DINAMIKA PARTIKEL - 1
Mata Pelajaran : Fisika K e l a s : X (Sepuluh) Nomor Modul : Fis.X.04
Penulis Penyunting Materi Penyunting Media
: Drs. Sanserlis F. Toweula : Drs. I Made Astra, M.Si. : Drs. Nasirudin
DAFTAR ISI
PENDAHULUAN Kegiatan Belajar 1: HUKUM I NEWTON ........................................................ 5 Petunjuk .......................................................................... 5 Uraian Materi .................................................................. 5 A. Gaya Mempengaruhi Gerak Benda ........................... 5 B. Gaya Kontak / Sentuh ............................................... 10 TUGAS KEGIATAN 1....................................................... 11 Kegiatan Belajar 2: HUKUM II NEWTON ....................................................... Petunjuk .......................................................................... Uraian Materi .................................................................. A. Gaya Menimbulkan Percepatan .................................. B. Gaya Berat ................................................................. C. Pada Benda yang Bergerak Melingkar ....................... TUGAS KEGIATAN 2.......................................................
13 13 13 15 17 22 26
Kegiatan Belajar 3: HUKUM III NEWTON ...................................................... Petunjuk .......................................................................... Uraian Materi .................................................................. TUGAS KEGIATAN 3.......................................................
29 29 29 33
PENUTUP ........................................................................................................ 35 KUNCI KEGIATAN........................................................................................... 37 DAFTAR PUSTAKA......................................................................................... 42
PENDAHULUAN Bayangkan Anda sedang menonton pertandingan sepakbola. Bayangkan juga Anda sedang mengamati lalu lintas di suatu jalan raya yang ramai. Pemandangan apakah yang sama dari kedua peristiwa tersebut? Ya, semuanya, pemain sepak bola, wasit, bola, mobil, motor, sepeda, orang yang lalu-lalang melakukan hal yang sama yaitu “Bergerak”. Sekarang pikirkan, mengapa mereka bergerak? Apa yang membuat mereka bergerak? Bagaimana mereka mengubah-ubah arah geraknya dengan mudah dan cepat? Modul yang sedang Anda baca ini akan memberikan jawaban atas pertanyaanpertanyaan tersebut. Secara sistematik Anda akan belajar dalam 3 kegiatan belajar. Pada tiap kegiatan diberikan contoh aplikasi dalam kehidupan nyata. Pokok utama pembelajaran adalah Gerak Lurus dan Penyebabnya yang dijabarkan atas tiga kegiatan belajar. Kegiatan Belajar 1 : membahas mengapa sebuah benda dapat berada dalam keadaan diam atau Hukum I Newton. Kegiatan Belajar 2 : membahas bagaimana sebuah benda yang mula-mula diam dapat bergerak dengan kecepatan yang terus bertambah. Atau bagaimana sebuah benda yang semula bergerak dapat berhenti setelah satu satuan waktu. Hukum II Newton. Kegiatan Belajar 3 : membahas interaksi gaya antara dua benda yang berbenturan. Hukum III Newton. Setelah mempelajari modul ini dengan seksama Anda akan memiliki kompetensi untuk menjelaskan penyebab gerak sebuah benda, faktor-faktor yang mempengaruhi geraknya, serta mengaplikasikannya untuk memecahkan berbagai persoalan gerak dalam kehidupan nyata. Pada akhir modul disediakan soal-soal latihan untuk melatih pemahaman konsep, dan pada akhir modul di berikan Tes Akhir Modul. Untuk menguji penguasaan Anda atas modul ini, waktu yang Anda perlukan untuk menyelesaikan modul ini adalah 14 jam pelajaran. Selamat belajar!
Kegiatan Belajar 1
HUKUM I NEWTON Setelah mempelajari kegiatan 1 ini Anda diharapkan dapat: 1. mendiskripsikan Hukum I Newton dengan menggunakan diagram gaya; 2. menerapkan Hukum I Newton dalam kehidupan nyata; 3. menggambar diagram gaya-gaya pada suatu benda; dan 4. melakukan percobaan berdasarkan Hukum I Newton.
A. Gaya Mempengaruhi Gerak Benda Mungkin Anda pernah mendorong mobil mainan yang diam, jika dorongan Anda lemah mungkin mobil mainan belum bergerak, jika gaya dorong diperbesar mobil bergerak atau jika Anda naik sepeda meluncur di jalan raya, jika sepeda direm, sepeda berhenti.
Gambar 1.1. Mobil mainan yang didorong.
Berdasarkan uraian di atas, apakah sebenarnya yang membuat mobil mainan yang mula-mula diam menjadi bergerak, dan sepeda yang mula-mula bergerak menjadi diam? Agar mobil bergerak dan sepeda berhenti diperlukan energi (tenaga). Energi untuk mendorong mobil dan menghentikan sepeda dikerjakan, pada benda dengan suatu alat tertentu. Saat mendorong mobil Anda memakai tangan dan saat mengerem karet rem menyentuh roda sepeda hingga berhenti.
5
Saat tangan menyentuh mobil dan karet rem menyentuh roda, maka tangan dan karet memberikan gaya tekan yang mempengaruhi benda. Jadi, yang menyebabkan sebuah benda bergerak atau berhenti adalah energi. Energi diperlukan untuk mengerjakan gaya pada benda. Kemudian gaya akan mempengaruhi gerakan benda. Penyebab benda bergerak ialah energi. Gaya hanya akan mempengaruhi gerak benda. Ada beberapa pengaruh gaya pada benda bila gaya bekerja pada suatu benda maka: 1. Gaya akan mengubah kecepatan benda dari diam menjadi bergerak, dari bergerak lalu berhenti.
Gambar 1.2. Mobil mogok didorong hingga bergerak.
2. Gaya dapat mengubah arah gerak benda, misalnya ditunjukkan oleh gambar 1.3. berikut:
Gambar 1.3. Bola ditendang dari sisi gawang lalu disundul ke arah gawang.
