Halaman
79Dinamika PartikelPernahkah Anda menyaksikan lomba dayung atau kano seperti gambar diatas? Untuk menjalankan perahu, para pendayung memanfaatkan hukum ketigaNewton. Pada waktu mengayunkan dayung, pendayung mendorong air kebelakang. Gaya ke belakang pada air tersebut (aksi) menghasilkan gaya yangsama tetapi berlawanan arah (reaksi). Gaya (reaksi) ini menggerakkan perahu kedepan. Dapatkah Anda menganalisis mengapa dayung dibuat memiliki lenganyang panjang? (Petter Lafferty, 2000)Sumber: CD CliptartTujuan PembelajaranDinamika PartikelBabIV•Anda dapat menerapkan hukum Newton sebagai prinsip dasar dinamika untukgerak lurus, gerak vertikal, dan gerak melingkar beraturan.K ata Kunci• Berat• Gaya Gesekan Kinetis• Gerak Melingkar Vertikal• Inersia• Gaya Gesekan Statis• Kelembaman• Massa• Gaya Normal• Pasangan Aksi-Reaksi• Newton• Gaya Gravitasi• Gaya Sentripetal
80Fisika SMA/MA Kelas X0F6 KelembamanFaksi = -FreaksirumusHukum I NewtonHukum III Newtonrumussetiap benda memilikicontohterdiri atasFam6Hukum NewtonHukum II Newtonrumuspercepatanbergantung pada-Massa benda (m)-Besarnya gaya (F6)-Orang terdorong ke bela-kang saat melempar se-suatu.-Telapak kaki Anda men-dorong lantai ke belakang(aksi), lantai mendorongAnda ke depan (reaksi).-Gerak benda pada bidangdatar.-Gerak benda pada bidangmiring.-Gerak melingkar beratur-an.-Gerak melingkar vertikal.contoh penerapannyaP eta Konsep
81Dinamika PartikelKolom Diskusi 4.1Kajian tentang gerak benda merupakan bagian penting dari penggambaranalam semesta. Sejak zaman dahulu manusia berusaha menyingkap rahasiatentang gerak benda. Mulai dari masa Aristoteles sampai masa Galileo danNewton, pemahaman gerak mengalami perkembangan yang signifikan.Di SMP Anda telah mempelajari sesuatu yang menyebabkan bendabergerak, yaitu gaya. Gaya dapat mempercepat atau memperlambat kelajuangerak benda. Gaya juga dapat mengubah arah gerak benda.Pada bab 2 dan 3, Anda telah mempelajari tentang gerak lurus dan gerakmelingkar tanpa memedulikan penyebabnya (kinematika). Ilmu yang mem-pelajari tentang gerak dengan memperhatikan penyebabnya di sebut dinamika.Pada bab IV ini Anda akan mempelajari tentang hukum-hukum Newton, jenis-jenis gaya, serta dinamika gerak lurus dan melingkar.Anda telah mempelajari ketiga hukum Newton dan menyebutkan con-tohnya dalam kehidupan sehari-hari saat duduk di bangku SMP.Sekarang bagilah kelas Anda menjadi beberapa kelompok. Diskusikandengan anggota kelompok Anda, mengenai hukum-hukum Newton.Diskusikan juga contohnya dalam kehidupan sehari-hari. Presentasikanhasil diskusi di depan kelas secara bergantian, kemudian buatlahkesimpulan yang dikumpulkan di meja guru Anda!A. Hukum-Hukum NewtonPembahasan tentang hukum-hukum Newton dan pemahaman konsepsecara kualitatifnya telah Anda dapatkan di SMP. Hukum-hukum tersebutmembahas tentang hubungan antara gerak benda dan gaya. Di sini Andaakan mengkaji kembali ketiga hukum Newton tersebut dan mengaplikasi-kannya pada persoalan-persoalan dinamika sederhana.1. Hukum Newton IPada zaman dahulu, orang percaya bahwa alam ini bergerak dengansendirinya. Tidak ada sesuatu pun yang menggerakkannya. Merekamenyebutnya dengan gerak alami. Di lain sisi, untuk benda yang jelas-jelasdigerakkan, mereka menamakan gerak paksa. Teori yang dipelopori olehAristoteles ini terbukti salah saat Galileo dan Newton mengemukakanpendapat mereka.Galileo mematahkan teori Aristoteles dengan sebuah percobaan seder-hana. Ia membuat sebuah lintasan lengkung licin yang digunakan untukmenggelindingkan sebuah bola. Satu sisi dari lintasan tersebut diubah-
82Fisika SMA/MA Kelas XKegiatanubah kemiringannya. Setelah mengamati, Galileo menyatakan “ Jika gayagesek pada benda tersebut ditiadakan, maka benda tersebut akan terusbergerak tanpa memerlukan gaya lagi”.Teori Galileo dikembangkan oleh Isaac Newton. Newton mengatakanbahwa “ Jika resultan gaya pada suatu benda sama dengan nol, maka benda yangdiam akan tetap diam dan benda yang bergerak akan tetap bergerak dengankecepatan tetap”. Kesimpulan Newton tersebut dikenal sebagai hukum INewton. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.06 FBerdasarkan hukum I Newton, dapatlah Anda pahami bahwa suatubenda cenderung mempertahankan keadaannya. Benda yang mula-muladiam akan mempertahankan keadaan diamnya, dan benda yang mula-mula bergerak akan mempertahankan geraknya. Oleh karena itu, hukumI Newton juga sering disebut sebagai hukum kelembaman atau hukum inersia.Ukuran kuantitas kelembaman suatu benda adalah massa. Setiapbenda memiliki tingkat kelembaman yang berbeda-beda. Makin besarmassa suatu benda, makin besar kelembamannya. Saat mengendaraisepeda motor Anda bisa langsung memperoleh kelajuan besar dalamwaktu singkat. Namun, saat Anda naik kereta, tentu memerlukan waktuyang lebih lama untuk mencapai kelajuan yang besar. Hal itu terjadi karenakereta api memiliki massa yang jauh lebih besar daripada massa sepedamotor.Setiap hari Anda mengalami hukum I Newton. Misalnya, saatkendaraan yang Anda naiki direm secara mendadak, maka Anda akanterdorong ke depan dan saat kendaraan yang Anda naiki tiba-tibabergerak, maka Anda akan terdorong ke belakang.KelembamanA. TujuanAnda dapat mengamati dan mendefinisikan arti kelembaman.B. Alat dan Bahan1. Bola tenis2. Selembar kertas3. Sebuah meja dengan permukaan halus
83Dinamika PartikelC. Langkah Kerja1. Letakkan selembar kertas diatas meja, kemudian letakkanbola tenis di atas kertas!2.Tariklah kertas secara per-lahan-lahan!3.Ulangi langkah kerja nomor2, tetapi tarik kertas dengancepat!4. Ulangi langkah nomor dua, tetapi kertas ditarik secaraperlahan-lahan dan hentikan secara mendadak!D.Pertanyaan1. Apa yang terjadi pada bola tenis saat kertas ditarik secaraperlahan-lahan, cepat, dan perlahan-lahan kemudian di henti-kan?2.Kesimpulan apa yang Anda peroleh dari peragaan temanAnda di depan kelas tersebut!2. Hukum II NewtonHukum I Newton hanya membahas benda yang tidak dikenai gayadari luar, artinya benda tidak mengalami percepatan. Bagaimana jika suatubenda mendapat gaya dari luar atau pada benda tersebut bekerja beberapagaya yang resultannya tidak sama dengan nol? Pada kondisi ini bendamengalami perubahan percepatan.Misalkan Anda mendorong sebuahkotak di atas lantai licin (gaya gesek di-abaikan) dengan gaya F, ternyata di-hasilkan percepatan sebesar a. Saat gayadorong terhadap kotak Anda perbesarmenjadi dua kali semula (2F), ternyatapercepatan yang dihasilkan juga dua kalisemula (2a). Ketika gaya dorong Andatingkatkan menjadi tiga kali semula (3F),ternyata percepatan yang dihasilkan jugamenjadi tiga kali semula (3a). Jadi, dapatdisimpulkan bahwa percepatan berban-ding lurus dengan besarnya resultan gayayang bekerja pada suatu benda (a ~ f).Gambar 4.1 Menyelidiki pengaruh re-sultan gaya terhadap percepatan, dengangaya diubah-ubah dan menjaga massatetap.Fa2F2a3F3a
