tiada hari tampa sesuatu yang megasikan…………

INFO

FISIKA KELAS XI

HUKUM NEWTON TENTANG GERAK

DAN GRAVITASI

Sekelompok penerjun paying terdiri dari delapan orang sedang melakukan terjun bebas sambil membentuk formasi. Di ketinggian di atas lima ribu kilometer laju jatuh mereka masih lambat karena percepatan gravitasi masih kecil. Sesudah itu semakin lama semagin cepat gerak mereka sehingga susah mempertahankan formasi terjun bebas dan harus segera menarik tali pengikat payung. Mengapa demikian? Menurut Newton percepatan sebanding dengan gaya sedangkan gaya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua benda. Bagaimana dengan percepatan pada gerak di permukaan bumi? Apakah sebanding dengan gaya? Gaya apakah itu? Pada bab ini akan dikaji hukum-hukum Newton tentang gerak termasuk hukum tentang gravitasi.


BAB 2

HUKUM NEWTON TENTANG GERAK DAN GRAVITASI

A. Hukum Gravitasi Newton

Jika malam telah tiba, perhatikanlah bulan di langit! Apakah bulan dalam keadaan diam saja? Apakah bulan jatuh ke bumi? Mengapa?

Bulan dilihat dari Bumi

Perhatikan pula situasi sebuah pohon di sekitarmu ? Apakah ada daun pada pohon yang jatuh di bawah pohon ? Mengapa daun yang massanya ringan dapat jatuh ke permukaan bumi, sedang bulan yang massanya jauh lebih besar dibandingkan selembar daun tidak jatuh ke bumi ?

1.         Gaya Gravitasi

Permasalahan di atas telah dikaji oleh Sir Isaac Newton pada abad 16 masehi. Newton mengemukakan, bahwa ternyata ada suatu ”gaya pada suatu jarak” yang memungkinkan dua benda atau lebih untuk berinteraksi. Istilah tersebut oleh Michael Faraday, pada abad 18 diubah menjadi istilah ”medan”. Adapun pengertian medan adalah tempat di sekitar  suatu besaran fisis yang masih dipengaruhi oleh besaran tersebut dalam suatu entitas tertentu. Sebagai contoh, gaya gravitasi akan bekerja pada massa suatu benda yang masih berada dalam medan gravitasi suatu benda atau planet. Jika medan gravitasi sudah dapat diabaikan, maka sebuah massa yang berada di sekitar besaran benda tersebut tidak dapat dipengaruhi. Dengan demikian, dapatlah kamu pahami, mengapa daun yang massanya lebih kecil dibanding bulan yang massanya jauh lebih besar dapat ditarik bumi.

Dalam penelitiannya, Newton menyimpulkan, bahwa gaya gravitasi atau gaya tarik-menarik dapat berlaku secara universal dan sebanding oleh massa masing-masing benda dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua benda, dan dirumuskan:

F = G

F       =    gaya tarik-menarik antara kedua benda (N)

m1 =    massa benda 1 (kg)

m2 =    massa benda 2 (kg)

r        =    jarak antara kedua pusat benda (m)

G       =    tetapan gravitasi universal

Saat itu Newton belum dapat mendefinisikan besar dari G. Nilai G tidak dapat diperoleh dari teori, namun harus melalui eksperimen. Orang yang pertama kali melakukan eksperimen untuk menentukan nilai G adalah Henry Cavendish, dengan menggunakan neraca torsi. Neraca seperti ini kemudian disebut neraca Cavendish.

Bola dengan massa yang berbeda, yaitu m dan M yang dapat bergerak bebas pada poros, akan tarik menarik, sehingga akan memuntir serat kuarsa, sehingga cahaya yang memantul pada cermin pun akan bergeser pada skala. Dengan mengkonversi skala, dan memperhatikan jarak m dan M serta massa m dan M, maka Cavendish menetapkan nilai G sebesar 6,754 x 10-11 N.m2/kg2. Nilai ini kemudian kini dengan perlengkapan yang lebih canggih disempurnakan, sehingga diperoleh nilai:

G = 6,672 x 10-11 N.m2/kg2.