6
3. Gaya juga dapat mengubah bentuk benda. Jika Anda memiliki balon, tiup dan ikatlah balon, sehingga balon tetap menggembung. Apa yang terjadi jika balon tadi kita tekan perlahan dengan tangan? Pasti Anda akan mendapatkan balon agak kempes, atau bentuk balon berubah. Perubahan bentuk balon karena pengaruh gaya tekan. 4. Gaya dapat mempengaruhi ukuran sebuah benda, karet jika ditarik akan bertambah panjang, sedangkan pegas jika ditekan akan bertambah pendek. Selanjutnya, coba Anda bayangkan seandainya Anda meletakkan gelas yang diam di atas meja datar, amati beberapa saat, apakah gelas tetap diam atau menjadi bergerak? Anda akan mendapatkan bahwa gelas tetap diam, karena tidak ada gaya yang bekerja pada gelas (gambar 1.4.)
Gambar 1.4. Gelas diam tetap diam.
Bagaimana jika Anda membayangkan sedang mengamati kelereng yang sedang meluncur di lantai licin yang datar, apakah kelereng akan terus meluncur bergerak atau berhenti? Jika keadaan lantai licin sempurna, Anda akan mendapatkan kelereng terus bergerak, karena tidak ada gaya yang menghentikan kelereng (gambar 1.5.)
V
Gambar 1.5. Kelereng yang bergerak tetap bergerak.
Dari uraian di atas dapat disimpulkan bahwa benda yang diam cenderung untuk diam, benda yang bergerak cenderung untuk tetap bergerak. Hal ini disebut sifat kelembaman benda. Seorang ahli fisika dari Inggris bernama Newton, merumuskan peristiwa-peristiwa seperti di atas, dan selanjutnya disebut dengan Hukum I Newton, yang berbunyi: Suatu benda akan tetap diam atau tetap bergerak lurus beraturan jika jumlah seluruh gaya pada benda sama dengan nol. Hukum di atas dituliskan: ΣF = 0 Newton 7
Dengan ΣF adalah resultan gaya pada benda, dengan satuan newton (N), 1 newton = 1 kg ms-2. Contoh 1 Gambar di samping dimaksudkan suatu benda (balok) terletak di atas bidang datar yang licin. Balok mengalami gaya tarik F1 = 15 N ke kanan dan gaya F2 ke kiri. Jika benda tetap diam berapa besar F2?
N F1
F1 = 15 N
w Gambar 1.6. Beban mengalami dua gaya.
Jawaban Karena benda tetap diam, sesuai dengan Hukum I Newton ΣF = 0 F1 – F2 = 0 F2 = F1 = 15 N Contoh 2 Pada gambar 1.7. dimaksudkan beban B meluncur ke kanan dengan kecepatan tetap 4 ms-1. Jika F1 = 10 N; F2 = 20 N, berapa besar F3?
N F3
F2
F1
w Gambar 1.7. Beban mengalami tiga gaya.
Jawab Sesuai dengan Hukum I Newton, gaya yang bergerak lurus beraturan (kecepatan tetap) adalah nol. ΣF = 0 F1 + F3 – F2 = 0 F3 = F2 – F1 F3 = 20 – 10 F3 = 10 N Perhatikan dan pahami contoh-contoh berikut ini! Contoh 3 Beban yang beratnya 50 N tergantung pada 2 tali seperti ditunjukkan gambar 1.8. (Sin 37 = 0,6). Tentukan berapa besar gaya tegangan tali T1 dan T2! 8
T2y
37
53
0
T1x
T1
T2
T1
T2
0
370
T1x
530
T2x
T T
50 N W = 50 N Gambar 1.8. a) Beban tergantung pada dua tali. b) Diagram gaya.
Jawaban Gambarkan dahulu diagram gaya-gayanya seperti pada gambar di atas. Selanjutnya kita tinjau beban w.
→ 50 1,25
Karena beban m diam, maka ΣF = 0 → T – w Selanjutnya kita tinjau pada cabang tali T2X – T1X - Arah mendatar ΣFα = 0 T2 Cos 53 0,6 T2 T1 -
Arah Vertikal ΣFy T1y + T2y – T
=0 = = = =
T = w = 50 N
0 T1 Cos 37 0,8 T1 0,75 T2
= 0 = 0
T Sin 37 + T2 Sin 53 – 50 = 0 subtitusi dengan 0,75 T2. 0,6 + T2. 0,8 – 50 = 0 T2
= = 40 N
T1
= 0,75 T2 = 30 N
9
B. Gaya Kontak / Sentuh Untuk mengerjakan gaya pada suatu benda perlu ada kontak langsung dengan benda atau dapat juga menggunakan benda lain. Saat terjadi kontak antara dua benda akan bekerja dua gaya kontak yaitu: 1. Gaya Normal (N) Gaya normal adalah gaya kontak yang kedudukannya tegak lurus bidang kontak dan arahnya menjauhi bidang kontak. Gambar 1.9. memperlihatkan gaya normal sebagai gaya kontak.
N
N
N
N
w w
θ w
w bidang kontak
Gambar 1.9. Gaya normal tegak lurus bidang kontak.
Perhatikan baik-baik gambar 1.9. dan lihat bahwa titik tangkap gaya normal (N) selalu terletak pada bidang kontak. 2. Gaya Gesekan (f) gaya gesekan adalah gaya kontak yang kedudukannya berimpit dengan bidang kontak dan arahnya berlawanan dengan kecenderungan arah gerak benda. Ada syarat khusus untuk gaya gesekan yaitu permukaan yang bersentuhan tidak boleh licin. Khusus mengenai gaya gesekan akan dibahas pada bab tersendiri.