84Fisika SMA/MA Kelas XSekarang, taruhlah sebuah kotak (denganmassa sama) di atas kotak yang tadi Andadorong (massa kotak menjadi 2 kali semula(2m)). Ternyata dengan gaya F dihasilkanpercepatan yang besarnya setengah per-cepatan semula (12a). Kemudian tambahkanlagi sebuah kotak (dengan massa sama) di ataskotak yang tadi Anda dorong (massa menjadi3 kali semula). Ternyata dengan gaya Fdihasilkan percepatan yang besarnyasepertiga percepatan semula (13a). Jadi, dapatdisimpulkan bahwa percepatan berbandingterbalik dengan massa benda 1~§· ̈ ̧©¹am.Berdasarkan dua kesimpulan tersebutNewton menggabungkannya menjadisebuah pernyataan, yang dikenal denganhukum II Newton, yaitu “Percepatan yangdihasilkan oleh resultan gaya yang bekerja padasuatu benda berbanding lurus dengan resultangaya, dan berbanding terbalik dengan massabenda”. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.6Fam atau 6 uFmaKeterangan:a: percepatan benda (ms-2)6F: resultan gaya yang bekerja pada benda (N)m: massa benda (kg)Sebuah truk dapat menghasilkan gaya sebesar 7.000 N. Jika truktersebut dapat bergerak dengan percepatan 3,5 m/s, maka tentukanmassa truk tersebut!Diketahui :a. 6F= 7.000 N b.a = 3,5 m/sDitanyakan:m = ...?Contoh 4.1Gambar 4.2 Menyelidiki pengaruhresultan gaya terhadap percepatan,dengan menjaga gaya tetap danmassa diubah-ubah.Fa = 1 m/s2Fa = 12 m/s2Fa = 13 m/s2 a ~ f1~am
85Dinamika PartikelJawab:66 FFamma= 7.0003, 5= 2.000 kg = 2 tonJadi, massa truk tersebut adalah 2 ton.3. Hukum III NewtonPerhatikan Gambar 4.3! Berke-rutnya muka atlet tersebut menunjuk-kan bahwa suatu kegiatan dapat me-libatkan gaya yang besar meskipuntidak ada gerak. Gaya yang dikeluar-kan atlet untuk mengangkat beban keatas menyebabkan timbulnya gaya kebawah. Gaya ke bawah tersebut di-teruskan ke lantai melalui tubuh atlet.Lantai yang mendapatkan gaya tekan,membalas dengan menekan ke atasdengan gaya yang besarnya sama.Seandainya lantai memberikan gayake atas lebih kecil daripada gaya yangditerimanya, maka si atlet akan terpe-rosok melalui lantai tersebut. Jikalantai memberikan gaya yang lebih besar daripada gaya yang diterimanya,maka atlet tersebut akan terangkat ke udara (Petter Lafferty, 2000).Kejadian-kejadian seperti Gambar 4.3 diperhatikan betul oleh New-ton. Newton menyatakan bahwa suatu gaya yang bekerja pada sebuahbenda selalu berasal dari benda lain. Artinya, tidak ada gaya yang hanyamelibatkan satu benda. Gaya yang hadir sedikitnya membutuhkan duabenda yang saling berinteraksi. Pada interaksi ini gaya-gaya selaluberpasangan. Jika A mengerjakan gaya pada B (aksi), maka B akanmengerjakan gaya pada A (reaksi). Pasangan gaya inilah yang terkenaldengan pasangan aksi reaksi.Di SMP Anda telah mengetahui bahwa gaya aksi dan reaksi besarnyasama tetapi arahnya berlawanan. Pasangan gaya aksi reaksi ini dijelaskanNewton dalam hukum ketiganya. Bunyi hukum III Newton adalah sebagaiberikut “Jika benda A mengerjakan gaya pada benda B, maka benda B akanmengerjakan gaya pada benda A, yang besarnya sama tetapi arahnyaGambar 4.3Angkat besi.Sumber: Jendela Iptek: Gaya & Gerak
86Fisika SMA/MA Kelas XTkhooS oal Kompetensi 4.1berlawanan”. Hukum ini biasanya juga dinyatakan sebagai berikut “Untuksetiap aksi, ada suatu reaksiyang sama besar tetapi berlawanan arah”. Secaramatematis hukum III Newton dapat di tulis sebagai berikut.Faksi = -FreaksiContoh lain yang menunjukkan gaya aksireaksi adalah ketika Anda berjalan di atas lantai.Saat berjalan, kaki Anda menekan lantai kebelakang (aksi). Sebagai reaksi, lantai mendorongtelapak kaki Anda ke depan sehingga Andadapat berjalan. Pernahkah Anda memperhatikantank yang sedang menembak? Pada saatmenembakkan peluru, tank mendorong peluruke depan (aksi). Sebagai reaksi, peluru mendorongtank ke belakang sehingga tank terdorong kebelakang. Gaya aksi-reaksi inilah yang menyebabkan tank terlihat tersentakke belakang sesaat setelah memuntahkan peluru.1. Carilah contoh dari peristiwa yang sering Anda temui yang me-nunjukkan berlakunya hukum Newton I, II, dan III, masing-masing lima!2. Mengapa mobil yang lebih kecil (massanya kecil) membutuhkanbensin lebih sedikit daripada mobil yang lebih besar (massanyabesar)? Jelaskan dengan konsep hukum Newton!3. Peragakan sebuah kegiatan sederhana di depan kelas yangmenunjukkan berlakunya hukum III Newton!Isaac Newton(1643 – 1727)Sir Isaac Newton adalah ilmuwan ter-besar sepanjang abad. Newton adalah se-orang ahli matematika, astronomi, fisika,filsafat, guru besar, dan banyak gelar lain-nya. Ia menemukan hukum gravitasi, hu-kum gerak, kalkulus, teleskop pantul, danspektrum. Bukunya yang terkenal berju-dul Principa dan Optika.Sumber: Jendela Iptek, Gaya dan GerakGambar 4.4 Gaya aksi-reaksi.aksireaksiSumber: Foto Haryana
87Dinamika PartikelNewton lahir di kota Woolsthorpe pada tahun 1643. Masa kecilNewton cukup menyedihkan. Beberapa bulan sebelum ia lahir, ayah-nya meninggal. Ayahnya adalah seorang petani. Pada umur 22tahun, Newton dapat menyelesaikan kuliahnya dan berhasilmendapat gelar Sarjana Muda.Pada suatu hari Newton berjalan-jalan di kebun sambil berpikirmengapa bulan bergerak mengelilingi bumi. Kemudian ia beristirahatdi bawah pohon apel. Tak lama berselang ia melihat buah apel jatuhdari pohonnya. Setelah mengamati jatuhnya buah apel, Newtonsadar bahwa gaya gravitasi yang menariknya buah apel tersebut,dan gaya itu jugalah yang menarik bulan sehingga tetap dalamorbitnya mengelilingi bumi. Hukum gravitasi universal pun terungkap,hukum tersebut berbunyi “Besarnya gaya gravitasi antara dua massaber-banding lurus dengan hasil kali kedua massa dan berbandingterbalik dengan kuadrat jarak antara pusat-pusat kedua massa itu”.(Dikutip seperlunya dari 100 Ilmuwan, John Hudson Tiner, 2005)B. Jenis-Jenis GayaGaya merupakan dorongan atau tarikanyang akan mempercepat atau memperlambatgerak suatu benda. Pada kehidupan sehari-hari gaya yang Anda kenal biasanya adalahgaya langsung. Artinya, sesuatu yangmemberi gaya berhubungan langsungdengan yang dikenai gaya. Selain gayalangsung, juga ada gaya tak langsung. Gayatak langsung merupakan gaya yang bekerjadi antara dua benda tetapi kedua bendatersebut tidak bersentuhan. Contoh gaya taklangsung adalah gaya gravitasi. Pada subbabini Anda akan mempelajari beberapa jenisgaya, antara lain, gaya berat, gaya normal,gaya gesekan, dan gaya sentripetal.1. Gaya BeratPada kehidupan sehari-hari, banyak orang yang salah mengartikanantara massa dengan berat. Misalnya, orang mengatakan “Doni memilikiberat 65 kg”. Pernyataan orang tersebut keliru karena sebenarnya yang dika-takan orang tersebut adalah massa Doni. Anda harus dapat membedakanantara massa dan berat.Gambar 4.5 Saat bersepeda, kitamemberikan gaya langsung terhadapsepeda.Sumber: Foto Haryana
88Fisika SMA/MA Kelas XMassa merupakan ukuran banyaknya materi yang dikandung olehsuatu benda. Massa (m) suatu benda besarnya selalu tetap dimanapunbenda tersebut berada, satuannya kg. Berat (w) merupakan gaya gravitasibumi yang bekerja pada suatu benda. Satuan berat adalah Newton (N).Hubungan antara massa dan berat dijelaskan dalam hukum II New-ton. Misalnya, sebuah benda yang bermassa m dilepaskan dari ketinggiantertentu, maka benda tersebut akan jatuh ke bumi. Jika gaya hambatan udaradiabaikan, maka gaya yang bekerja pada benda tersebut hanyalah gayagravitasi (gaya berat benda). Benda tersebut akan mengalami gerak jatuhbebas dengan percepatan ke bawah sama dengan percepatan gravitasi. Jadi,gaya berat (w) yang dialami benda besarnya sama dengan perkalian antaramassa (m) benda tersebut dengan percepatan gravitasi (g) di tempat itu.Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.w = m × gKeterangan :w: gaya berat (N)m: massa benda (kg)g: percepatan gravitasi (ms-2)2. Gaya NormalAnda ketahui bahwa benda yang dilepaskan pada ketinggian tertentuakan jatuh bebas. Bagaimana jika benda tersebut di letakkan di atas meja,buku misalnya? Mengapa buku tersebut tidak jatuh? Gaya apa yang menahanbuku tidak jatuh?Gaya yang menahan buku agar tidak jatuh adalah gaya tekan meja padabuku. Gaya ini ada karena permukaan buku bersentuhan dengan permukaanmeja dan sering disebut gaya normal. Gaya normal (N) adalah gaya yangbekerja pada bidang yang bersentuhan antara duapermukaan benda, yang arahnya selalu tegak lurusdengan bidang sentuh. Jadi, pada buku terdapatdua gaya yang bekerja, yaitu gaya normal (N) yangberasal dari meja dan gaya berat (w). Kedua gayatersebut besarnya sama tetapi berlawanan arah,sehingga membentuk keseimbangan pada buku.Ingat, gaya normal selalu tegak lurus arahnyadengan bidang sentuh. Jika bidang sentuh antaradua benda adalah horizontal, maka arah gayanormalnya adalah vertikal. Jika bidang sentuhnyavertikal, maka arah gaya normalnya adalah hori-zontal. Jika bidang sentuhya miring, maka gayanormalnya juga akan miring. Perhatikan Gambar4.6!Gambar 4.6Arah gayanormal selalu tegak lurusdengan permukaan bidang.NNN(b)(a)