Gaya gravitasi merupakan besaran vektor, sehingga bila suatu benda mengalami gaya tarik gravitasi dari lebih satu benda sumber gravitasi, maka teknik mencari resultannya dipergunakan teknik pencarian resultan vektor. Misalnya dua buah gaya F1 dan F2 yang membentuk sudut a, resultan gayanya dapat ditentukan berdasarkan persamaan :

Gambar :

Contoh :

  1. Jika dua planet masing-masing bermassa 2 x 1020 kg dan 4 x 1020 kg, mempunyai jarak antara kedua pusat planet sebesar 2 x 105 km. Tentukan besar gaya tarik-menarik antara kedua planet!

Penyelesaian :

Nilai G jika tidak disebutkan, usahakan untuk dihafalkan sebesar 6,672 x 10-11 N.m2/kg2

F = G

F = 6,672 x 10-11 .

F = 6,672 x 10-11 .

F = 1,33 . 1014 N

Uji Kompetensi

Kerjakan soal-soal berikut dengan benar!

  1. Dua buah benda masing-masing massanya 10 kg dan 20 kg terpisahkan pada jarak     2 meter satu dengan yang lain. Tentukan gaya gravitasi antara kedua benda itu!
  2. Gaya tarik gravitasi antara du buah benda bermassa adalah 2,001 x 10-10 N. Bila massa benda adalah 3 kg dan 9kg. Tentukanlah jarak antara kedua benda itu!
  3. Massa sebesar 5 kg terpisah pada jarak 2 meter dari massa yang lain. Gaya gravitasi antara kedua benda adalah sebesar 2,5 x 10-10. Tentukan massa benda yang lain!
  4. Tiga buah bola bermassa masing-masing 1kg, 2kg dan 3kg diletakkan pada titik sudut segitiga sama sisi dengan sisi 1 meter. Tentukanlah gaya yang dialami oleh bola bermassa 1 kg dalam susunan ini!
  5. Dua buah bola bermassa masing-masing 4 kg terpisah pada jarak 2 meter. Tentukanlah gaya tarik gravitasi yang dialami oleh bola bermassa 5 kg yang terletak pada jarak 2 meter dari kedua massa tersebut!
  6. Sebuah bola bermassa 3 kg terletak pada titik pusat sistem sumbu koordinat. Bola lainya yang masing-masing bermassa sebesar 16 kg, 36 kg dan 25 kg terletak pada titik-titik ( 4,0 ), ( 4,5 ) dan ( 0,5 ). Satuan koordinat dalam meter. Tentukanlah gaya yang dialami oleh bola bermassa 3 kg itu!
  7. Dua massa masing-masing dari 2kg dan 8 kg terpisah sejauh 1,2 meter. Tentukanlah gaya gravitasi pada massa 1 kg yang terletak pada suatu titik 0,4 meter dari massa 2 kg dan 0,8 meter dari massa 8 kg!
  8. Dua buah bermassa 2 kg dan 12,5 kg terpisah pada jarak 7 meter. Tentukanlah letak bola bermassa 6 kg sehingga gaya tarik gravitasi yang dialaminya sama dengan nol!
  9. Dua buah benda bermassa pada saat terpisah sejauh 2 meter saling mengerjakan gaya sebesar 4 g. Bila jarak antaranya di jadikan 4 meter, tentukanlah gaya tarik menarik yang dikerjakan kedua benda itu!
  10. Di titik A dan C dari suatu bujur sangkar ABCD ditempatkan massa sebesar 1 kg dan 0,5 kg. Bila gaya tarik menarik antara kedua massa tersebut besarnya 0,5 Gnewton, tentukanlah panjang sisi bujur sangkar tersebut.

2.      Medan Gravitasi

Di samping gaya gravitasi, hukum gravitasi Newton juga menetapkan tentang medan gravitasi disekitar suatu benda atau umumnya sebuah planet. Medan gravitasi ini akan menunjukkan percepatan gravitasi dari suatu benda di sekitar suatu benda atau planet.