10
Bagaimana, apakah Anda telah memahami uraian di atas? Jika sudah coba Anda kerjakan latihan berikut ini. 1. Beban yang terletak di atas meja datar dan licin, mengalami gaya-gaya F1 = 20 N ke kanan, F2 = 25 N ke kiri dan F3 jika beban tetap diam. Berapakah besar F3 dan ke mana arahnya? 2. Coba Anda perhatikan gambar 300 di samping. Beban m yang massanya 5 kg dengan percepatan gravitasi 10 ms-2, tergantung pada tali. Tentukan berapa besar gaya tegangan tali T1 dan T2!
600 T1
T2
m
Apakah jawaban Anda sudah betul? Selamat bagi Anda yang betul, jika belum jangan kecewa, silakan Anda coba sekali lagi. 1. F3 = 5 N ke kanan 2. T1 = 25 3 N T2 = 25 N
11
Tugas Kegiatan 1
Anda telah menyelesaikan kegiatan 1, modul ini. selanjutnya Anda kerjakan tugas berikut ini, cocokkan sendiri jawaban Anda dengan jawaban yang ada di akhir modul ini. 1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan gaya! 2. Apa yang terjadi jika balon yang menggembung kita tekan perlahan dengan tangan? 3. Jelaskan apa yang terjadi jika benda yang bergerak diberi gaya yang arahnya tegak lurus arah gerak benda! 4. Jelaskan bagaimana bunyi Hukum I Newton! 5. Di dalam kendaraan yang sedang bergerak lalu direm mendadak para penumpang akan terdorong ke depan. Jelaskan dengan prinsip Hukum I Newton! 6. Perhatikan gambar di samping, beban B terletak di atas bidang datar, mengalami dua gaya yaitu F1 = 15 N ke kanan dan F2 ke kiri. Jika beban tersebut diam, berapakah besar F2?
F2
B
F1 = 15 N
7. Bagaimana besar gaya yang bekerja pada benda yang bergerak dengan kecepatan tetap? 8. Berikan dua contoh keberlakuan Hukum I Newton dalam kejadian sehari-hari.
12
9. Jika berat beban W = 16 N, berapakah besar T1 dan T2, jika Sin 53 = 0,8?
530
530 T1
T2
w
10. Jika berat beban W = 10 N Berapakah besar T1 dan T2?
530
370 T1
T2
w
13
14
Kegiatan Belajar 2
Hukum II Newton
Setelah mempelajari kegiatan 2 ini Anda diharapkan dapat: 1. menghitung percepatan suatu benda karena pengaruh gaya; 2. mendefinisikan berat benda w; dan 3. menghitung tegangan tali pada sistem katrol.
A. Gaya Menimbulkan Percepatan Pada Kegiatan 1, telah dibahas jika benda diam atau bergerak lurus beraturan, maka resultan gaya pada benda nol. Bagaimanakah jika gaya pada benda tidak nol? Untuk menjawabnya, coba Anda perhatikan uraian berikut.
V m
F
Gambar 2.1. Beban bermassa m mengalami gaya F.
Gambar 2.1. memperlihatkan beban bermassa m dalam keadaan bergerak dengan kecepatan V1. Kemudian pada benda m diberikan gaya dorong (F) yang searah dengan V1. Ketika kecepatan diukur kembali besarnya menjadi V2. Ini berarti gaya dorong (F) yang diberikan menimbulkan perubahan kecepatan (∆V) atau menimbulkan percepatan (a) pada benda m. Menurut Hukum Newton, besar perubahan kecepatan atau percepatan yang dialami benda berbanding lurus dengan besar gaya yang diberikan. Atau secara matematis ΣF
∆V atau ΣF ∆t
a
dibaca: sebanding dengan
15
Ternyata jika masa benda (m) dikalikan dengan percepatan nilainya sama dengan besar gaya yang dikerjakan, sehingga dapat ditulis:
ΣF = m.a dengan ΣF = resultan gaya yang bekerja (N) m = massa benda (kg) a = percepatan atas benda (m/s2) Persamaan inilah yang dikenal sebagai Hukum II Newton. Persamaan ini menjelaskan bahwa setiap resultan gaya (ΣF) tidak bernilai nol pada benda akan menimbulkan perubahan kecepatan atau percepatan pada benda tersebut. Jadi gaya menimbulkan percepatan pada benda. Untuk mempermudah memahami apa yang telah Anda baca, perhatikan contoh soal berikut. Contoh 1 Balok B massanya 2 kg ditarik dengan gaya F yang besarnya 6 Newton. Berapa percepatan yang dialami beban?
B
F
Gambar 2.2.
Berdasarkan Hukum Newton II F = m.a (dengan F = 6 N dan m = 2 kg) 6 = 2a
6 2 a = 3 ms-2 a =
Contoh 2 Balok B mengalami dua gaya masing-masing F1 = 25 N dan F2 = 20 N seperti ditunjukkan pada gambar. Berapa percepatan balok B? Dari Hukum II Newton ΣF = m.a F1 – F2 Cos 60 = m.a 25 – 20. 0,5 = 2.a a a 16
25 − 10 2 = 7,5 ms-2 =
F2 = 20 N
600 F2 Cos 60
B
Gambar 2.3.
F1 = 25 N
Contoh 3 Jika balok B yang massanya 2 kg mengalami percepatan 5 ms-2 ke kanan, berapa besar F3? Karena ΣF F1 + F2 – F3 10 + 40 – F3 F3
F3
B
F1 = 10 N F2 = 40 N
Gambar 2.4.