89Dinamika PartikelKolom Diskusi 4.23. Gaya GesekanJika Anda mendorong sebuah almari besar dengan gaya kecil, makaalmari tersebut dapat dipastikan tidak akan bergerak (bergeser). Jika Andamengelindingkan sebuah bola di lapangan rumput, maka setelahmenempuh jarak tertentu bola tersebut pasti berhenti. Mengapa hal-haltersebut dapat terjadi? Apa yang menyebabkan almari sulit di gerakkandan bola berhenti setelah menempuh jarak tertentu?Gaya yang melawan gaya yang Anda berikan ke almari atau gayayang menghentikan gerak bola adalah gaya gesek. Gaya gesek adalah gayayang bekerja antara dua permukaan benda yang saling bersentuhan. Arahgaya gesek berlawanan arah dengan kecenderungan arah gerak benda.Untuk benda yang bergerak di udara, gaya geseknya bergantung padaluas permukaan benda yang bersentuhan dengan udara. Makin besar luasbidang sentuh, makin besar gaya gesek udara pada benda tersebutsedangkan untuk benda padat yang bergerak di atas benda padat, gayageseknya tidak tergantung luas bidang sentuhnya.Di SMP Anda telah mempelajari mengenai gaya gesek. Diskusikandengan teman sebangku Anda tentang manfaat dan kerugianadanya gaya gesek. Buatlah kesimpulan dari diskusi tersebut dankumpulkan di meja guru!Gaya gesekan dapat dibedakan menjadi dua, yaitu gaya gesekan statisdan gaya gesekan kinetis. Gaya gesek statis (fs) adalah gaya gesek yangbekerja pada benda selama benda tersebut masih diam. Menurut hukum INewton, selama benda masih diam berarti resultan gaya yang bekerja padabenda tersebut adalah nol. Jadi, selama benda masih diam gaya gesekstatis selalu sama dengan yang bekerja pada benda tersebut. Secaramatematis dapat ditulis sebagai berikut.,ssmaksfNPKeterangan:fs: gaya gesekan statis maksimum (N)sP: koefisien gesekan statis
90Fisika SMA/MA Kelas XGaya gesek kinetis (fk) adalah gaya gesek yang bekerja pada saat bendadalam keadaan bergerak. Gaya ini termasuk gaya dissipatif, yaitu gayadengan usaha yang dilakukan akan berubah menjadi kalor. Perbandinganantara gaya gesekan kinetis dengan gaya normal disebut koefisien gayagesekan kinetis (ms). Secara matematis dapat di tulis sebagai berikut.kkfNPKeterangan:fk: gaya gesekan kinetis (N)kP: koefisien gesekan kinetis4. Gaya SentripetalPada bab 3 Anda telah mengetahuibahwa benda yang mengalami gerakmelingkar beraturan mengalami perce-patan sentripetal. Arah percepatansentripetal selalu menuju ke pusatlingkaran dan tegak lurus dengan vektorkecepatan. Menurut hukum II Newton,percepatan ditimbulkan karena adanyagaya. Oleh karena itu, percepatansentripetal ada karena adanya gaya yangmenimbulkannya, yaitu gaya sentripetal.Pada hukum II Newton dinyatakanbahwa gaya merupakan perkalian antaramassa benda dan percepatan yang dialami benda tersebut. Sesuai hukumtersebut, hubungan antara percepatan sentripetal, massa benda, dan gayasentripetal dapat dituliskan sebagai berikut.Fs = m × as, karena 22svarrZ maka22svFmmrrZKeterangan:Fs: gaya sentripetal (N)m: massa benda (kg)v: kecepatan linear (m/s)r: jari-jari lingkaran (m)Z: kecepatan sudutGambar 4.7 Gaya sentripetal.fsv
91Dinamika PartikelI nfo KitaGaya sentripetal pada gerak melingkar berfungsi untuk merubah arahgerak benda. Gaya sentripetal tidak mengubah besarnya kelajuan benda.Setiap benda yang mengalami gerak melingkar pasti memerlukan gayasentripetal. Misalnya, planet-planet yang mengitari matahari, elektronyang mengorbit inti atom, dan batu yang diikat dengan tali dan diputar.Gerak Penari BaletPada bulan April 1999 diadakan pertemuanfisika terbesar abad 20 bertempat di World Cong-gress Building, Atlanta, AS. Dalam pertemuanitu digelar ratusan tema-tema seminar sepertimekanika klasik, laser, fisika nuklir hingga fisikaabad 21. Tema seminar yang menjadi pusatperhatian banyak pengunjung adalah Physics ofDance. Dalam seminar ini membahas penerapanhukum fisika pada gerakan balet yang meng-hasilkan sesuatu yang berguna, mengejutkan,dan mendorong orang lebih menghargai balet.Sebagian besar gerakan tarian balet mene-rapkan hukum kelembaman. Gerakan-gerakanini antara lain diam seimbang, bergerak,melompat, dan berputar. Untuk lebih memper-jelas penerapan hukum kelembaman padagerakan balet, pada seminar itu didatangkan seorang balerina yangmemeragakan tarian balet.Diam SeimbangSeorang balerina memulai tariannya dengan berjinjit seimbangdi atas satu kaki, kaki yang lain terangkat ke belakang, dan tanganterangkat ke atas. Menurut hukum keseimbangan, posisi berdiri diatas daerah kecil bisa tercapai jika pusat berat balerina tepat diatas titik tumpunya. Tetapi ketika posisi pusat berat balerinamenyimpang dari posisi seimbang, maka gaya gravitasi akanmembuat balerina terpelanting dalam waktu yang relatif singkat.BergerakSetelah melakukan gerak diam seimbang, seorang balerina akanbergerak. Ketika balerina bergerak maju, yang ia lakukan adalahmenekan lantai dengan kakinya ke arah belakang. Pada saat men-Sumber: CD Clipart
92Fisika SMA/MA Kelas Xdapat tekanan, lantai bereaksi dan mendorong kaki balerina dengangaya yang sama besar ke arah depan sehingga balerina bergerak maju.Makin keras kaki balerina menekan lantai, makin cepat balerinabergerak maju. Konsep ini juga kita gunakan pada waktu berjalan.Ketika penari sedang bergerak ke depan, bisakah ia membelokatau bergerak melingkar? Menurut Newton, benda yang bergeraklurus akan membelok jika ada gaya ke samping. Bagaimanamemperoleh gaya ke samping? Seorang balerina mengetahui caramemperoleh gaya ke samping. Ketika balerina akan membelok kekanan, kakinya akan menekan lantai ke kiri. Lantai akanmemberikan reaksi dan menekan balerina ke kanan sehinggalintasannya berbelok ke kanan. Makin keras balerina menekanlantai, makin tajam belokannya.MelompatUntuk melakukan gerak melompat, balerina menekan kakinyapada lantai secara vertikal. Dengan memberikan tekanan padalantai, lantai memberikan reaksi dengan mendorong kaki balerinake atas. Jika ingin mendapatkan lompatan yang lebih tinggi, makapada saat melompat lututnya ditekuk. Di sini tekukan lututbertindak seperti pegas yang tertekan, siap melontarkan benda yangmenekannya.BerputarUntuk melakukan gerak berputar, balerina menggerakkan ujungsepatu depan dan belakang ke samping berlawanan. Lantai akanmemberikan reaksi dengan memberikan gaya yang berlawanan padakedua ujung sepatu. Ketika sudah berputar, balerina dapat mengaturkecepatan putarnya dengan mengatur besar momen kelem-bamannya. Momen kelembamannya merupakan kecenderunganbenda untuk mempertahankan posisinya untuk tidak ikut berputar.Mengasyikkan sekali bukan? Ternyata balet yang kata oranglebih banyak menggunakan perasaan dapat dianaslisis secara fisika.Nah, alangkah indahnya jika ada fisikawan Indonesia yang maumengabdikan dirinya untuk meneliti tari jaipong, tari bali, atau taridaerah yang lain. Siapa tahu hasilnya dapat membuat masyarakatlokal maupun internasional lebih menghargai budaya kita.(Dikutip seperlunya dari Fisika untuk Semua, Yohanes Surya, 2004)