Adapun besar medan gravitasi atau percepatan gravitasi dirumuskan :

g = G

g        =    medan gravitasi atau percepatan gravitasi (m/s2)

G       =    tetapan gravitasi universal

= 6,672 x 10-11 N.m2/kg2

M      =    massa dari suatu planet atau benda (kg)

r        =    jarak suatu titik ke pusat planet atau pusat benda (m)

Besar percepatan gravitasi yang dialami semua benda di sebuah permukaan planet adalah sama. Selembar bulu ayam dan segumpal tanah liat dijatuhkan dari ketinggian yang sama dalam tabung hampa akan bersamaan mencapai dasar tabung. Namun bila tabung berisi udara tanah liat akan mencapai dasar tabung lebih dahulu. Hal itu bukan disebabkan karena percepatan gravitasi di tempat tersebut yang berbeda untuk benda yang berbeda, namun disebabkan oleh adanya hambatan  udara di dalam tabung.

Kuat medan gravitasi adalah suatu besaran vektor yang arahnya senantiasa menuju ke pusat benda yang menimbulkannya. Kuat medan gravitasi di suatu titik oleh beberapa benda bermassa diperoleh dengan menjumlahkan vektor-vektor medan gravitasi oleh tiap-tiap benda. Kuat medan gravitasi yang disebabkan oleh dua buah benda yang kuat medannya saling membentuk sudut a, dapat dinyatakan dengan persamaan :

Kerja Kelompok

Lakukan percobaan berikut kersama kelompokmu!

Tujuan:

Menunjukkan percepatan gravitasi disuatu tempat berlaku sama untuk semua benda.

Pelaksanaan:

Gunakan stopwatch untuk mengukur waktu yang diperlukan untuk selembar kertas dan kelereng untuk sampai di permukaan tanah dari ketinggian yang sama. Ulangi percobaan itu berulang-ulang dengan memvariasi bentuk kertas, dengan cara meremas kertas, dari ukuran yang besar, hingga menjadi ukuran yang sangat mampat atau kecil. Perhatikan dan bandingan waktu yang digunakan oleh kelereng dan kertas untuk sampai ke permukaan tanah! Bagaimana kesimpulan kalian?

Suatu hal yang perlu diperhatikan dalam membicarakan medan gravitasi atau percepatan gravitasi adalah konsep massa benda dan berat benda tidak sama. Massa benda di mana pun adalah tetap, namun berat benda di berbagai tempat belum tentu sama atau tetap.

Contoh :

  1. Sebuah planet bermassa 6 x 1024 kg dan berjari-jari 4.000 km. Tentukan percepatan gravitasi di permukaan planet tersebut!

Penyelesaian :

g = G

g = 6,672 x 10-11 .

g = 25,02 m/s2

3. Energi Potensial Gravitasi

Benda bermassa m yang terletak diluar bumi, energi potensial grafitasinya pada jarak r dari pusat bumi, dinyatakan dengan persamaan :

dimana             Ep = Energi potensial gravitasi

G = Konstanta grafitasi

M = massa bumi

m = massa benda

r = Jarak pusat benda ke pusat bumi.

Tanda negatif (-) berarti jika benda bergerak di bawah pengaruh gaya grafitasi dari jarak tak terhingga (¥) ke jarak r maka energi potensialnya akan berkurang, karena dipergunakan untuk menambah energi kinetik dengan makin besarnya laju benda waktu bergerak mendekati bumi.

Jika mula-mula benda berada di tempat yang jauh tak hingga ( r = ¥ ) dengan energi kinetik sama dengan nol, maka dalam perjalanan mendekati bumi, medan gravitasi merubah energi potensial menjadi energi kinetik. Pada waktu sampai di bumi energi kinetik benda sama dengan energi potensial gravitasi. Jadi :

Dimana        m             = massa benda.

M           = massa bumi.

R            = jari – jari bumi.

V            = kecepatan benda di permukaan bumi.

4. Potensial Gravitasi

Potensial gravitasi didefinisikan sebagai :  energi potensial gravitasi per satuan massa.