= = = =
m.a m.a 2,5 40 N
B. Gaya Berat Dalam percakapan sehari-hari, sering kita dengar istilah berat. Misalnya “Amir disuruh ibunya membeli gula yang beratnya 2 kg.” Dalam fisika, kata yang dimaksudkan oleh ibu Amir seharusnya adalah massa, yaitu jumlah zat yang terkandung dalam suatu benda (selalu tetap di manapun berada). Lalu apakah berat itu? Berat suatu benda adalah massa suatu benda yang dipengaruhi oleh percepatan gravitasi bumi, di tempat yang gravitasinya berbeda berat benda akan berubah. Berdasarkan Hukum II Newton, berat benda dirumuskan: w = m.g di mana w = gaya gravitasi bumi pada benda atau berat benda dalam Newton m = massa benda, dalam kg g = percepatan gravitasi bumi yang besarnya 9,8 ms-2 kadang-kadang untuk memudahkan dibulatkan menjadi 10 ms-2 Contoh 4 Berat benda yang massanya 2 kg, jika g = 9,8 ms-2 adalah: w = mg w = 2. 9,8 w = 19,6 Newton. Makin jauh dari bumi percepatan gravitasi bumi makin kecil, sehingga berat roket pada saat di A lebih besar dibandingkan roket di B.
17
B
Roket
A
garis edar
Bumi
Gambar 2.5. Roket di atas Bumi.
Semua benda yang berada di atas permukaan bumi pada jarak tertentu dari pusat bumi akan mengalami gaya gravitasi yang dinamakan gaya berat w. Gaya berat w kedudukannya pada pusat massa benda itu dan arahnya menuju pusat bumi. Beberapa gambar gaya berat benda diperlihatkan oleh gambar 2.6. N
N
N
w
Tanah
w
w
Gambar 2.6. Kedudukan Gaya Berat.
Dari gambar 2.6. nampak bahwa gaya berat (w) dapat digambarkan mengambil kedudukan tegak lurus terhadap permukaan tanah. Dalam menyelesaikan persoalan-persoalan dinamika penempatan gaya berat dan gaya normal dalam sistem benda turut menentukan hasil yang diperoleh. 18
Aplikasi Hukum II Newton pada beberapa Sistem Benda 1. Benda pada bidang miring yang licin apabila sebuah benda diletakkan di puncak bidang miring yang licin, maka benda tersebut akan meluncur turun pada bidang miring tersebut. Saat bergerak turun benda mengalami percepatan gravitasi sehingga kecepatannya makin lama makin besar. Diagram gaya-gaya yang bekerja pada benda, diperlihatkan oleh gambar 2.7a. berikut: N m
m mg Sin θ
Q
Q
mg Cos θ mg
Gambar 2.7. (a) beban m di atas bidang miring licin (b) diagram gaya pada beban m
mg
Menurut Hukum II Newton percepatan ditimbulkan oleh resultan gaya yang bekerja dan searah dengan arah geraknya. Maka dari gambar di atas diperoleh
ΣF = m g Sin θ mg Sin θ merupakan komponen gaya berat pada bidang miring, yang membuat benda mengalami percepatan. Percepatan benda sepanjang bidang miring adalah: ma = m g Sin θ atau a = g Sin θ (θ dibaca teta) dengan g = percepatan gravitasi θ = sudut kemiringan bidang Contoh 5 Beban m yang massanya 5 kg dan percepatan gravitasi 10 ms-2 terletak di atas bidang miring licin dengan sudut kemiringan 300. Tetukan berapa percepatan beban m! Jawaban Pada beban hanya bekerja gaya berat, maka percepatan beban bisa dihitung: a = g Sin θ = 10 Sin 30 = 5 ms-2 19
Contoh 6 Beban m yang mengalami 5 kg dan percepatan gravitasi 10 ms-2 terletak di atas bidang miring dengan sudut kemiringan 370 (Sin 37 = 0,6). Beban mengakhiri gaya F mendatar sebesar 20 N (gambar 2.8.) Tentukan berapa percepatan m!
F Sin 370 m
F = 20 N
m
F Cos 370
F mg Sin 370
370
mg Cos 370
mg
370
(b)
(a)
Gambar 2.8. a) beban m mengalami gaya F b) uraian gaya F dan m g.
Jawaban Uraikan dahulu gaya pada beban m (gambar 2.8.) sehingga tampak gaya-gaya mana saja yang mempengaruhi gerakan m turun. Berdasarkan gambar 2.8. tersebut tampak gaya-gaya yang mempengaruhi gerakan m adalah gaya mg Sin 370 dan F Cos 370. Sesuai dengan Hukum II Newton ΣF = Σ m.a 0 m.g Sin 37 – Cos 370 = m.a 5.10.0,6 – 20.0,8 = 5.a 5 a = 30 – 16 a = 2,8 ms-2
2. Sistem Katrol Sistem Katrol terdiri atas katrol, tali dan benda. Pada bagian ini Anda akan mempelajari sistem katrol tanpa gesekan. Pemakaian prinsip Hukum II Newton pada suatu sistem katrol diperlihatkan oleh gambar 2.9. berikut:
20
Dari gambar 2.9. nampak bahwa T: gaya tegangan tali Beban m1 dan m2 dihubungkan dengan tali ringan melalui katrol: K tanpa gesekan.
K
T
T
m1 m2 W 1 = m1 g W2 = m2 g
Gambar 2.9. m1 dan m2 tergantung pada katrol
Apa yang terjadi jika m1 < m2? Jelas m1 akan naik, m2 akan turun sesuai dengan Hukum II Newton. Pada beban m1 berlaku ΣF = m.a → T – w1 = m1.a T – m1.g = m1.a (arah gerak naik) pada beban m2 berlaku: ΣF = m.a w2 – T = m2.a atau m2.g – T = m2.a (arah gerak turun)
Jika gaya-gaya pada m1 dan m2 kita gabung, akan didapatkan T – m1.g + m2.g – T = m1a + m2.a m1.g + m2.g = (m1 + m2) a Kedua beban mengalami percepatan sebesar a =
→ (m 2 − mm1 )g 1
m1 + m 2 Licin m1 g
Coba Anda perhatikan lagi gambar 2.9, seandainya besar m1 = 4 kg, m2 = 6 kg T dan g = 10 ms-2, dapatkah Anda menghitung berapa besar a. percepatan kedua beban? b. besar tegangan tali? Jika hitungan Anda benar akan didapatkan jawaban a) a = T2 ms-2 b) T = 48 N m2
Untuk lebih memantapkan pemahaman Anda, perhatikan contoh berikut: Beban m1 = 4 kg terletak di atas bidang datar yang m2 g licin dihubungkan dengan tali tanpa gesekan melalui katrol ke beban m2 = 1 kg yang tergantung. Karena bidang licin, m1 bergerak ke kanan, m2 bergerak turun, gaya-gaya yang searah dengan gesekan positif yang berlawanan dengan arah gesekan negatif.
