SKL UN IPA 5 : Gerak Lurus dan Hukum Newton

SKL UN IPA 5 : Gerak Lurus dan Hukum Newton

KOMPETENSI
Mendeskripsikan dasar-dasar mekanika (gerak, gaya, usaha, dan  energi) serta penerapan konsep tekanan dalam kehidupan sehari-hari.

INDIKATOR
Menentukan jenis gerak lurus atau penerapan hukum Newton dalam kehidupan sehari-hari.

MATERI
Gerak Lurus
Ada 2 jenis gerak lurus, yaitu gerak lurus beraturan (GLB) dan gerak lurus berubah beraturan (GLBB)
1. Gerak lurus beraturan (GLB) adalah gerak suatu benda yang lintasannya berupa garis lurus dengan kecepatan tetap.


2. Gerak lurus berubah beraturan (GLBB) adalah gerak suatu benda yang lintasannya berupa garis lurus dengan kecepatan yang berubah secara teratur (percepatan tetap).
Gerak lurus berubah beraturan (GLBB) dibedakan menjadi dua, yaitu GLBB dipercepat dan GLBB diperlambat.
a. GLBB dipercepat
contoh : gerak benda jatuh bebas dan gerak benda menuruni bidang miring

b.  GLBB diperlambat
contoh : gerak benda vertikal ke atas dan gerak benda horizontal dalam permukaan kasar (tanah, pasir)

Contoh soal :
Perhatikan gambar hasil rekaman ticker timer sebagai berikut!

Grafik (v –t) berikut yang melukiskan gerak benda tersebut ditunjukkan oleh ….

Pembahasan
Di baca dari kanan ke kiri (lihat arah gerak F), tampak bahwa jarak antara titik-titik makin dekat (GLBB diperlambat), kemudian jarak antara titik makin jauh (GLBB dipercepat)
Jawab : B


Hukum Newton
a. Hukum I Newton (Hukum Kelembaman)
Bunyi hukum I Newton
“Suatu benda tetap berada dalam keadaan diam atau bergerak dengan kecepatan tetap jika tidak ada gaya luar yang bekerja padanya “
Tidak ada gaya luar yang bekerja, berarti resultan gaya sama dengan nol. Atau secara matematis dituliskan sebagai
Hukum I Newton ===> ∑F = 0 untuk benda diam atau benda bergerak lurus beraturan
Hukum I Newton juga menggambarkan bahwa suatu benda akan cenderung mempertahankan keadaan diam atau keadaan bergeraknya
Peristiwa sehari-hari yang berkaitan dengan hukum I Newton
Ketika kita berdiri dalam bus yang sedang  melaju kencang, tiba-tiba bus direm, para penumpang akan terdorong ke depan. Demikian juga saat tiba-tiba bus dipercepat (di gas), para penumpang terlempar ke belakang.

b. Hukum II Newton
Hukum II Newton dapat dituliskan sebagai berikut.


“ Besarnya percepatan yang dialami benda berbanding lurus dengan gaya total yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya. Arah percepatan sama dengan arah gaya total yang bekerja padanya.”
Secara matematis dituliskan :

a = percepatan (m/s2)
∑F = gaya total (N)
m = massa benda (kg)

c. Hukum III Newton (Hukum Aksi Reaksi)
Bunyi hukum III Newton
"Untuk setiap gaya aksi yang dilakukan, selalu ada gaya reaksi yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan."
Atau
"Ketika suatu benda memberikan gaya pada benda kedua, benda kedua tersebut memberikan gaya yang besarnya sama tetapi berlawanan arah dengan benda pertama."
Contoh
- seorang anak yang sedang menendang bola
- seseorang yang sedang berjalan
- mendayung
- berenang
- peluncuran roket

Massa dan Berat

Massa dan Berat

Massa dan berat merupakan dua hal yang berbeda, meskipun dalam keseharian orang sering mencampuradukkan pengertian keduanya.
Misalnya, ada seseorang yang  mengatakan berat tubuhnya 60 kg, padahal yang dimaksud tubuhnya bermassa 60 kg.