93Dinamika PartikelK olom IlmuwanSalah satu alat yang prinsip kerjanya berdasarkan gaya sentripetaladalah pesawat sentrifugal. Sekarang buatlah sebuah artikel menge-nai pesawat ini. Anda dapat menjelaskan cara kerjanya, manfaatnya,kelebihan, atau kekurangannya. Cantumkan sumber-sumber yangAnda gunakan untuk membuat artikel tersebut (dari buku, majalah,internet, dll). Kumpulkan hasilnya di meja guru, dan jika dinilai layakkirimkan ke majalah atau surat kabar yang menyediakan kolom ilmupengetahuan!C. Penerapan Hukum NewtonPada kehidupan sehari-hari Anda pasti dapat menemui contoh pene-rapan hukum-hukum Newton. Dalam subbab ini Anda akan membahasbeberapa contoh penerapan hukum-hukum Newton. Misalnya pada geraklurus, gerak vertikal, dan gerak melingkar beraturan.Untuk menyelesaikan permasalahan yang menggunakan hukum I danII Newton pada suatu benda, ada beberapa catatan. Pertama, gambarlahdiagram secara terpisah yang menggambarkan semua gaya yang bekerjapada benda tersebut (gambar diagram bebas). Kedua, gaya yang searahdengan perpindahan benda dianggap positif, sedangkan gaya yangberlawanan arah dengan perpindahan benda dianggap negatif.1. Gerak Benda pada Bidang DatarPerhatikan Gambar 4.8 (a)! Sebuah benda yang terletak di atas bidangdatar licin ditarik horizontal dengan gaya F. Ternyata benda tersebutbergerak dengan percepatan a. Karena benda bergerak pada sumbu X(horizontal), maka gaya yang bekerja pada benda tersebut dapat dituliskansebagai berikut.Gambar 4.8 (a) Balok pada bidang datar licin ditarik horizontal (b) Balok padabidang datar licin ditarik dengan membentuk sudut D.FFx = FcosDFD(a)(b)
94Fisika SMA/MA Kelas XatauFFaamm6Bagaimana jika gaya tarik F membentuk sudut (Gambar 4.8 (b))?Komponen yang menyebabkan benda bergerak di atas bidang datar licinadalah komponen horizontal F, yaitu Fx. Oleh karena itu, persamaannyadapat ditulis sebagai berikut.cosxFFDSesuai dengan hukum II Newton, percepatan benda adalah sebagaiberikut.cosFamDBagaimana jika bidang datar tempat benda berada kasar? Untuk sebuahbenda yang berada di atas bidang kasar, Anda harus memperhitungkan gayagesek antara benda dan bidang datar tersebut.1.Sebuah balok es yang memiliki massa 25 kg didorong Rafli,dengan sudut 30°. Jika balok es bergerak dengan percepatankonstan 134m/s2, maka tentukan besar gaya dorongan Rafli!Diketahui :a.m = 25 kgb.a = 134m/s2 c.D= 30°Ditanyakan : F = ...?Contoh 4.2a = 134m/s2D= 30°m = 25 kgycos 30xFF u qur30°xFur
95Dinamika PartikelJawab:F cos D= m aF cos 30°= 25 × 134 m/s2F= 12534132u= 252= 12,5 NJadi, Rafli mendorong balok es tersebut dengan gaya sebesar123,5 N.2. Pongki menarik sebuah balok yang bermassa 10 kg dengan gayasebesar 100 N dengan arah membentuk sudut 37° terhadaplantai. Koefisien gesek statis dan kinetik benda terhadap lantaiadalah 0,5 dan 0,4. Jika percepatan gravitasi di tempat itu 10ms-2, maka tentukan bergerak atau tidak benda tersebut, jikabenda sudah bergerak tentukan percepatannya!Diketahui :a.m= 10 kgb.F= 100 Nc.D= 37°d.sP= 0,5e.kP= 0,4f.g= 10 ms-2Ditanyakan :a.Apakah benda sudah bergerak dengan gayadorong 100 N?b.a = ...?Jawab:a.Fx= F cos 37°= 100 × 0,8 = 80 N,ssmaksfNP0F6 N + F sin 37° – mg = 0N = mg – F sin 37°fs maks= sP(mg – F sin 37°)= 0,5 (10×10 – 100 ×0,6)= 20 NKarena Fx > fs maks, maka balok yang didorong Pongki sudahbergerak.fs maksNmgF sin 37°F = 100NF cos 37°37°
96Fisika SMA/MA Kelas Xb. Karena balok sudah bergerak, maka yang bekerja pada balokadalah gaya gesekan kinetik.kkfNP= kP(mg – F sin 37°)= 0,4 (10 ×10 – 100 × 0,6)= 16 NxFma6 uF cos 37° – fk = m · aa= cos 30Ffmq = 100 0, 8 1610u= 6,4 m/s2Jadi, balok tersebut bergerak dengan percepatan 6,4 m/s2.2. Gerak Dua Benda yang BersentuhanMisalkan dua benda ma dan mbbersentuhan dan diletakkan pada bidangdatar licin (perhatikan Gambar 4.9). Jikabenda ma didorong dengan gaya F , makabesarnya gaya kontak antara benda madan mb adalah Fab dan Fba. Kedua gayatersebut sama besar tetapi arahnya berlawanan. Menurut hukum II New-ton permasalahan tersebut dapat Anda tinjau sebagai berikut.Gaya yang bekerja pada benda pertama adalah 6Fx = m . a atauF – Nab = ma . a. Gaya yang bekerja pada benda kedua adalah 6 .xbFmaatau Nba = ma. a. Karena Nab dan Nba merupakan pasangan aksi reaksi,maka besar keduanya sama. Sehingga Anda juga dapat menuliskanpersamaan Nab = ma. a. Berdasarkan persamaan-persamaan tersebut, Andadapatkan persamaan sebagai berikut.F – mb × a = ma × aF = ma× a + mb × aF = (ma + mb) a atau a = abFmmDengan demikian persamaan gaya kontak antara benda ma dan mbadalah sebagai berikut.ataubaabbaaabbmmNFNFmmmmGambar 4.9Gerak dua benda.FmambNabNba
97Dinamika PartikelDua benda yang bersentuhan mula-mula diam di atas lantai licin(perhatikan gambar di samping). Jikapada benda pertama dikerjakan gayasebesar 200 N, maka tentukanpercepatan masing-masing bendadan gaya kontak antarbenda!Diketahui :a.ma= 70 kgb.mb= 30 kgc.F = 200 NDitanyakan:a.a = ...?b.Nab atau Nba = ...?Jawab:a. Percepatan bendaa = abFmm = 20070 30 = 2 m s-2Jadi, percepatan masing-masing benda adalah 2 m s-2.b. Besarnya gaya kontak antarbendaAnda bisa menggunakan salah satu persamaan. Misalnya Andagunakan persamaan berikut.abN = babmFmm= 3020070 30= 60 NJadi, besarnya gaya kontak antarbenda adalah 60 N3. Gerak Benda pada Bidang MiringAnda telah mengetahui bahwa se-buah benda yang diletakkan di atasmeja tidak akan jatuh. Hal itu karenaadanya gaya lain yang bekerja padabenda selain gaya berat, yaitu gayanormal. Ingat, arah gaya normal selalutegak lurus dengan bidang sentuh.Misalnya, sebuah benda yangbermassa m diletakkan pada bidangmiring licin yang membentuk sudut Tterhadap bidang horizontal. JikaContoh 4.3200 N70 kg30 kgGambar 4.10Gerak benda pada bidangmiring.Nmg sinTmg cosTmgT
98Fisika SMA/MA Kelas Xdiambil sumbu X sejajar bidang miring dan sumbu Y tegak lurus denganbidang miring, maka komponen-komponen gaya beratnya adalah sebagaiberikut.Komponen gaya berat pada sumbu X adalah Wx = mg sin TKomponen gaya berat pada sumbu Y adalah Wy = mg cos TGaya-gaya yang bekerja pada sumbu Y adalah sebagai berikut.yyFNw6 ataucosyFNmgT6 Karena benda tidak bergerak pada sumbu y, maka 0yF6 atau cosNmgT.Gaya-gaya yang bekerja pada sumbu x adalah sebagai berikut.sinxFmgT6 Karena benda bergerak pada sumbu X (gaya yang menyebabkanbenda bergerak adalah gaya yang sejajar dengan bidang miring), makapercepatan yang dialami oleh benda adalah sebagai berikut.xFma6 usinmgm aT u atau sinagTSebuah balok yang massanya 6 kg meluncur ke bawah pada sebuahpapan licin yang dimiringkan 30° dari lantai. Jika jarak lantai denganbalok 10 m dan besarnya gaya gravitasi ditempat itu 10 ms-2, makatentukan percepatan dan waktu yang diperlukan balok untuksampai di lantai!Diketahui :a.m= 6 kgb.s= 10 mc.D= 30°d.g= 10 ms-2Ditanyakan:a.a= ...?b.t= ...?Contoh 4.4