Gambar 2.10. m1 terletak di atas meja, m2 tergantung
Sesuai dengan Hukum II Newton pada m1 berlaku ΣF = m.a T = m1.a Pada m2, berlaku m2g – T = m2a.
21
Jika keduanya digabung T + m2.g – T = m1.a + m2.a
m 2 .g a = m +m 1 2 Jika percepatan gravitasi bumi 10 ms-2 maka besar percepatan kedua beban
1.10 = 2 ms-2 4 +1 Besar T, dapat dihitung dari T = m1.a = 4 . 2 = 8 N a =
C. Pada Benda yang Bergerak Melingkar Beraturan Dari modul ”Kinematika Gerak Lurus” Anda telah mempelajari bahwa benda yang bergerak melingkar beraturan memilki percepatan sentripetal (as) yang besarnya: as = dengan
V2 = ω2 R R
v = kecepatan linier ω = kecepatan sudut → ω dibaca omega R = jari-jari lintasan
Untuk mengingatkan, Anda perhatikan gambar 2.11. berikut ini:
VC VA P
∆v Gambar 2.11.. Perubahan kecepatan pada benda GMB menuju pusat lintasan.
Sesuai dengan Hukum II Newton, percepatan sentripetal as disebabkan oleh gaya yang searah dengan as. Gaya ini dinamakan gaya sentripetal (Fs). Jadi: ΣF = m . as 22
di mana ΣF = Fs adalah gaya sentripetal dapat ditulis bahwa: Fs = m.as = m .
V2 = m . ω2 . R R
Dari persamaan ini nampak bahwa besarnya gaya sentripetal bergantung pada a) m = massa benda (kg) b) v = kecepatan linier (m/s) c) ω = kecepatan sudut (rad/s) d) R = jari-jari lintasan, m Gaya sentripetal, Fs berperan mempertahankan benda bergerak melingkar beraturan agar tetap pada lintasannya. Untuk lebih memahami gaya sentripetal pelajari contoh berikut ini: Contoh 7 Sebuah benda bermassa 100 gr bergerak melingkar beraturan dengan laju 3 m/s. Jika jari-jari lingkaran 40 cm, berapakah gaya sentripetal yang dialami benda ini? Jawab: Diketahui: m = 100 gr = 0,1 kg v = 3 ms-1 t = 40 cm = 0,4 m Ditanyakan: Gaya sentripetal = Fs Penyelesaian: Dari data yang diketahui, maka gaya sentripetal dihitung dengan persamaan (0,1).(3) 2 m.V 2 Fs = = = 2,25 N 0,4 R
Contoh 8 Sebuah benda bermassa 0,6 kg diikat di ujung seutas tali yang panjangnya 1,5 m. Bola berputar dalam satu lingkaran horisontal seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.11. Jika putaran bola tali mengalami tegangan maksimum 40 N, berapakah kelajuan maksimum bola sebelum tali putus? Jawab Diketahui: Massa bola m = 0,6 kg Panjang tali = jari-jari r = 1,5 m Tegangan tali maksimum = gaya sentripetal Fs = 40 N Ditanyakan: Kelajuan maksimum bola sebelum tali putus? 23
Penyelesaian: Fs = T =
m .V 2 R
40.
v
=
(T. R) = m
=
100 = 10 m/s
3 2
6 10
Sebelum mengakhiri kegiatan 2 ini coba Anda kerjakan latihan berikut: 1. Beban m massanya 4 kg (g = 10 ms-2) terletak di atas bidang miring licin. Akibat gaya F (perhatikan gambar) beban mengalami percepatan 2 ms-2 arah turun. Berapakah besar F? m F
300 Gambar 2.12.
2. Beban m1 dan m2 masing-masing 4 kg dari 6 kg (g = 10 ms-2), dihubungkan dengan tali lain digantungkan pada katrol licin. Tentukan berapa besar: a. percepatan kedua beban! b. besar gaya tagangan tali T!
T
T
m2 m1 Gambar 2.13.
24
3. m1 besarnya 8 kg dan m2 2 kg (g = 10 ms-2). Jika bidang licin, tentukan: a. percepatan beban m1 dan m2! b. besar tegangan tali T!
m1
T
Licin
T
m2
Gambar 2.14.
4. Seorang siswa memutar beban karet bermassa 100 gr dengan alat sentripetal yang ujungnya diberi beban 1 kg. Jika jari-jari lintasan beban 75 cm dan beban berputar horizontal dengan laju linier 2 m/s, hitunglah besar gaya sentripetal dan tegangan tali!
Jawaban 1. F = 12 N 2. a. a = 2 ms-2 b. T = 48 N 3. a. a = 2 ms-2 b. T = 16 N 4. Fs = 5,33 N Fs = T = 5,33 N Selamat kepada Anda yang telah mengerjakan latihan-latihan dengan benar. Bagi Anda yang belum, jangan kecewa silakan coba sekali lagi.
25
Tugas Kegiatan 2 Anda telah menyelesaikan kegiatan 2 modul ini, selanjutnya kerjakan tugas berikut dan cocokkan jawaban Anda dengan kunci yang ada di akhir modul. 1. Sebuah benda massanya 5 kg terletak di atas bidang datar, mengalami gaya 10 N ke kanan. Berapakah percepatan yang dialami benda tersebut? 2. Beban m 5 kg mengalami gaya F1, F2 dan F3 masing-masing 10 N, 25 N dan 20 N. Berapakah percepatan yang dialami beban m? F3
F1 m
F2
Gambar 2.15.