Perbedaan massa dan berat
Massa :
1. Menyatakan banyaknya materi yang terkandung pada suatu benda.
2. Besarnya di mana-mana tetap
3. Termasuk besaran skalar (besaran yang hanya memiliki besar saja, tidak memperhitungkan arah)
4. Satuan dalam internasional (SI) adalah kilogram
5. Diukur dengan menggunakan neraca Ohauss

Berat
1. Menyatakan besarnya gaya tarik gravitasi bumi yang bekerja pada suatu benda
2. Besarnya berubah-ubah sesuai kedudukannya (tergantung pada percepatan gravitasi di tempat tersebut).
Semakin jauh dari pusat bumi berat suatu benda semakin berkurang. Demikian juga berat benda di kutub akan lebih besar dibandingkan berat benda di khatulistiwa.
3. Termasuk besaran vektor (besaran yang memiliki besar dan arah)
4. Satuan dalam internasional (SI) adalah newton
5. Diukur dengan menggunakan neraca pegas (dinamometer)

Misalnya, sebuah apel yang  bermassa 200 g akan mempunyai berat yang berbeda-beda ketika ditimbang pada tempat yang berbeda.
Apel yang bermassa 200 g, mempunyai berat 1,96 N  ketika ditimbang dipermukaan bumi (percepatan gravitasi 9,8 m/s²), beratnya 1,952 ketika ditimbang di atas gunung (percepatan gravitasi 9,76 m/s²), bahkan beratnya hanya 0,327 ketika ditimbang di bulan.


Hubungan massa dan berat
Massa dan berat dihubungkan dengan persamaan.
W = m g
W = berat (N)
m = massa benda (kg)
g = percepatan gravitasi (m/s²)

Contoh Soal
Seorang anak  bermassa 40 kg ketika ditimbang di bumi. Jika percepatan gravitasi bumi 9,8 m/s² dan percepatan gravitasi bulan 1/6 kali percepatan gravitasi bumi. Tentukan :
a. berat benda di bumi
b. massa benda di bulan
c. berat benda di bulan

Penyelesaian
Diketahui :
m_bm = 40 kg
g_bm = 9,8 m/s²
g_bl = 1/6 x gbm

Ditanya :
a. W_bm
b. m_bl
c. W_bl

Jawab :
a.  W_bm = m_mb. gbm  = 40. 9,8 = 392 N
b. Massa di mana-mana tetap, sehingga m_bm = m_bl = 40 kg
c. W_bl = m_bl. g_bl  = 40. 1/6. 9,8 = 65,3 N

Hubungan Gaya dengan GLBB

Hubungan gaya dengan GLBB

Ketika resultan gaya yang bekerja pada sebuah benda sama dengan nol (ΣF =0), benda tersebut berada dalam keadaan diam atau bergerak lurus dengan kecepatan tetap (GLB). Hal ini sesuai dengan hukum I Newton.
Dalam hukum II Newton disebutkan bahwa besarnya percepatan benda sebanding dengan besar gaya yang diberikan dan berbanding terbalik dengan massanya. Dari hukum II Newton ini dapat dituliskan :
ΣF = m.a
Pada keadaan seperti ini  benda tersebut mengalami gerak lurus berubah beraturan (GLBB).

Kita tuliskan kembali hukum II Newton dalam bentuk F = m a dan percepatan,

dan

sehingga diperoleh

F = gaya (N)
m = massa benda (kg)
V₀ = kecepatan mula-mula (m/s)
V_t = kecepatan akhir (m/s)
t = selang waktu (s)

Contoh soal 
Sebuah mobil yang massanya 1000 kg bergerak dari keadaan diam dengan percepatan konstan, sehingga selama 5 s kelajuannya menjadi 15 m/s.  Berapa besar gaya yang mempercepat mobil tersebut?

Penyelesaian :

Manfaat Penggunaan Sabuk Pengaman

Menurut Hukum I Newton, suatu benda akan diam atau akan bergerak lurus dengan kecepatan tetap, tanpa adanya gaya dari luar yang bekerja padanya. Kecenderungan benda untuk mempertahankan kedudukannya ini disebut dengan inersia. Sehingga hukum I Newton disebut juga juga dengan hukum Inersia atau kelembamam.

Sifat inersia ini tampak sekali dalam kehidupan sehari-hari, misalnya seorang penumpang yang sedang duduk dengan nyaman, tiba-tiba akan terdorong ke depan ketika kendaraan yang dinaikinya di rem secara tiba-tiba. Apalagi kalau terjadi kecelakaan (bertabrakan  dengan kendaraan lain), maka tubuh para penumpang akan membentur ke sana kemari.