Dapat dinyatakan dengan persamaan :

Dimana                         v          = potensial gravitasi, satuan : Joule/kg.

Ep = Energi potensial gravitasi, satuan : Joule

m         = massa benda, satuan : kg.

Energi potensial gravitasi benda bermassa m’ yang terletak pada jarak r dari pusat massa benda bermassa m dapat kita nyatakan dengan persamaan :

Bila massa m’ terletak dititik p maka potensial gravitasi di titik p yang dialami oleh massa m’ dapat ditentukan sebagai berikut :

Dimana V         = potensial gravitasi pada jarak r dari massa m

m         = massa benda

r           = jarak tempat yang mengalami potensial gravitasi ke benda.

Potensial gravitasi merupakan besaran skalar, karena itu potensial yang disebabkan oleh berapa benda bermassa merupakan jumlah aljabar dari potensial gravitasi masing-masing benda bermassa itu, Jadi :

Vt =  V1 + V2 + V3 + …… + Vn

Beda potensial antara dua titik dalam medan gravitasi didefinisikan sebagai potensial di titik yang satu dikurangi dengan potensial di titik yang lain.

WA→B =  m (VB – VA)

Usaha yang dilakukan untuk mengangkut, massa m dari satu titik ke titik lain lewat sembarang lintasan sama dengan massa benda itu kali beda potensial antara kedua titik itu.

WA→B = Usaha dari A ke B.

Uji Kompetensi

Kerjakan soal-soal berikut dengan benar!

  1. Tentukanlah energi potensial gravitasi yang dialami oleh massa sebesar 2kg yang terletak dipermukaan bumi. Massa bumi kira-kira 6 x 1024 kilogram. Jari-jari bumi kira-kira 6,38 x 106 meter dan konstanta grafitasi 6,67 x 1011 Nm2/kg2.
  2. Tentukan energi potansial gravitasi yang dialami oleh massa sebesar 2 kg yang terletak pada jarak 5 meter dari suatu benda yang bermassa 30 kg.
  3. Suatu benda yang massanya 10 kg berada pada suatu tempat yang memiliki energi potensial gravitasi yang besarnya sama dengan 5 x 108 joule. Tentukanlah potensial gravitasi yang dialami oleh benda itu.
  4. Tentukanlah potensial gravitasi pada suatu titik yang terletak 2 meter dari suatu benda bermassa 25 kg.
  5. Pada gambar di bawah ini, massa m1 = 0,3 kg dan massa m2 = 0,1 kg.

a. Tentukanlah potensial gravitasi yang disebabkan oleh massa m1 dan m2 dititik O

dan dititik A.

b. Berapakah usaha yang dilakukan untuk mengangkut massa m = 0,01 kg dari titik A   ke titik O -5 G J/kg.

  1. Dua massa masing-masing 0,2 kg dan 0,8 kg terpisah sejauh 0,12 meter.

a. Tentukan potensial gravitasi pada titik 0,04 meter dari massa 0,2 kg dan 0,08 meter   dari massa 0,8 kg.

b. Berapa usaha yang diperlukan untuk memindahkan massa sebesar 1 kg  dari titik jauh tak hingga  kesuatu  titik yang terletak 0,08 meter dari massa 0,8 kg.

3.    Hukum-Hukum Keppler

Penerapan hukum gravitasi Newton dapat diterapkan untuk menjelaskan gerak benda-benda angkasa. Salah seorang yang memiliki  perhatian besar pada astronomi adalah Johannes Kepler. Dia terkenal dengan tiga hukumnya tentang pergerakan benda-benda angkasa, yaitu:

a.      Hukum I Kepler

Semua planet bergerak pada lintasan elips mengitari matahari dengan matahari berada di salah satu fokus elips.

Hukum I ini dapat menjelaskan akan lintasan planet yang berbentuk elips, namun belum dapat menjelaskan kedudukan planet terhadap matahari, maka muncullah hukum II Kepler.

b.      Hukum II Kepler

Suatu garis khayal yang menghubungkan matahari dengan planet, menyapu luas juring yang sama dalam selang waktu yang sama.

c.       Hukum III Kepler

Perbandingan kuadrat periode terhadap pangkat tiga dari setengah sumbu panjang elips adalah sama untuk semua planet.