3. Jelaskan apa yang dimaksud dengan berat suatu benda! 4. Sebuah benda memiliki massa 2 kg, jika percepatan gravitasi bumi besarnya 9,8 ms-2, berapakah berat benda tersebut? 5. Beban m1 dan m2 masing-masing 3 kg dan 2 kg dihubungkan dengan tali ringan tanpa gesekan melalui katrol K. Jika percepatan gravitasi g = 10 ms-2, hitunglah berapa besar: a. percepatan kedua beban! b. besar tali penggantung!
K
m2 m1 Gambar 2.16.
6. Sebuah benda berputar dengan kecepatan sudut tetap 4 rad/s. Jika massa benda adalah 100 gr, dan panjang tali untuk memutar benda tersebut adalah 50 cm, maka gaya sentripetal yang dialami benda adalah ....
26
7. Beban m1 massanya 9 kg terletak di atas meja licin, beban m2 massanya 1 kg. Jika percepatan gravitasi 10 ms-2 Hitunglah berapa a. percepatan kedua beban b. besarnya tegangan tali
m1
m2
Gambar 2.17.
8. Sebuah balok m diletakkan di atas bidang miring yang licin dengan kemiringan 370 (perhatikan gambar).
m
370 Gambar 2.18.
Jika percepatan gravitasi bumi 10 ms-2, berapakah percepatan balok saat meluncur pada bidang miring?
27
28
Kegiatan Belajar 3
Hukum III Newton Setelah mempelajari kegiatan 3 ini Anda diharapkan dapat: 1. mendeskripsikan pasangan gaya aksi-reaksi; dan 2. menerapkan konsep gaya aksi-reaksi pada sistem benda. Untuk memahami pengertian gaya aksi-reaksi, coba Anda perhatikan gambar 3.1. B Dinding A F F1 P = titik tangkap gaya
A = Amir B = Tembok Gambar 3.1. Amir mendorong Dinding.
Pada gambar tersebut, Amir mendorong dinding dengan gaya F. Apa yang dirasakan oleh Amir? Amir merasa bahwa tangannya didorong oleh dinding dengan gaya F1. Gaya F1 disebut gaya reaksi karena gaya ini timbul setelah F dikerjakan pada tembok. Jadi F adalah gaya yang dikerjakan Amir pada tembok dan F1 adalah gaya yang dikerjakan tembok pada Amir. Newton menjelaskan peristiwa ini dengan pernyataan: Jika benda A mengerjakan gaya pada benda B (gaya aksi FAB), maka benda B akan mengerjakan gaya pada benda A (gaya reaksi, FBA) Ini disebut Hukum III Newton. Pernyatan matematisnya ialah: F = - F1 atau FAB = - FBA 29
Rumusan matematis ini merupakan persamaan karena selama mendorong, tembok tidak bergerak atau sistem diam. Dari uraian di atas dapat disimpulkan syarat-syarat gaya aksi reaksi yaitu: 1. Arahnya berlawanan. 2. Besarnya sama (karena sistem diam). 3. Bekerja pada benda yang berbeda. (FAB pada tembok dan FBA pada Amir) Hal penting lainnya yang perlu Anda perhatikan dari pasangan gaya aksi-reaksi ialah titik tangkap Gaya FAB dan FBA. Dari gambar 3.1. nampak bahwa titik tangkap FAB dan FBA berimpit di titik P pada bidang sentuh. Ini berarti bahwa gaya aksi-reaksi juga merupakan gaya kontak. Jadi: Gaya aksi-reaksi termasuk gaya kontak Berbagai percobaan menunjukkan bahwa ketika dua benda bersentuhan, dua buah gaya yang mereka berikan satu sama lain selalu memiliki besar yang sama dan arahnya berlawanan. Tetapi Hukum III Newton juga menjelaskan gaya-gaya yang titik tangkapnya berbeda. Gaya-gaya demikian disebut gaya jarak jauh. Contohnya ialah gaya berat benda (w) dan gaya gravitasi bumi (Fg) yang diperlihatkan pada gambar 3.2. berikut: N bidang kontak meja w w1
N1 tanah
Gambar 3.2.Gaya aksi-reaksi pada gaya-gaya jarak jauh.
Sebuah bola besi diletakkan di atas meja. Gaya kontak yang terjadi antara bola besi dan meja adalah gaya normal N sebagai gaya reaksi, dan N1 adalah gaya aksi. Karena bola besi memberikan gaya tekan pada meja. Jadi : N1 = - N 30
Tetapi bola besi memiliki berat w yang ditimbulkan oleh gravitasi bumi. Ini berarti bumi mengerjakan gaya aksi pada bola besi yaitu gaya w, maka bola besi juga mengerjakan gaya pada bumi yaitu w1. Jadi w gaya aksi dan w1 gaya reaksi. Ditulis: w = - w1 Perhatikan bahwa titik tangkap gaya w pada bola besi dan titik tangkap gaya w1 pada bumi. w dan w1 merupakan pasangan gaya aksi-reaksi dari gaya jarak jauh. Contoh lain gaya aksi-reaksi jarak jauh dalam kejadian sehari-hari adalah: • Gaya tarik menarik kutub Utara dengan kutub Selatan magnet; • Gaya tarik menarik bumi dengan bulan; • Gaya tolak menolak antara muatan listrik muatan positif dengan muatan positif, muatan negatif dengan muatan negatif. Untuk lebih meningkatkan pemahaman Anda tentang gaya aksi-reaksi, perhatikan gambar 3.3. T3
O T4
T1 T2
w = mg Gambar 3.3. Beban w tergantung pada tali
Beban yang beratnya w, digantungkan pada penumpu O melalui tali, akibatnya tali menegang, pada tali bekerja gaya yang disebut gaya tegangan tali, biasanya diberi simbol T. Gaya-gaya yang bekerja pada beban adalah T, sebagai tarikan tali terhadap beban, dan w berat beban itu sendiri sebagai tarikan bumi. Karena beban diam, maka pada beban berlaku T1 – w = 0, atau: T1 = w Interaksi dua benda terjadi antara beban dengan tali. Beban disangga oleh tali, tali menarik beban dengan gaya T, sebagai reaksinya beban menarik tali dengan gaya T2 yang besarnya sama dengan T1 arahnya berlawanan dengan T1. 31
Jadi T1 dan T2 merupakan pasangan gaya aksi-reaksi kontak. Interaksi dua benda juga terjadi antara penumpu O dengan tali, karena tali disangga oleh penumpu O, tali ditarik oleh penumpu dengan gaya T3. Sebagai reaksinya, tali menarik penumpu O dengan gaya T4 yang besarnya sama dengan T3, arahnya berlawanan dengan T3. Jadi T3 dan T4 merupakan pasangan aksi-reaksi kontak. Tetapi T3 disebabkan oleh berat benda sehingga T3 dan W merupakan pasangan gaya aksi-reaksi jarak jauh. Sekarang Anda sudah memahami konsep gaya aksi-reaksi.