Penggunaan Sabuk Pengaman

Untuk mengurangi resiko akibat kecelakaan gunakanlah sabuk pengaman. Sabuk pengaman adalah sebuah alat yang dirancang untuk menahan seorang penumpang mobil atau kendaraan lainnya agar tetap di tempat apabila terjadi tabrakan, atau, yang lebih lazim terjadi, bila kendaraan itu berhenti mendadak. Sabuk pengaman dirancang untuk mengurangi luka dengan menahan si pemakai dari benturan dengan bagian-bagian dalam kendaraan itu atau terlempar dari dalam kendaraannya.

Gerakan kepala jika terjadi tabrakan

Saat kendaraan yang kita tumpangi tiba-tiba direm mendadak atau menabrak sesuatu hingga berhenti, apa yang terjadi dengan kita? Tentu tubuh kita aka terdorong, bahkan bisa terlempar ke depan. Seadainya di depan kita ada benda-benda yang berbahaya, misalnya benda keras atau kaca mobil, tentunya akan berakibat fatal.

Kegunaan sabuk pengaman (seat belt) akan "mengunci" tubuh kita di saat kita seharusnya "terdorong" ke depan karena sifat sifat inersia pada diri kita.

Selain sabuk pengaman, beberapa mobil yang lebih modern diperlengkapi dengan kantung udara. Kantung udara  atau ”air bag”yang akan mengembang ketika mobil tiba-tiba berhenti sehingga dapat mencegah sopir menabrak kemudi atau dashboard.






Nah, kalau sudah tahu sifat inersia atau kelembaman, semakin sadar kita untuk menggunakan sabuk pengaman. Demikian juga bagi pengendara motor untuk menggunakan helm, sehingga resiko akibat benturan atau kecelakaan  dapat dihindari.

Buka  juga video  berikut yang mendemontrasikan hukum I Newton pada pengaman pada kendaraan.

http://www.youtube.com/watch?v=8zsE3mpZ6Hw&feature=related

Sumber referensi :

http://id.wikipedia.org/wiki/Sabuk_pengaman.

http://b0cah.org/index.php?option=com_content&task=view&id=645&Itemid=4.

http://vtemplateblog.blogspot.com/2011/06/cara-kerja-airbag-kantung-udara-pada.html.

http://www.youtube.com/watch?v=8zsE3mpZ6Hw&feature=related.

Hukum III Newton

Seorang anak yang mendorong sebuah lemari akan merasakan bahwa semakin kuat dia mendorong, dia merasakan dorongan lemari kepadanya juga semakin besar. Ini terbukti dengan rasa sakit yang dirasakan anak tersebut ketika dia menekan dengan sangat kuat.

Gaya-gaya selalu berpasangan, yang keduanya sama besar tapi arahnya berlawanan. Pasangan gaya yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan, dan bekerja pada dua benda yang berbeda ini disebut sebagai pasangan gaya aksi-reaksi.

Newton menyatakan pasangan gaya aksi-reaksi ini dalam hukum ketiganya yang berbunyi :

"Untuk setiap gaya aksi yang dilakukan, selalu ada gaya reaksi yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan."

Atau

"Ketika suatu benda memberikan gaya pada benda kedua, benda kedua tersebut memberikan gaya yang besarnya sama tetapi berlawanan arah dengan benda pertama."

Hukum III Newton ini disebut juga sebagai Hukum Aksi-Reaksi.

Contoh lain, seorang anak yang sedang menendang bola

Jika kaki memberikan gaya ke bola, maka bola pun memberikan gaya yang besarnya sama dengan yang diberikan kaki dengan besar sama tapi arahnya berlawanan.

Peristiwa yang menunjukkan adanya pasangan gaya aksi-reaksi

........

...........

..........

(a) orang berjalan

Hukum II Newton

Dari Hukum I Newton, kita mengetahui bahwa jika resultan gaya sama dengan nol maka suatu benda diam atau bergerak lurus dengan kecepatan tetap (percepatan = 0). Bagaimana jika resultan gayanya tidak sama dengan nol? Bagaimana hubungan antara percepatan dan resultan gaya?

Hukum II Newton dapat dituliskan sebagai berikut.

“ Besarnya percepatan yang dialami benda berbanding lurus dengan gaya total yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya. Arah percepatan sama dengan arah gaya total yang bekerja padanya.”

Secara matematis dituliskan :

a = percepatan (m/s2)

∑F = gaya total (N)

m = massa benda (kg)

Marilah kita uji dengan melakukan percobaan.

Pada percobaan pertama, massanya dibuat bervariasi dan gaya yang menarik beban (berat) dibuat tetap.