99Dinamika PartikelJawab:Gaya berat balok diuraikan padasumbu X (bidang miring) dansumbu Y (garis tegak lurus bi-dang miring). Benda meluncurdengan gaya F = w sin 30°.a. Menurut hukum II NewtonF = m × aw sin 30° = m × am × g sin 30° = m × a6 × 10 × 0,5 = 6 aa = 306 = 5 ms-2Jadi, balok tersebut meluncur ke bawah dengan percepatan 5 ms-2.b. Ingat persamaan pada GLBBst= v0t + 12at2, karena v0 = 0 makast= 12at210 = 125 t2t2= 102, 5 = 4t= 2 sJadi, waktu yang diperlukan balok untuk sampai ke lantaiadalah 2 s.4. Gerak Benda yang Dihubungkan dengan KatrolPerhatikan Gambar 4.11! Misalnya duabuah benda ma dan mb dihubungkan denganseutas tali melalui sebuah katrol licin (talidianggap tidak bermassa). Jika ma > mb,maka ma akan bergerak ke bawah (positif)dan mb bergerak ke atas (negatif) denganpercepatan sama. Untuk menentukanbesarnya percepatan dan tegangan tali padabenda, Anda dapat lakukan denganmeninjau gaya-gaya yang bekerja padamasing-masing benda.Nw sin 30°XYw cos30°B 30°m1gGambar 4.11KatrolTTTTaam2g
100Fisika SMA/MA Kelas XTinjau benda ma:aaFm a6 uaaaamgTma Tmgmau u u uTinjau benda mb :bbFm a6 ubbb bTm gm a Tm gm au u uuKarena Anda anggap tali tidak bermassa dan katrol licin, maka gesekanantara katrol dan tali juga diabaikan. Sehingga tegangan tali di mana-mana adalah sama. Oleh karena itu, dari persamaan-persamaan di atasAnda dapatkan persamaan sebagai berikut.ma × g – ma × a = mb × g + mb × ama × g – mb × a = ma × g + mb × a(ma – mb)g = (ma + mb)aa = ababmmgmmPerhatikan gambar di samping! Duabuah benda masing-masing memilikimassa 5 kg dan 10 kg dihubungkandengan katrol. Gesekan antara bendapertama dengan meja lantai diabaikan.Jika gaya gravitasi di tempat itu sebesar10 ms-2, maka tentukan percepatanyang dialami kedua benda dan tegang-an talinya!Diketahui :a.ma = 5 kgb.mb = 10 kgc.g = 10 ms-2Ditanyakan :a.a = ...?b.T = ...?Contoh 4.5m1TTTTm2g
101Dinamika PartikelJawab :a. Percepatan kedua benda (a)Karena mb > ma, maka diperoleh persamaan sebagai berikut.bbFm a6 uaamgTmau ubbTm g m a uu.... (1)aaFm a6 uaTm a u.... (2)Jika Anda substitusikan persamaaan (1) dan (2), maka akandiperoleh persamaan:ma × a = mb × g – mb × ama × a + mb × a = mb × g(ma + mb)a = mb × ga = babmgmmua = 10 10 100510 15u = 6,67 ms-2Jadi, percepatan yang dialami kedua benda tersebut adalah6,67 ms-2.b. Tegangan tali (T)Karena tegangan tali di mana-mana sama, maka boleh ditinjausalah satu benda saja.Benda pertama: T = ma × a = 5 × 6,67 = 33,3 NBenda kedua: bbTm g m a uu= (10 × 10) – (10 × 6,67)= 100 – 66,7 = 33,3 NJadi, tegangan tali pada sistem tersebut sebesar 33,3 N.5. Gaya Tekan Kaki pada Lantai LiftPada gedung-gedung bertingkat banyak, tidaklah mungkin orang naikturun menggunakan tangga. Selain memerlukan waktu lama juga memer-lukan energi yang tidak sedikit/melelahkan. Tentu Anda pernah menaikilift. Apa yang Anda rasakan saat lift diam, naik, dan turun?Suatu hal aneh terjadi saat bobot seseorang yang sedang menaiki liftditimbang. Bobot orang tersebut ternyata berbeda ketika lift diam, bergerakturun, dan bergerak naik. Bagaimana hal tersebut dapat terjadi? Menuruthukum-hukum Newton, hal tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut.
102Fisika SMA/MA Kelas XPerhatikan Gambar 4.12! Pada lift diamatau bergerak dengan kecepatan tetap, makapercepatannya nol. Oleh karena itu, berlakukeseimbangan gaya (hukum I Newton).0yF6 N – mg = 0Karena mg = w, maka N = wJadi, gaya tekan kaki pada saat lift diam ataubergerak dengan kecepatan tetap adalah samadengan gaya berat orang tersebut.Perhatikan Gambar 4.13! Jika lift bergerakke atas dengan percepatan, maka besarnyagaya tekan kaki pada lantai lift dapat diten-tukan sebagai berikut.yFma6 uN – mg = m × aN = mg + m × aSebagai acuan pada gerak lift naik, gaya-gaya yang searah dengan arah gerak lift diberitanda positif dan yang berlawanan di beritanda negatif.Selanjutnya, perhatikan Gambar 4.14! Ber-dasarkan penalaran yang sama seperti saat liftbergerak ke atas, maka untuk lift yang bergerakke bawah Anda dapatkan persamaan sebagaiberikut.yFma6 umg – N = m × aN = mg – m × aGambar 4.12Lift diam.Gambar 4.13Lift naik.Gambar 4.14Lift turun.Nw = mgNw = mga
103Dinamika PartikelS oal Kompetensi 4.2Oneng yang bermassa 30 kg berdiri di dalam sebuah lift yangbergerak dengan percepatan 3 m/s2. Jika gravitasi bumi 10 ms-2,maka tentukan berat Oneng saat lift bergerak ke atas dipercepatdan bergerak ke bawah dipercepat!Diketahui : a. m = 30 kg b. g = 10 ms-2Ditanyakan: a. w = ...? (lift bergerak ke atas) b. w = ...? (lift bergerak ke bawah)Jawab:a. Lift bergerak ke atasw = N = mg + m × a= 30 × 10 + 30 ×3= 300 + 90= 390 NJadi, berat Oneng saat lift bergerak ke atas dipercepat adalah390 N.b. Lift bergerak ke bawahw = N = mg – m × a= 30 × 10 – 30 × 3= 300 – 90= 210 NJadi, berat Oneng saat lift bergerak ke bawah dipercepat adalah210 N.1. Bagaimana persamaan untuk gerak lift ke bawah diperlambatdan gerak lift ke atas diperlambat!2. Percepatan adalah perubahan kecepatan terhadap waktu. Padabab ini, percepatan merupakan gaya yang dilakukan terhadapmassa benda. Jelaskan perbedaan kedua hal tersebut!6. Gerak Menikung di JalanApakah Anda penggemar balap, baik balap mobil atau sepeda mo-tor? Mengapa para pembalap Moto GP memiringkan badannya saatmelewati tikungan? Mengapa pada belokan tajam lintasan balapan dibuatmiring? Tujuan semua itu adalah agar para pembalap dapat menikungdengan kecepatan tinggi dengan lebih mudah dan aman.Contoh 4.6
104Fisika SMA/MA Kelas XPerhatikan Gambar 4.15! Jika gaya gesekanantar ban dan jalan diabaikan dan sudut ke-miringan antara jalan dan bidang horizontalT, maka gaya-gaya yang bekerja pada mobiladalah sebagai berikut.Untuk komponen pada sumbu X (horizontal)22sinsinvmvNmNrrTT Untuk Komponen sumbu Y (vertikal)coscosmgNmgNTT Jika persamaan-persamaan di atas Anda subtitusikan, maka akan Andadapatkan persamaan sebagai berikut.2sincosmgmvrTTmv2 cos T = mgr sin Tv2 cos T = gr sin Tv2 = sincosgrTTv2 = gr tan Tv = tangrTPersamaan di atas merupakan persamaan kecepatan maksimum yangboleh dimiliki mobil agar tidak terpental dari lintasan.Seorang pembalap akan melewati tikungan jalan yang berjari-jari80 m dengan sudut kemiringan 37°. Jika gaya gravitasi 10 ms-2,maka tentukan kecepatan maksimum pembalab agar tidaktergelincir dari lintasan?Contoh 4.7Gambar 4.15Gerak menikung.A cosTNTTA sinT
105Dinamika PartikelDiketahui :a.r = 80 mb.T = 37°Ditanyakan : v = ...?Jawab:v= tangrT= 10 80 tan 37uq= 38004u= 600= 24,49 m/sJadi, kecepatan maksimum yang diperbolehkan agar pembalap tidaktergelincir adalah 24,49 m/s.7. Gerak Melingkar VertikalPernahkan Anda berkunjung ke DuniaFantasi Taman Impian Jaya Ancol, diJakarta? Di sana banyak dijumpai permainanyang merupakan gerak melingkar vertikalseperti kora-kora (perahu ayun) dan keretaluncur. Gerak melingkar vertikal juga dialami oleh seseorang yang mengendaraimobil di daerah perbukitan yang naik turunatau pilot yang melakukan demonstrasigerakan loop di langit.Misalnya, sebuah batu yang Anda ikatdengan seutas tali Anda putar secaravertikal. Anda pasti merasakan perbedaantegangan tali saat benda di titik tertinggi,terendah, mendatar, dan sembarang titikyang membentuk sudut T. Pada gerakmelingkar vertikal dapat dipilih acuansebagai berikut: Pertama, semua gaya yangmenuju ke pusat lingkaran Anda beri nilaipositif. Kedua, Gaya-gaya yang menjauhipusat lingkaran Anda beri nilai negatif.Gambar 4.16Contoh gerak melingkarvertikal dapat Anda amati di tamanhiburan.5v5mgT5v4mg cosT4T5mgT5T5T5mgmgmgmg cosT321v3v2v1Gambar 4.17Gerak melingkar vertikalpada seutas tali.