Hukum III Kepler dapat dirumuskan :

= k         atau    =

T    =      kala revolusi suatu plenet (s atau tahun)

R    =      jarak suatu planet ke Matahari (m atau sa)

Jika diperlukan gunakan nilai-nilai yang telah ditetapkan, yaitu :

T bumi = 1 tahun

R bumi = 1 SA ( 1 satuan astronomis = 150 juta km)

Untuk lebih jelasnya, perhatikan contoh-contoh soal tentang hukum gravitasi Newton sebagai berikut!

Contoh :

  1. Sebuah planet mempunyai kala revolusi terhadap Matahari sebesar 4 tahun. Tentukan jarak planet tersebut terhadap Matahari!

Penyelesaian :

Jika nilai pembanding dari planet lain tidak diketahui, gunakan nilai yang dimiliki bumi.

=

=     sehingga

R2 =

R2 = 2,5 sa (satuan astronomis = 150 juta km)

  1. Jika dua benda mengalami gaya tarik gravitasi 400 N, maka tentukan gaya gravitasinya kini, jika jarak kedua benda dijadikan ½ kali semula!

Penyelesaian :

=     semua nilai tetap, kecuali besaran jarak yang berubah

=

=

F2 = 4 x 400

F2 = 1.600 N

  1. Suatu benda di permukaan planet bumi memiliki berat 2500 N. Tentukan berat benda pada ketinggian 2 kali jari-jari bumi, dihitung dari permukaan bumi!


Penyelesaian :

=                                                =

=

=                                               w2 =    =  277,78 N

  1. Dua benda masing-masing bermassa 2500 kg dan 900 kg pada jarak 10 m. Tentukan letak benda ketiga di antara benda pertama dan kedua, jika benda ketiga yang bermassa 4500 kg mengalami gaya gravitasi nol!

Penyelesaian:

Langkah 1:

Gambarkan posisi atau uraian gayanya:

F13 =      gaya tarik menarik antara benda 1 dan 3

F23 =      gaya tarik menarik antara benda 2 dan 3

Jika gaya yang dialami benda ketiga nol, maka besar F13 = F23

Langkah 2:

Analisis perhitungan

F13 = F23

G  = G

=

=     Jika kedua ruas diakar, maka akan diperoleh :

=

=

50 x = 300 – 30 x

80 x = 300

x = 3,75 m

Uji Kompetensi

Kerjakan soal-soal berikut dengan benar!

  1. Dua buah benda masing-masing massanya 10 kg dan 20 kg terpisahkan pada jarak     2 meter satu dengan yang lain. Tentukan gaya gravitasi antara kedua benda itu!
  2. Gaya tarik gravitasi antara du buah benda bermassa adalah 2,001 x 10-10 N. Bila massa benda adalah 3 kg dan 9kg. Tentukanlah jarak antara kedua benda itu!
  3. Massa sebesar 5 kg terpisah pada jarak 2 meter dari massa yang lain. Gaya gravitasi antara kedua benda adalah sebesar 2,5 x 10-10. Tentukan massa benda yang lain!
  4. Tiga buah bola bermassa masing-masing 1kg, 2kg dan 3kg diletakkan pada titik sudut segitiga sama sisi dengan sisi 1 meter. Tentukanlah gaya yang dialami oleh bola bermassa 1 kg dalam susunan ini!
  5. Dua buah bola bermassa masing-masing 4 kg terpisah pada jarak 2 meter. Tentukanlah gaya tarik gravitasi yang dialami oleh bola bermassa 5 kg yang terletak pada jarak 2 meter dari kedua massa tersebut!
  6. Sebuah bola bermassa 3 kg terletak pada titik pusat sistem sumbu koordinat. Bola lainya yang masing-masing bermassa sebesar 16 kg, 36 kg dan 25 kg terletak pada titik-titik ( 4,0 ), ( 4,5 ) dan ( 0,5 ). Satuan koordinat dalam meter. Tentukanlah gaya yang dialami oleh bola bermassa 3 kg itu!
  7. Dua massa masing-masing dari 2kg dan 8 kg terpisah sejauh 1,2 meter. Tentukanlah gaya gravitasi pada massa 1 kg yang terletak pada suatu titik 0,4 meter dari massa 2 kg dan 0,8 meter dari massa 8 kg!
  8. Dua buah bermassa 2 kg dan 12,5 kg terpisah pada jarak 7 meter. Tentukanlah letak bola bermassa 6 kg sehingga gaya tarik gravitasi yang dialaminya sama dengan nol!
  9. Dua buah benda bermassa pada saat terpisah sejauh 2 meter saling mengerjakan gaya sebesar 4 g. Bila jarak antaranya di jadikan 4 meter, tentukanlah gaya tarik menarik yang dikerjakan kedua benda itu!
  10. Di titik A dan C dari suatu bujur sangkar ABCD ditempatkan massa sebesar 1 kg dan 0,5 kg. Bila gaya tarik menarik antara kedua massa tersebut besarnya 0,5 G newton, tentukanlah panjang sisi bujur sangkar tersebut.