Dari percobaan di atas diperoleh bahwa jika massa benda diperbesar maka percepatannya berkurang. Dengan kata lain dapat disimpulkan percepatan benda berbanding terbalik dengan  massa benda.

Pada percobaan berikut, dibuat gaya yang bekerja pada benda (beban) berubah, sedangkan massanya di buat tetap.

Dari percobaan tersebut diperoleh bahwa jika gaya diperbesar maka percepatannya berkurang. Dengan kata lain dapat disimpulkan percepatan benda berbanding terbalik dengan  massa benda.

Dari rumus hukum II Newton yaitu ∑F = m a kita dapat menyimpulkan bahwa gaya sebesar 1 Newton dapat menyebabkan percepatan sebesar 1 m/s² pada sebuah benda yang bermassa 1 kg. Gaya sebesar 2 N dapat menyebabkan percepatan sebesar 1 m/s² pada benda bermassa 2 kg atau percepatan sebesar 2 m/s² pada benda bermassa 1 kg dan seterusnya.

Contoh Soal 

1. Suatu benda yang massanya 2 kilogram dipercepat pada 2,5 m/s2. Berapa resultan gaya yang bekerja pada benda?

Penyelesaian

Diketahui :

m = 2 kg

a = 2,5 m/s²

Ditanya : F =?

Jawab

F = m a = 2. 2,5 = 5 N

2. Sebuah mobil balap mampu menghasilkan gaya sebesar 8000 N. Berapa percepatan mobil balap itu jika massa mobil 1500 kg dan total gesekan antara permukaan jalan dan gesekan angin 5000 N?

Penyelesaian
Pada mobil bekerja dua buah gaya yang saling berlawanan yaitu gaya mesin F dan gaya gesekan f.

Sehingga nilai resultan gayanya F = F - f = 8000 - 500 = 7500 N.

Dengan massa mobil sebesar 1500 kg, diperoleh percepatan

Untuk memperdalam hubungan antara percepatan, gaya dan massa kerjakan kuis berikut (klik di sini)

Bagaimana? Apakah sudah memahami materi ini dengan baik. Uji pemahaman Anda dengan mengerjakan kuis (klik di sini).

Hukum I Newton

Balapan Mobil

 Berdasarkan hukum I Newton, setiap benda akan selalu mempertahankan kedudukannya. Inilah sebabnya sulit mengendalikan mobil yang melaju dengan kencang (mencegah tabrakan). Seperti kencangnya mobil-mobil balap di samping .

 Bunyi hukum I Newton

“Suatu benda tetap berada dalam keadaan diam atau bergerak dengan kecepatan tetap jika tidak ada gaya luar yang bekerja padanya “

Tidak ada gaya luar yang bekerja, berarti resultan gaya sama dengan nol. Atau secara matematis dituliskan sebagai

Hukum I Newton ===> ∑F = 0 untuk benda diam atau benda bergerak lurus beraturan

Hukum I Newton juga menggambarkan bahwa suatu benda akan cenderung mempertahankan keadaan diam atau keadaan bergeraknya. Perhatikan animasi berikut!

Perhatikan animasi yang pertama

Sebuah gelas yang diletakkan di atas meja. Dan di bawah gelas ditaruh selembar kertas. Kertas ditarik dengan lebih lambat, gelas berpindah dari posisinya. Hal ini disebabkan gaya yang diberikan cukup lama, sehingga gelas tersebut tidak dapat mempertahankan keadaan diamnya.

Perhatikan animasi kedua

Saat kertas ditarik dengan cepat, gelas tersebut tetap berada pada posisinya. Hal ini disebabkan gaya yang diberikan dalam waktu singkat (tidak ada gaya yang bekerja padanya). Sehingga gelas tidak bergerak sedikitpun.

Kecenderungan sebuah benda untuk mempertahankan keadaan diamnya disebut dengan inersia/kelembaman.

Sehingga Hukum I Newton disebut juga hukum inersia atau hukum kelembaman.

Besarnya inersia/kelembaman benda ditunjukkan dengan massa (ukuran inersia suatu benda).

Peristiwa sehari-hari yang berkaitan dengan hukum I Newton

Ketika kita berdiri dalam bus yang sedang  melaju kencang, tiba-tiba bus direm, para penumpang akan terdorong ke depan. Demikian juga saat tiba-tiba bus dipercepat (di gas), para penumpang terlempar ke belakang.

Bagaimana? Apakah sudah memahami materi ini dengan baik. Uji pemahaman Anda dengan mengerjakan kuis (klik di sini).