106Fisika SMA/MA Kelas XBerdasarkan Gambar 4.17, Anda dapat menentukan besarnya tegangantali pada semua keadaan. Pada semua keadaan berlaku persamaan:2vFmr6 .Saat benda di posisi A besarnya tegangan tali adalah sebagai berikut.2–1AvTmgrg§· ̈ ̧©¹Saat benda di posisi B besarnya tegangan tali adalah sebagai berikut.2BmvTrSaat benda di posisi C besarnya tegangan tali adalah sebagai berikut.2cosCvTmgrgT§· ̈ ̧©¹Saat benda di posisi D besarnya tegangan tali adalah sebagai berikut.21DvTmgrg§· ̈ ̧©¹Sitompul mengikat bolpointnya yang bermassa 0,1 kg dengan seutastali dan diputar vertikal dengan kecepatan tetap 4 ms-2. Jika panjangtali 1 m dan gaya gravitasi bumi 10 ms-2, maka tentukan tegangantali saat bolpoint berada di posisi terendah dan posisi tertinggi!Diketahui : a. m = 0,1 kg b. g = 10 ms-2 c. v = 4 ms-2 d. r = 1 mDitanyakan: a. T = ...? (di titik terendah) b. T = ...? (di titik tertinggi)Contoh 4.8
107Dinamika PartikelJawab:a.Posisi terendahb.Posisi tertinggiTD= 21vmgrg§· ̈ ̧©¹TA= 21vmgrg§· ̈ ̧©¹= 0,1 × 10241110§· ̈ ̧u©¹= 0,1 × 10 241110§· ̈ ̧u©¹= 161110§· ̈ ̧©¹= 161116§· ̈ ̧©¹= 2,6 N= 0,6 NSekarang, Anda akan mempelajarigerak melingkar vertikal pada keretaluncur. Kereta luncur merupakan con-toh gerak melingkar vertikal pada sisidalam lingkaran. Mengapa kereta lun-cur tidak jatuh ke bawah saat beradadi titik tertinggi lintasan?Saat kereta luncur berada di titiktertinggi lintasan dalam keadaan diam,maka resultan gaya ke bawah (N + mg)yang tidak nol akan menghasilkan per-cepatan ke bawah. Percepatan inilahyang menyebabkan kereta luncur akanjatuh ke bawah. Namun, jika kereta bergerak dengan kelajuan tertentu,maka kereta akan menempuh gerak melingkar vertikal. Gerak melingkarvertikal memerlukan gaya sentripetal. Pada kasus ini gaya sentripetal diberikan oleh resultan gaya N + mg. Karena alasan itulah kereta luncuryang bergerak dengan kelajuan tertentu tidak akan jatuh ke bawah.Berapakah kelajuan minimun yang harus dimiliki kereta kuncur saat beradadi titik tertinggi lintasan? Perhatikan gaya-gaya yang bekerja pada kereta. Adadua gaya yang menuju ke pusat lingkaran, yaitu gaya berat (w = mg) dangaya normal (NA). Resultan kedua gaya ini memberikan gaya sentripetal2mvr§· ̈ ̧©¹. Sehingga saat Anda samakan resultan gaya NA + mg dengan gayasentripetal 2mvr, maka akan Anda dapatkan persamaan berikut.Gambar 4.18Diagram gaya yang bekerjapada kereta luncur saat berada di titik ter-tinggi lintasan.mgN
108Fisika SMA/MA Kelas XKolom Diskusi 4.32mvr = N + mgKelajuan minimum tertentu kereta juga disebut kelajuan kritis (vk).Kelajuan ini diperoleh untuk NA = 0. Oleh karena itu persamaannyamenjadi seperti berikut.220kkkmvmgmvmgvgrr Jadi, agar kereta luncur tidak jatuh ke bawah saat berada di titik tertinggi,maka kereta tersebut harus memiliki kelajuan yang lebih besar dari gr.Faisal memutar secara vertikal sebuah ember yang berisi air denganjari-jari 0,8 m. Jika gaya gravitasi sebesar 9,8 ms-2, maka tentukanke-lajuan minimum ember agar air di dalamnya tidak tumpah!Diketahui :a.r = 0,8 mb.g = 9,8 ms-2Ditanyakan :vk = ...?Jawab:vk= gr= 9, 8 0, 8u= 7,84= 2,8 m/sJadi, agar air di dalam ember tidak tumpah, maka ember harusmemiliki kelajuan lebih besar dari 2,8 m/s.Diskusikan dengan teman sebangku Anda mengenai gerak meling-kar pada sisi sebelah luar lingkaran. Tuliskan persamaan-persamaanyang berlaku dan berilah contoh soal dan contoh peristiwanyadalam kehidupan sehari-hari. Buatlah kesimpulan berdasarkandiskusi tersebut dan kumpulkan di meja guru Anda!Contoh 4.9
109Dinamika PartikelRangkuman1. Dinamika adalah ilmu mekanika yang mempelajari tentang gerakdengan meninjau penyebab terjadinya gerak.2 . Gaya adalah dorongan atau tarikan yang menyebabkan sebuahbenda bergerak.3 . Hukum I Newton menyatakan bahwa “Jika resultan gaya padasuatu benda sama dengan nol, maka benda yang diam akan tetapdiam dan benda yang bergerak akan tetap bergerak dengankecepatan tetap”.4 . Hukum II Newton menyatakan bahwa “Percepatan yang dihasilkanoleh resultan gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding lurusdengan resultan gaya, dan berbanding terbalik dengan massa benda”.5. Hukum III Newton menyatakan bahwa “Jika benda A mengerjakangaya pada benda B, maka benda B akan mengerjakan gaya pada bendaA, yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan”.6. Ada beberapa jenis gaya, antara lain, gaya berat, gaya normal, gayagesekan, dan gaya sentripetal.7. Gaya berat (w) merupakan gaya gravitasi bumi yang bekerja padasuatu benda.8. Persamaan gaya berat adalah w = m × g.9. Gaya normal (N) adalah gaya yang bekerja pada bidang yang ber-sentuhan antara dua permukaan benda, yang arahnya selalu tegaklurus dengan bidang sentuh.10. Gaya gesek adalah gaya yang bekerja antara dua permukaan bendayang saling bersentuhan.11. Gaya gesek dapat dibedakan menjadi dua, yaitu gaya gesekan statisdan gaya gesekan kinetis. Gaya gesek statis (fs) adalah gaya gesekyang bekerja pada benda selama benda tersebut masih diam. Gayagesek kinetis (fk) adalah gaya gesek yang bekerja pada saat bendadalam keadaan bergerak.12. Persamaan gaya gesek statis dan kinetis adalah ,ssmaksfNP dankkfNP.13. Gaya sentripetal adalah gaya yang menimbulkan percepatan sentri-petal.14. Gaya sentripetal pada gerak melingkar berfungsi untuk merubaharah gerak benda.
