑘 . 𝑁

• Jika F < fs,max, maka benda tetap diam. Besar gaya gesek yang bekerja adalah f = F

• Jika F = fs,max, maka benda masih diam (tepat akan bergerak). Besar gaya gesek yang bekerja adalah: f = fs,max = F

• Jika F > fs,max, maka benda akan bergerak. Besar gaya gesek yang bekerja adalah f = fk


Soal Gesekan #1:

𝐹 m = 9 kg

𝜇𝑠 = 0,1 𝜇𝑘 = 0,05

Berapa gaya gesek yang bekerja pada balok jika (a) F = 6 N (b) F = 8 N (c) F = 9 N (d) F = 10 N

Jawab:

Hitung dulu gaya gesek statis maksimum dan gaya gesek kinetik



𝑊 = 𝑚. 𝑔 = 90 newton

𝑁 = 𝑊 = 90 N


Jawab:

𝑓𝑠,max = 𝜇𝑠. 𝑁 = 0,1 × 90　 = 9 N

𝑓𝑘 = 𝜇𝑘. 𝑁 = 0,05 × 90 = 4,5 N


𝑁 = 𝑊 = 90 N

𝜇𝑠 = 0,1 𝜇𝑘 = 0,05

Kasus (a): F = 6 N, maka gaya gesek yang bekerja adalah sebesar 6 N juga karena benda belum bergerak.

Kasus (b): F = 8 N, maka gaya gesek yang bekerja adalah 8 N.

Kasus (c): F = 9 N, maka gaya gesek yang bekerja adalah 9 N.

Kasus (d): F = 10 N, maka gaya gesek yang bekerja adalah 4,5 N karena benda sudah bergerak (gaya gesek kinetis).

Benda baru akan bergerak jika ada gaya tarik yang besarnya lebih dari 9 N.

𝐹


Soal Gesekan #2:

Balok yang massanya 4 kg ditarik oleh gaya mendatar F = 24 N. Koefisien gesek statis antara bidang dan balok 0,2 sedangkan koefisien gesek kinetisnya 0,1.

(a) Apakah balok akan bergerak?

(b) Berapakah gaya geseknya?

(c) Berapakah percepatannya?

Jawab:

𝐹 = 24 N

𝜇𝑠 = 0,2 𝜇𝑘 = 0,1


𝑁 = 𝑊 = 40 N

𝑓𝑠,max = 𝜇𝑠. 𝑁 = 0,2 × 40　 = 8 N

𝑓𝑘 = 𝜇𝑘 . 𝑁 = 0,1 × 40 = 4 N

fk = 4 N

(a) Ya, karena F > fs,max

(b) Gaya geseknya fk = 4 N

(c) 𝑎 =∑𝐹

𝑚=

𝐹 − 𝑓𝑘

𝑚=

24 − 4

4= 5 m/s2


Soal Gesekan #3:

Sebuah balok bermassa 0,8 kg yang sedang bergerak dengan kecepatan 10 m/s memasuki suatu lantai kasar dan akhirnya berhenti setelah 5 detik. Berapa besar gaya gesekan lantai?

Jawab:

𝑣0 = 10 m/s


𝑁 = 𝑊 = 8 N

𝑣𝑡 = 0

fk = m . a

𝑎 =Δ𝑣

Δ𝑡=

𝑣𝑡 − 𝑣0

𝑡

Hitung percepatan:

𝑡 = 5 s

=0 − 10

5= −2 m/s2

Hitung gaya:

𝑓𝑘 = 𝑚. 𝑎 = 0,8 × −2 = −1,6 N


Soal Gesekan #4:

Sebuah balok bermassa 2 kg berada di atas lantai datar yang kasar dengan koefisien gesek statis 0,2 dan koefisien gesek kinetis 0,1. Balok ditarik gaya 10 N yang membentuk sudut 37o terhadap arah mendatar.

(a) Apakah benda diam atau bergerak?

(b) Berapa besar gaya geseknya?

(c) Berapa percepatannya?

Jawab:

𝑊 = 20 N

𝑁 𝐹

𝐹𝑥

𝐹𝑦 𝐹 = 10 N

𝐹𝑥 = 𝐹cos37∘ 37o

𝐹𝑦 = 𝐹sin37∘

𝐹𝑥 = 104

5= 8 N

𝐹𝑦 = 103

5= 6 N



𝑊

𝑁 𝐹𝑦

∑𝐹 = 0 → 𝑁 + 𝐹𝑦 = 𝑊


(a) Apakah benda diam atau bergerak?

Jawab:

𝑊 = 20

𝑁 𝐹

𝐹𝑥

𝐹𝑦 𝐹 = 10 N

𝐹𝑥 = 𝐹cos37∘ 37o

𝐹𝑦 = 𝐹sin37∘

𝐹𝑥 = 104

5= 8 N

𝐹𝑦 = 103

5= 6 N 𝑊

𝑁 𝐹𝑦

𝜇𝑠 = 0,2 𝜇𝑘 = 0,1

𝑓𝑠,max = 𝜇𝑠. 𝑁 = 0,2 × 14　 = 2,8 N

𝑓𝑘 = 𝜇𝑘. 𝑁 = 0,1 × 14 = 1,4 N

𝑁 + 𝐹𝑦 = 𝑊

𝑁 = 𝑊 − 𝐹𝑦 = 20 − 6 = 14 N

𝑁 + 𝐹𝑦 = 𝑊

𝐹𝑥 = 8 N

Ya, karena F > fs,max


2 kg

(b) Berapa besar gaya geseknya?

Jawab:

𝑓𝑠,max = 𝜇𝑠. 𝑁 = 0,2 × 14　 = 2,8 N

𝑓𝑘 = 𝜇𝑘. 𝑁 = 0,1 × 14 = 1,4 N

𝐹𝑥 = 8 N

Gaya geseknya fk = 1,4 N

fk

(c) Berapa besar percepatannya?

𝐹𝑥 fk 𝑎 =∑𝐹

𝑚=

𝐹𝑥 − 𝑓𝑘

𝑚

=8 − 1,4

2=

6,6

2= 3,3 m/s2

Fisika Kelas X: Gaya dan Hukum Newton

Education

Transcript of Fisika Kelas X: Gaya dan Hukum Newton