Referensi :

Foster, Bob. 1997. Terpadu Fisika SMA 1A. Jakarta : Erlangga

Kanginan, Marthen. 2002. Fisika untuk SMA kelas X. Jakarta : Erlangga

Sumber gambar :

http://matanews.com/wp-content/uploads/BalapanMobil111009-590x377.jpg

Miskonsepsi Tentang Gerak

Pendapat Aristoteles

Aristoteles, ilmuwan Yunani, menyatakan pendapatnya bahwa :

1. Benda yang yang lebih lebih berat akan jatuh lebih cepat daripada benda yang ringan.
2. Benda akan terus bergerak sepanjang ada gaya yang mendorong atau menarik benda tersebut. Benda akan terhenti atau diam jika tidak ada gaya yang bekerja.

Perhatikan animasi berikut

Setelah melihat animasi di atas apakah Anda berpendapat sama seperti Aristoteles? Yaitu benda yang lebih berat akan sampai ke tanah terlebih dahulu dari pada benda yang lebih ringan.

Mainkan juga animasi berikut

Apakah Anda juga berpendapat yang sama bahwa untuk mempertahankan gerak benda tersebut diperlukan gaya dari luar? Bola tersebut akan terus bergerak jika ada gaya dari luar (misalnya ditendang kembali).

Percobaan Galileo

Galileo kemudian  melakukan percobaan untuk menguji anggapan tersebut.

Galileo konon melakukan percobaannya dari menara Pisa. Dengan menjatuhkan dua benda, yang satu besar dan satunya kecil ternyata keduanya sampai ke dasar lantai dalam waktu yang sama.

Perhatikan animasi berikut.

Dengan demikian tumbanglah pendapat Archimedes yang pertama, bahwa benda yang lebih berat akan jatuh lebih dahulu daripada benda yang lebih ringan. Mengapa kejadian sehari-hari tidak demikian? Faktor gesekan udaralah yang menyebabkan daun sampai ke tanah lebih lambat.

Perhatikan juga percobaan berikut.

Galileo menggunakan bola yang digelindingkan pada lintasan yang melengkung, dengan kedua kelengkungan mempunyai ketinggian yang sama.

Percobaan (a)

Bola akan mencapai ketinggian yang  relatif sama.

Percobaan (b)

Sudut kelengkungan dikurangi. Di sini bola juga mencapai ketinggian yang relatif sama tetapi membutuhkan lintasan yang lebih jauh. Semakin dikurangi kelengkungannya jarak yang dicapai bola lebih jauh lagi.

Percobaan (c)

Dengan kelengkungan nol (lintasan lurus) dapat dipastikan lintasan  yang ditempuh bola akan sangat jauh (benda tidak akan berhenti). Berhentinya benda semata-mata disebabkan adanya gesekan antara bola dengan dasar lantainya.

Percobaan lebih lanjut

Untuk lebih jelas lagi, kita gunakan percobaan yang lain.

Coba mainkan animasi  berikut.

Sebuah kertas dan penghapus yang dijatuhkan secara bersamaan.

Apa yang dapat Anda simpulkan?

Apakah dapat diambil kesimpulan umum , bahwa benda yang lebih berat jatuh terlebih dahulu daripada benda yang ringan?

Mari, kita mainkan animasi berikutnya.

Percobaan tadi diulangi, tapi kertasnya diremas-remas hingga menjadi kecil.

Bagaimana hasilnya?

Ternyata antara kertas dan penghapus jatuh dalam waktu yang bersamaan.

Pada percobaan sebelumnya penghapus lebih dulu jatuh sampai tanah bukan karena lebih berat. Tetapi gesekan udara pada kertas besar. Terbukti setelah kertas di remas-remas membentuk bola, kertas bisa jatuh  ke tanah dengan waktu yang bersamaan.

Bagaimana dengan penjelasan di atas. Jika masih bingung baca kembali dan amati tiap animasi secara teliti. Miskonsepsi/kesalahan konsep adalah hal yang biasa. Seperti anak kecil yang belum memahami bahwa bumilah yang mengitari matahari. Bagaimana? Apakah sudah memahami materi ini dengan baik. Uji pemahaman Anda dengan mengerjakan kuis (klik di sini). Referensi 1. Foster, Bob.1997. Terpadu Fisika SMA untuk kelas X. Jakarta : Erlangga 2. Kanginan, Marthen. 2002. Fisika untuk SMA Kelas X. Jakarta : Erlangga