110Fisika SMA/MA Kelas XPelatihan15. Persamaan gaya sentripetal adalah 22svFm mrrZ.16. Penerapan hukum-hukum Newton, antara lain, pada gerak benda padabidang datar, gerak dua benda yang bersentuhan, gerak benda padabidang miring, gerak melingkar beraturan, dan gerak melingkar vertikal.A. Pilihlah jawaban yang benar dengan menuliskan huruf a, b, c, d, atau edi buku tugas Anda!1. Pernyataan berikut yang sesuai dengan hukum I Newton adalah ....a.jika a = 0, maka benda selalu diamb. jika v = 0, maka benda selalu bergerak lurus beraturanc. jika a = 0, maka benda bergerak lurus berubah beraturand. jika a = 0, maka perubahan kecepatan benda selalu nole.jika v = 0, maka perubahan percepatan benda selalu nol2. Benda A dan B terletak di atas lantai licin. Massa benda A tiga kali massabenda B. Jika pada kedua benda bekerja gaya mendatar yang sama, makaperbandingan percepatan antara benda A dan benda B adalah ....a. 1 : 6d. 2 : 3b. 1 : 3e.1 : 4c.1 : 13. Selama 10 sekon kecepatan sebuah truk yang massanya 5 ton mengalamiperubahan dari 5 m/s menjadi 15 m/s. Besarnya gaya yang menyebabkanperubahan kecepatan tersebut adalah ....a. 5.000 Nd. 8.000 Nb. 6.000 Ne.9.000 Nc.7.000 N4. Sebuah batu dengan massa 2 kg diikat dengan tali dan diputar sehinggalintasannya berbentuk lingkaran vertical dengan jari-jari 0,5 m dankecepatan sudutnya 6 rad/s. Tegangan tali di titik terendah adalah ....a. 51 Nd. 64 Nb. 61 Ne.56 Nc.54 N5 . Silalahi yang bermassa 60 kg berda dalam sebuah lift yang sedang bergerakke bawah dengan kecepatan 3 ms-2. Besarnya gaya desakan kaki Silalahipada lantai lift adalah ....a. 420 Nd. 530 Nb. 430 Ne.600 Nc.520 N
111Dinamika Partikel6.Perhatikan gambar di samping! Yang menunjukkanpasangan gaya aksi reaksi adalah ....a.T1 dan T2b.T3 dan T4c.T1 dan w1d. T3 dan w2e.T4 dan F7. Koefisien gesek statis antara sebuah lemari dengan lantai kasar suatu baktruk sebesar 1. Besarnya percepatan maksimum yang boleh dimiliki trukagar lemari tetap diam terhadap bak truk adalah ....a. 1 ms-2b. 5 ms-2c.10 ms-2d. 15 ms-2e.7 ms-28.Dua buah benda A dan B masing-masingbermassa 2 kg dan 3 kg dihubungkan dengantali melalui sebuah katrol licin (massa talidiabaikan). Jika percepatan gravitasi bumiditempat itu 10 ms-2, maka besarnya tegangantali adalah ....a.20 Nb.21 Nc.22 Nd. 23 Ne.24 N9.Perhatikan gambar di samping! Jika lengandirentangkan hampir horizontal sehinggasudut antartendon biseps dengan tulanglengan (radius) sebesar 10°, maka agar keadaansetimbang besarnya gaya yang diperlukanadalah .... (sin 10° = 0,2)a. 100 Nb.125 Nc.150 Nd. 175 Ne.200 NFT1T2W2T2T1W15 Nradiusbisepshumerus2 kg3 kg
112Fisika SMA/MA Kelas Xx100 mv = 360 km/jamgaya sentrifugal10.Cahyo duduk di atas kursi pada roda yangberputar vertikal. Jika percepatan gravitasibumi 10 ms-2 dan jari-jari roda 2,5 m, makalaju maksimum roda tersebut agar cahyo tidakterlepas dari tempat duduknya adalah ....a. 1 m/sb.2 m/sc.3 m/sd. 4 m/se.5 m/sB. Kerjakan soal-soal berikut dengan benar!1. Pada benda yang bermassa m, bekerja gaya F yang menimbulkanpercepatan a. Jika gaya yang bekerja dijadikan 2F dan massa bendadijadikan 14m, maka tentukan besarnya percepatan yang ditimbulkan!2. Sebuah elevator massa 400 kg bergerak vertikal ke atas dari keadaan diamdengan percepatan tetap sebesar 2 m/s2. Jika percepatan gravitasi 9,8 m/s2, maka tentukan tegangan tali penarik elevator!3.Pada kecepatan 72 km/jam, seorang sopir mengerem mobilnya sehingga 10sekon kemudian mobil berhenti. Jika percepatan gravitasi 10 ms-2, makatentukan koefisien gesek antara ban mobil dengan jalan!4.Perhatikan gambar di samping! Jika beratpilot 60 kg, maka tentukan besarnya gayatarik ke bawah yang dirasakan pilot saatpesawat bergerak seperti terlihat padagambar di samping!5. Benda bermassa 100 gram bergerak melingkar beraturan dengan jari-jari0,5 m dan kecepatan sudut 2 rad/s. Tentukan besarnya gaya sentripetalyang dialami benda tersebut!
113Pelatihan Ulangan Semester GasalPelatihan UlanganSemester GasalA. Pilihlah jawaban yang benar dengan menuliskan huruf a, b, c, d, atau edi dalam buku tugas Anda!1.Besaran-besaran di bawah ini yang merupakan besaran turunan adalah ....a.gaya, kecepatan, dan panjangb.tekanan, energi, dan beratc.berat daya, dan waktud. massa, waktu, dan percepatane.berat, emerge, dan massa2. Sebatang kayu memiliki panjang 100 m. Pada pernyataan tersebut yangdinamakan besaran adalah ....a.100d. 100 meterb. panjange.kayuc.meter3.Besaran-besaran di bawah ini yang merupakan besaran turunan adalah ....a.gaya, kecepatan, dan panjangb.tekanan, energi, dan beratc.berat daya, dan waktud. massa, waktu, dan percepatane.berat, energi, dan massa4. Perpindahan didefinisikan sebagai ....a.perubahan kedudukan suatu benda dalam waktu tertentub.jarak antara dua posisi bendac.besaran skalard. hasil kali kelajuan dengan waktue.panjang lintasan yang ditempuh oleh suatu benda5.Besar dan arah sebuah vektor V yang memiliki komponen Vx = 4,8 danVy = -6,2 adalah ....a.V = 7,8 dan T = -52°d.V = 7,8 dan T = 32°b.V = 78 dan T = 52°e.V = 78 dan T = 32°c.V = 78 dan T = -52°
114Fisika SMA/MA Kelas X6 . Persamaan untuk kecepatan suara di dalam suatu gas dinyatakan denganrumus bkTvmJ. Kecepatan v dinyatakan dalam satuan m/s, J adalahkonstanta tanpa satuan, T adalah suhu dinyatakan dalam kelvin, dan madalah massa dinyatakan dalam kg. Satuan untuk konstanta Boltzmann kbadalah ....a.kg m2 s-2 K-1d. kg msK-1b.kg m2 s-2 Ke.kg m2 sKc.kg m-2 s2 K7. Sebuah roket yang membawa sebuah satelit sedang bergerak menjauhi bumi.Setelah 1,35 sekon, roket tersebut berada 47 m di atas tanah. Kemudian 4,45 ssetelah itu, roket berada 1 km di atas tanah. Besarnya kecepatan rata-rataroket tersebut adalah ....a.152 m/sd. 182 m/sb.162 m/se.192 m/sc.172 m/s8. Ketika cuaca cerah, jarak Jogjakarta-Semarang bisa ditempuh dalam waktu2 jam 30 menit dengan kelajuan rata-rata 72 km/jam. Namun, pada saathujan, jarak Jogjakarta-Semarang tersebut terpaksa harus ditempuh dengankelajuan rata-rata 60 km/jam. Selisih lama perjalanan yang ditempuh padawaktu hujan dengan cuaca cerah adalah ....a.20 menitd. 30 menitb.25 menite.35 menitc.27 menit9. Ben Johnson pernah menjadi pelari tercepat di dunia. Ia menempuh jarak100 m dalam waktu 9,83 s. pada interval jarak 50 m sampai 70 m, iamenempuhnya dalam waktu 1,7 s. Kelajuan rata-rata Ben Johnson untukkeseluruhan jarak 100 meter adalah ....a.10 m/sd. 11 m/sb.10,17 m/se.11,07 m/sc.10,27 m/s10. Benda bermassa 4 kg yang mula-mula diam dipercepat oleh suatu gaya tetap10 N. Setelah menempuh jarak 9 meter, kelajuan benda tersebut adalah ....a.110 md. 3,6 mb.36 me.3 mc.6 m11. Sebuah benda yang bergerak lurus selama 4 sekon mengalami perubahankecepatan dari 4 m/s menjadi 8 m/s dengan arah gerak akhir berlawanandengan arah gerak mula-mula. Resultan gaya pada benda tersebut adalah ....a.2 Nd. 8 Nb.4 Ne.10 Nc.6 N