B. Hukum-hukum Newton Tentang Gerak

1. Hukum I Newton

Sebuah batu besar di lereng gunung akan tetap diam di tempatnya sampai ada gaya luar lain yang memindahkannya, misalnya gaya tektonisme/gempa, gaya mesin dari buldoser. Demikian pula bongkahan batu meteor di ruang angkasa hampa udara sana akan terus bergerak selamanya dengan kecepatan tetap sampai ada gaya yang mengubah kecepatannya misalnya gaya gravitasi suatu planet atau gaya lain yang menghentikannya misalnya tubrukan dengan meteor lain.  Memang benar bahwa sebuah benda akan tetap diam jika tidak ada gaya yang bekerja padanya. Demikian pula sebuah benda akan tetap bergerak lurus beraturan (kecepatan benda tetap) jika gaya atau resultan gaya pada benda nol. Pernyataan ini merupakan pernyataan alami, dan apabila digabung akan merupakan rumusan hukum I Newton yang menyatakan bahwa :

Sebuah benda akan tetap diam atau tetap bergerak lurus beraturan jika tidak ada resultan gaya yang bekerja pada benda itu. Jadi, jika jumlah gaya-gaya yang bekerja pada benda adalah nol, maka ada dua kemungkinan keadaan benda yaitu benda dalam keadaan diam atau benda sedang bergerak dengan kecepatan benda konstan.

Bagian pertama dari pernyataan hukum I Newton itu mudah dipahami, yaitu memang sebuah benda akan tetap diam bila benda itu tidak dikenai gaya lain.

Tentunya gaya-gaya konservatif seperti gaya berat dan gaya normal selalu ada dan sama besar serta berlawanan sehingga saling meniadakan. Keadaan benda diam demikian itu disebut keseimbangan.

Jadi jika resultan dari gaya-gaya yang bekerja pada sebuah benda sama dengan nol (SF = 0), maka percepatan benda juga sama dengan nol (a = 0) dan benda tersebut :

–  Jika dalam keadaan diam akan tetap diam, atau

– Jika dalam keadaan bergerak lurus beraturan akan tetap bergerak lurus beraturan.

Bagian kedua dari pernyataan itu dapat dipahami sebagai berikut. Jika lintasan awal gerak benda itu perlu suatu dorongan (yang dalam hal ini disebut gaya atau resultan gaya). Begitu pula bila diinginkan mengubah kecepatan benda baik mempercepat atau memperlambat, maka juga diperlukan gaya. Jadi bila tidak ada gaya atau resultan gayanya nol maka bentuk lintasan lurus dan kecepatan benda akan selalu tetap.

Jadi benda akan selalu berusaha mempertahankan keadaan awal jika benda tidak dikenai gaya atau resultan gaya. Hal ini yang menyebabkan seringnya hukum I Newton disebut sebagai hukum kelembaman/inertia (malas/inert untuk berubah dari keadaan awal).