Coba Anda perhatikan lagi gambar 3.3, selanjutnya kerjakan latihan berikut ini. 1. Sebutkan gaya-gaya manakah yang bekerja pada tali! 2. Bagaimanakah besar gaya T2,T3? 3. Coba Anda jelaskan apakah gaya berikut pasangan aksi-reaksi a. T1 dan w1 ! b. T2 dan T4 !
Jawaban
1. T2 dan T3 2. T2 = T3 = w 3. a. T1 dan T2 bukan pasangan aksi-reaksi, karena bukan interaksi dua benda b. T2 dan T4, bukan pasangan aksi-reaksi, karena bukan interaksi dua benda. Sekarang Anda telah menyelesaikan modul ini, semoga Anda memahaminya. Sebelum Anda melakukan Test Akhir Modul ini, kerjakanlah tugas berikut ini.
32
Tugas Kegiatan 3
1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan gaya aksi-reaksi! 2. Berikanlah dua contoh pasangan gaya aksi-reaksi dalam kejadian sehari-hari! 3. Berdasarkan gambar di samping tuliskanlah dua pasangan gaya yang merupakan pasangan gaya aksi-reaksi!
T1
T3
T2 T4
w = 10 N Gambar 3.4.
4. Berdasarkan gambar pada soal nomor 3, berapakah besar gaya T1, T2 dan T3? 5. Pada gambar berikut. Gambarkan gaya-gaya yang bekerja pada sistem dan tentukan gaya aksi-reaksi kontak dan gaya aksi-reaksi jarak jauh!
w
Gambar 3.5.
6. Sebuah benda mempunyai massa m, diikat dengan seutas tali yang panjangnya R. Kemudian diputar sehingga benda dan tali berputar pada bidang datar horizontal yang licin dengan kecepatan sudut ω. Jika percepatan gravitasi g m/s2, maka tegangan pada tali adalah .... 33
34
PENUTUP
1. •
Gaya adalah sesuatu yang dapat merubah kondisi gerak benda, dapat merubah bentuk benda.
•
Hukum I Newton Suatu benda akan diam atau bergerak lurus beraturan jika besar seluruh gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol.
ΣF = 0 2. •
Hukum II Newton Jika besar gaya yang bekerja pada benda tidak nol, maka benda akan mengalami percepatan yang besarnya:
a= •
∑F ∑m
Gaya berat suatu benda adalah massa benda itu yang dipengaruhi oleh percepatan gravitasi bumi: w=mg
3. •
Gaya aksi-reaksi adalah pasangan dua gaya yang besarnya sama, arahnya berlawanan dan merupakan hasil interaksi dua benda.
Selamat! Anda telah menyelesaikan modul ini. selanjutnya temuilah Guru Bina Anda, untuk meminta Tes Akhir Modul yang harus Anda kerjakan.
35
PETA KONSEP
PETA KONSEP DINAMIKA GERAK LURUS
A. Hukum I Newton untuk benda: - Diam ΣF = 0 - Glb
B. Hukum II Newton ΣF = Σm.a ΣF = gaya dalam Newton m = massa dalam kg a = percepatan dalam ms-2
Gaya aksi-reaksi kontak. Titik tangkap berimpit pada bidang sentuh.
36
B. Hukum III Newton Aksi = - Reaksi
Gaya aksi-reaksi jarak jauh.Titik tangkap gaya pada benda.
Tugas Kegiatan 1 1. Gaya adalah sesuatu yang dapat merubah kondisi gerak suatu benda, atau dapat merubah bentuk benda. 2. Balon mengempes bentuknya berubah. 3. Benda akan membelok. 4. Hukum I Newton Benda akan tetap diam atau bergerak lurus beraturan jika besar seluruh gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol. 5. Besar gaya pada benda diam nol. 6. F2 = 15 N 7. Besar gaya pada benda yang bergerak dengan kecepatan tetap adalah nol. 8. Gelas yang diam di atas meja. Mobil yang bergerak dengan kecepatan tetap. 9. Diketahui w = 16 N T1 dan T2 simetris, maka T1 = T2 = T ΣFy = 0 2 T Sin 53 – w = 0 2 T. 0,8 = 16 T = 10 N Jadi T1 = T2 = T = 10 N
T1y T1
T1
T2x
T2y
530
530
T1x
w
W1
10. Diketahui W = 10 N T1 dan T2 saling tegak lurus karena beban W diam ΣFy = 0 w1 = w = 10 N 1 T1 = w Cos 53 = 10.0,6 = 6 N T2 = w1 Sin 53 = 10.0,8 = 8 N
T2
530
T1
w 37
Tugas Kegiatan 2
1. a = 32 ms-2
2. a =
∑F = m
= 7, 5 ms-2
3. Berat suatu benda adalah hasil hasil kali massa denga percepatan gravitasi bumi ( W = mg ). 4. w = 20 N 5. M1 > M2; a.