115Pelatihan Ulangan Semester Gasal12. Jumlah bahan bakar yang diperlukan untuk mempercepat gerak sebuahmobil yang dari keadaan diam menjadi berkelajuan v adalah P. Jika gesekanantara ban dan jalan diabaikan, maka jumlah bahan bakar tambahan yangdiperlukan untuk menaikkan kelajuan mobil tersebut dari v menjadi 2vadalah ....a.2Pd. 5Pb. 3Pe.6Pc.4P13. Perhatikan gambar grafik di samping!Dua buah benda masing-masing ber-massa m1 dan m2. bergerak sepanjangsumbu X dan dipengaruhi oleh gayayang sama. Berdasarkan grafik tersebutdiketahui bahwa ....a.m1 > m2b.m1 < m2c.pada t = 10 s kedua benda bertumbukand. selama 10 s pertama, kedua benda menempuh jarak yang samae.m1 menempuh jarak lebih jauh14. Perhatikan gambar grafik di samping!Benda A tepat menyusul benda Bsetelah bergerak selama ....a.17 sb.18 sc.19 sd. 20 se.21 s15. Dua buah mobil A dan B bergerak pada arah yang sama tetapi mobil b berada186 meter di belakang mobil A. Jika kelajuan mobil A dan B masing-masing18,6 m/s dan 14,4 m/s, maka waktu yang diperlukan mobil B untukmengejar mobil adalah ....a.24 sd. 32 sb.26 se.36 sc.28 s16. Doni dan Dina yang terpisah jarak 100 m berlari saling mendekat saatbertemu di stasiun kereta dengan kecepatan 4,5 m/s dan -3,5 m/s. Waktuyang diperlukan keduanya untuk bertemu adalah ....a.10 sd. 12 sb.11 se.12,5 sc.11,5 sv(m/s)410t(s)m1m2v(m/s)610t(s)0BA
116Fisika SMA/MA Kelas X17. Sebuah mobil yang bergerak dengan kecepatan 40 km/jam pada suatulintasan lurus tiba-tiba direm dan berhenti dalam waktu 5 sekon. Perubahankecepatan mobil tersebut tiap sekon adalah ....a. -1 m/sd. -2 m/sb.-1,2 m/se.-2,2 m/sc.-1,5 m/s18. Cahyo berlari mengejar sebuah bus kota dengan kecepatan 4,5 m/s. Buskota telah bergerak selama 2 s dengan percepatan 1 ms-2. Cahyo dapatmengejar bus kota setelah berlari sampai jarak ....a.16 md. 19 mb.17 me.20 mc.18 m19. Jika sebuah benda yang dijatuhkan menempuh jarak 19,6 m dalam waktu 2sekon, maka jarak yang ditempuh benda tersebut setelah 4 sekon adalah ....a.76,4 md. 86,6 mb.77,4 me.88,8 mc.78,4 m20. Roda dari sebuah sepeda dortrap berjari-jari 30 cm, sedang jari-jari gir depandan belakang masing-masing 8 cm dan 3 cm. Jika gir depan berputar tetapdengan kecepatan sudut 5 rad/s, maka waktu yang diperlukan untukmenempuh jarak 7,2 km tanpa berhenti adalah ....a.10 menitd. 40 menitb.20 menite.50 menitc.30 menit21. Sebuah benda terletak pada bidang miring dengan sudut kemiringan Dterhadap bidang horizontal, ternyata benda tepat akan bergerak turun.Koefisien gesek statis benda terhadap bidang miring adalah ....a.sin Dd. ctg Db.cos De.sec Dc.tg D22. Sebuah elevator yang bermassa 400 kg bergerak vertikal ke atas dari keadaandiam dengan percepatan tetap sebesar 2 m/s2. Tegangan tali penarik elevatortersebut adalah ....a.400 Nd. 4.800 Nb.800 Ne.7.200 Nc.3.600 N23. Sebuah benda berputar pada sumbu dengan perpindahan sudut yangbesarnya dinyatakan oleh persamaan T = 2t2 + 3t + 5 (T dalam radian dant dalam sekon). Laju linear sebuah titik yang berjarak 50 cm dan sumbuputar pada saat t = 2 s adalah ....a.3 m/sd. 5 m/sb.3,5 m/se.5,5 m/sc.4 m/s
117Pelatihan Ulangan Semester Gasal24. Sebuah baling-baling helikopter berputar 900 kali per menit. Kecepatansudut baling-baling helikopter tersebut dalah ....a.94 rad/sd. 97 rad/sb.95 rad/se.98 rad/sc.96 rad/s25. Sebuah benda bermassa 4 kg diikatkan pada seutas tali dan diputar denganjari-jari 6 m pada kelajuan konstan 12 m/s oleh Superman. Kecepatansudutnya adalah ....a.1 rad/sd. 4 rad/sb.2 rad/se.5 rad/sc.3 rad/s26. Pada label sebuah makanan ringan tertera “berat bersih 100 g”. Beratsesungguhnya makanan ringan tersebut adalah ....a.100 Nd. 98 Nb.980 Ne.0,98 Nc.9,8 N27. Sebuah kotak yang massanya 3 kg meluncur di atas lantai sejauh 4 m dalamwaktu 2 s. Besarnya gaya yang bekerja pada kotak tersebut adalah ....a.4 Nd. 7 Nb. 5 Ne.8 Nc.6 N28. Sebuah traktor menarik beban 275 kg dengan gaya tarik sebesar 440 N. Jikagaya gesek antara traktor dan beban dengan tanah diabaikan, makapercepatan yang dialami beban adalah ....a.1 ms-2d. 1,5 ms-2b.1,1 ms-2e.1,6 ms-2c.1,3 ms-229. Sebuah mobil bermassa 800 kg melewati sebuah bukit yang memiliki jari-jari kelengkungan 40 m. Jika kelajuan mobil tersebut sebesar 10 m/s, makagaya normal yang dialami mobil tersebut adalah ....a.7.000 Nd. 10.000 Nb.8.000 Ne.11.000 Nc.9.000 N30. Sebuah truk yang bermassa 1.570 kg bergerak dengan kelajuan 17,5 m/s.Jika truk tersebut direm dan berhenti setelah menempuh jarak 94,5 m, makabesar gaya pengeremannya adalah ....a.-2.000 Nd. -2.544 Nb.-2.440 Ne.-2.654 Nc.-2.540 NB. Jawablah soal-soal berikut dengan benar!1.Diketahui persamaan untuk energi potensial adalah EP = mgh. Jika Epdinyatakan dalam satuan kgm2s-2, g dalam ms-2, dan h dalam meter, makatentukan satuan m!
118Fisika SMA/MA Kelas X2 . Perhatikan gambar grafik berikut!Tentukan kecepatan rata-rata ben-da dalam interval waktu t = 5 ssampai t = 15 s dan t = 0 sampait = 20 s!3. Jika vektor P memiliki besar 8 pada arah 60° terhadap sumbu X dan vektorQ memiliki besar 6 dan arah -30° terhadap sumbu X, maka tentukan besardan arah vektor C = P – Q!4. Sebuah mobil mulai bergerak dari keadaan diam dengan percepatan 0,2 ms-2dalam waktu 2 menit. Kemudian mobil bergerak dengan kecepatan konstanselama 5 menit. Sesudah itu mobil tersebut direm dengan perlambatan1,5 ms-2 sampai akhirnya berhenti. Hitunglah kecepatan maksimum dan jaraktotal yang ditempuh mobil!5. Diketahui sebuah mobil balap dapat mencapai kelajuan 50 m/s. Jika mobiltersebut harus berhenti dalam waktu 5 sekon, maka tentukan perlambatanyang harus diberikan pada mobil balap tersebut!6. Rangga mengendarai sepeda motor dengan kelajuan konstan 18 km/jamselama 12 sekon. Selanjutnya, Rangga memacu motornya selama 16 sekondengan percepatan rata-rata 1,5 ms-2. Hitunglah jarak total yang ditempuhRangga dan kecepatan akhirnya!7. Seorang pemain akrobat memiliki tiga buah bola yang dilempar ke atasdengan kedua tangannya. Bola-bola tersebut dapat berada 1,8 m di atastangannya. Jika ia memerlukan waktu 0,3 s untuk memindahkan bola darisatu tangan ke tangan yang lain, maka tentukan posisi dua bola yang lainsaat sebuah bola berada di puncak ketinggiannya!8. Sebuah stasiun ruang angkasa milik Indonesia bergerak mengelilingi bumidalam orbit berbentuk lingkaran pada ketinggian 5 × 102 km. Jika stasiuntersebut memiliki periode revolusi 95 menit, maka tentukan kelajuan orbitdan percepatan sentripetalnya!9. Humardani yang massanya 59 kg sedang berada di dalam sebuah lift. Berapa-kah gaya yang dikerjakan Humardani terhadap lantai lift saat lift bergerakke atas dengan kecepatan 2 m/s dan lift bergerak ke bawah dengan kecepatan2,8 m/s!10. Nana diminta membuat sebuah lintasan balap yang berbentuk lingkarandengan jari-jari 975 m. Jika kelajuan rata-rata mobil balap yang akan berlombarata-rata 240 km/jam dan grafitasi bumi 9,8 m/s2, maka tentukan sudut ke-miringan yang harus dibuat Nana agar mobil dapat melaju dengan aman!v(m/s)840-4-8510152025t(s)