Dalam persamaan matematis hukum I Newton sering dituliskan sebagai berikut.

S F = 0

dimana S F adalah resultan gaya yang bekerja pada benda.

Kesimpulan : SF = 0 dan a = 0 Karena benda bergerak translasi, maka pada sistem koordinat Cartesius dapat dituliskan

Fx = 0 dan Fy = 0.

Diskusi Kelompok

Diskusikan bersama dengan teman kelompokmu!

  1. Mengapa pada saat di dalam bus yang melaju sambil membelok ke kanan kita serasa terdorong ke kiri, dan sebaliknya saat bus membelok ke kiri kita serasa terdorong ke kanan ?
  2. Mengapa pada saat Anda duduk tenang di dalam mobil yang melaju dengan tenang tiba-tiba direm mendadak tubuh Anda bergerak maju ke depan ?
  3. Menara pisa salah satu keajaiban dunia, terkenal sebagai menara yang miring. Dan kemiringan itu selalu bertambah setiap waktu. Mengapa demikian ? Dapatkah laju kemiringan itu dihentikan ?

2.  Hukum II Newton

Bila ada resultan gaya yang timbul pada sebuah benda, dapat dipastikan benda tersebut akan bergerak dengan suatu percepatan tertentu. Bila benda semula dalam keadaan diam akan bergerak dipercepat dengan percepatan tertentu, sedangkan bila benda semula bergerak dengan kecepatan tetap akan berubah menjadi gerak dipercepat atau diperlambat. Resultan gaya yang bekerja pada benda yang bermassa konstan adalah setara dengan hasil kali massa benda dengan percepatannya. Pernyataan inilah yang dikenal sebagai hukum II Newton. Secara matematis hukum tersebut dapat dirumuskan sebagai berikut.

S F  =  m . a

dimana m adalah massa benda dalam satuan kg, a adalah percepatan benda dalam satuan m/s2, dan S F adalah resultan gaya yang bekerja pada benda.

S F adalah resultan gaya yang menjumlahkan beberapa gaya pada benda.

Contoh:

  1. Jika pada benda bekerja banyak gaya yang horisontal maka berlaku :

F = m . a

F1 + F2 – F3 = m . a

Arah gerak benda sama dengan F1 dan F2 jika F1 + F2 > F3

Arah gerak benda sama dengan F3 jika F1 + F2 < F3

2.   Jika pada beberapa benda bekerja banyak gaya yang horisontal maka berlaku :

F =m . a

F1 + F2 – F3 = ( m1 + m2 ) . a

3.   Jika pada benda bekerja gaya yang membentuk sudut q dengan arah mendatar maka   berlaku :

F cos q = m . a

Hukum II Newton inilah yang boleh kita sebut sebagai hukum Newton tentang gerak.

Uji Kompetensi

Selesaikan permasalahan di bawah ini!

1. Sepeda dikayuh dengan kecepatan 36 km/jam, dalam waktu 10 detik mendapat tambahan dari gaya otot sehingga kecepatannya berubah menjadi 72 km/jam. Bila percepatan gaya yang bekerja pada benda adalah 60 N, berapakah massa sepeda itu?

3. Hukum III Newton

Hukum III Newton mengungkapkan bahwa, gaya-gaya aksi dan reaksi oleh dua buah benda pada masing-masing benda adalah sama besar dan berlawanan arah.

Penekanan pada hukum ini adalah adanya dua benda, dalam arti gaya aksi diberikan oleh benda pertama, sedangkan gaya reaksi diberikan oleh benda kedua. Hukum ini dikenal sebagai hukum aksi-reaksi, dan secara matematis dapat di tuliskan sebagai berikut.

S Faksi = – S Freaksi

Yang menjadi penekanan dalam hukum ini adalah bahwa gaya aksi dan gaya reaksi yang terjadi adalah dari dua benda yang berbeda, bukan bekerja pada satu benda yang sama. Gaya berat dan gaya normal pada sebuah buku yang tergeletak di meja bukan merupakan pasangan gaya aksi-reaksi.