(m 2 − m1 ) -2 m1 + m 2 g = 2ms
b. T = 24 N
1.10 = 1 ms-2 9 +1 b. T= m1a = 9.1 = 9 N
6. a. a =
=
7. g = 10 ms-2; 8 = 370 pada balok hanya bekerja gaya berat percepatan balok a = g Sin 37 a = 10.0,6 = 6 ms-2
Tugas Kegiatan 3 1. Gaya aksi-reaksi adalah dua gaya yang besarnya sama, arahnya berlawanan, hasil interaksi dua benda. 2. Contoh gaya aksi-reaksi: • Gaya tarik menarik dua kutub magnet yang berlainan (kutub utara dengan kutub selatan magnet). • Gaya tarik menarik antara bumi dan bulan. 3. Pasangan gaya aksi-reaksi, berdasarkan gambar adalah T1 dan T3, T2 dan T4. 4. Besar T1 = T2 = T3 = W = 10 N. 38
Setelah Anda selesai mempelajari modul ini lakukan kegiatan praktikum dengan kelompok belajar Anda, di bawah bimbingan Guru Pamong Petunjuk: Lakukan percobaan berikut dengan kelompok Anda dan buatlah laporannya secara kelompok. Praktikum dimaksudkan untuk membuktikan Hukum-hukum Newton tentang gerak. Setelah Anda lakukan praktikum buat laporannya secara kelompok. Alat dan Bahan Alat dan bahan yang perlu Anda siapkan adalah: Bahan: 1. Kertas HVS polos 2. Pita ticker timer 3. Benang secukupnya 4. Batu Baterai silinder Alat: 1. Troly 2. Katrol jepit 3. Papan luncur 4. Ticker timer 5. Beban Gantung 6. Neraca pegas 7. Power suplay
(1 buah) (1 buah) (1 buah) (1 buah) (50 gr, 100 gr) (2 buah) (1 buah)
Praktikum 1: Cobalah lakukan kegiatan berikut ini: Letakkan sebuah batu baterai di atas kertas dengan alas mejamu, kemudian salah satu ujung ditarik secara:
39
a Perlahan-lahan, apa yang terjadi pada batu baterai? ................................................................................. ................................................................................. ................................................................................. b. Disentak mendadak, apa yang terjadi pada batu baterai? ................................................................................. ................................................................................. ................................................................................. c. Perlahan-lahan kemudian tarikan mendadak dihentikan, apa yang terjadi pada baterai? ................................................................................. ................................................................................. .................................................................................
Praktikum 2 1. Susunlah troly, benang dan beban melalui katrol, pita pada ticker time. 2. Beban dilepas troly akan bergerak lurus glbb melalui papan luncur. 3. Aturlah beban dan massa troly dengan mengukur gaya beban.
Ambillah data pita ticker time untuk 10 titik a. Massa 1 troly dan beban 50 gr b. Massa 1 troly dan beban 100 gr c. Massa 2 troly dan beban 100 gr Tugas Diskusi Amati dengan seksama 10 titik yang tertera pada tiap potongan pita ticker timer. a. Menunjukkan apakah titik-titik pada pita ticker timer tersebut. b. Tulislah kesimpulan Anda dari hasil pengamatan titik-titik tersebut.
40
Praktikum 3 Rangkaikan 2 buah neraca pegas sehingga saling berkaitan pada satu garis lurus, usahakan agar gesekan sekecil mungkin dengan meja seperti pada gambar. Kemudian masing-masing pegas ditarik sehingga keduanya menunjukkan gaya tarik. Bacalah skala masing-masing neraca. Bagaimanakah nilai dan arahnya kedua gaya tarik pegas?
Amatilah bacaan skala neraca pegas untuk 3 kali pembacaan skala, kemudian diskusikan hasil bacaan tersebut. Tulislah hasil diskusi Anda dengan kalimat yang tepat menggambarkan kesimpulan kelompok.
41
DAFTAR PUSTAKA Arthur, N.S. et.al., Element Of Physical Geography, John Wiley and Sons, Toronto. Budikase, E., Kertiasa, Nyoman, Fisika 2 Untuk Sekolah Menengah Umum, 1994. Bernard S. Cayne, Ilmu Pengetahuan Populer Jilid 1, Jakarta: PT. Ikrar Mandiri Abadi, 1958. David Bergamini, Alam Semesta, Jakarta: Pustaka Life, Tira Pustaka,1997. Departemen Pendidikan dan Kebudayaan, Garis-garis Besar Program Pengajaran (GBPP), Kurikulum Sekolah Menengah Umum 1994, Jakarta, 1993. Departemen Pendidikan dan Kebudayaan, Soal-soal Evaluasi Tahap Akhir Nasional. Halliday, Resnick, Fisika Jilid 1, 2, Terjemahan, Erlangga. Ir. Drs. Hasan Wiladi & Drs. kamajaya, M.Sc., Fisika ntuk SMU Kelas 2 Jilid 2 B, Grafindo Media Pratama, Jakarta, 1994. Kanginan, Marten., Fisika 2000 2A, 2B, Penerbit Erlangga,1999. Mitsuishi, Iwao, Electronics and Energi (Terjemahan), Jakarta: PT. Tira Pustaka, 1982. Moss, Gl., Ordinary Levell Practical Physics, London: Heinemann Educational Books Ltd., 1971. Surya, Yohanes, Olimpiade Fisika 2A, 2B, 2C Jakarta: PT. Primatika Cipta Ilmu, 1997. Tanudidjaja, Moh. Ma’mur, Ilmu Pengaetahuan Bumi dan Antariksa Untuk Sekolah Menengah Umum, Balai Pustaka, 1994. Young, Hugh D., & Freedman, Roger A., University Physics, Addison Wesley, New York: Longman Inc., 2002.
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