Pekerjaan Rumah

  1. Bagaimanakah menggambarkan gaya aksi dan reaksi pada seorang anak yang sedang mendorong tembok ?
  2. Gambarkan gaya aksi dan gaya reaksi pada seorang siswa yang sedang menarik gerobak

C.     Gaya Gesek Statis dan Gaya Gesek Kinetis

Secara umum, gaya gesek suatu benda dapat digolongkan dalam dua jenis, yaitu gaya gesek statis dan gaya gesek kinetis. Gaya gesek statis terjadi saat benda dalam keadaan diam atau tepat akan bergerak. Sedang gaya gesek kinetik terjadi saat benda dalam keadaan bergerak.

Gaya gesek merupakan gaya sentuh, artinya gaya ini muncul jika permukaan dua zat bersentuhan secara fisik, di mana gaya gesek tersebut sejajar dengan arah gerak benda dan berlawanan dengan arah gerak benda. Untuk menentukan gaya gesek suatu benda perhatikan beberapa langkah sebagai berikut!

1.      Analisislah komponen-komponen gaya yang bekerja pada benda dengan menggambarkan uraian gaya pada benda tersebut. Peruraian gaya-gaya ini akan membuat kita lebih mudah memahami permasalahan.

2.      Tentukan besar gaya gesek statis maksimun dengan persamaan:

fsmak = ms . N

dimana :

fsmak =    gaya gesek statis maksimum (N)

ms =    koefisien gesek statis. Nilai koefisien ini selalu lebih besar dibanding

nilai koefisien gesek kinetis (tanpa satuan)

N          =    gaya normal yang bekerja pada benda (N)

3.      Tentukan besar gaya yang bekerja pada benda yang memungkinkan menyebabkan benda bergerak. Kemudian bandingkan dengan gesar gaya gesek statis maksimum.

a.       Jika gaya penggerak lebih besar dari gaya gesek statis maksimum, maka benda bergerak. Gaya gesek yang bekerja adalah gaya gesek kinetis, dengan demikian:

fk = mk . N

dimana :

fk =    gaya gesek kinetis (N)

mk =    koefisien gesek kinetis (tanpa satuan)

N          =    gaya normal yang bekerja pada benda (N)

b.       Jika gaya penggerak sama dengan gaya gesek statis maksimum maka benda dikatakan tepat akan bergerak. Artinya masih tetap belum bergerak, sehingga gaya gesek yang bekerja pada benda sama dengan gaya gesek statis maksimumnya.

c.       Jika gaya penggeraknya lebih kecil dari gaya gesek statis maksimumnya maka benda dikatakan belum bergerak. Gaya gesek yang bekerja pada benda sebesar gaya penggerak yang bekerja pada benda.

1. Gaya Gesek pada Bidang Datar

Agar dapat memahami bekerjanya sebuah gaya gesek pada bidang datar perhatikan analisis beberapa contoh soal berikut ini:

Contoh :

1.  Sebuah buku bermassa 200 gram berada di atas meja yang memiliki koefisien gesek statik dan kinetik dengan buku sebesar 0,2 dan 0,1. Jika buku didorong dengan gaya 4 N sejajar meja,  maka tentukan besar gaya gesek buku pada meja ? (g = 10 m/s2)

Penyelesaian:

Langkah 1:

Uraikan atau gambarkan gaya-gaya yang bekerja pada buku di atas meja.

Langkah 2:

Tentukan gaya gesek statis maksimumnya:

fsmak = ms . N

fsmak = ms . w

fsmak = ms . m.g

fsmak = 0,2 . 0,2.10

fsmak = 0,4 N

Langkah 3 :

Bandingkan gaya penggeraknya (F = 4 N) dengan gaya gesek statis maksimumnya. Ternyata gaya penggeraknya lebih besar dibanding dengan gaya gesek statis maksimumnya, maka gaya gesek yang bekerja pada benda adalah gaya gesek kinetis.

fk = mk . N

fk = mk . w

fk = mk . m.g

fk = 0,1 . 0,2.10

fk = 0,2 N

Jadi gaya geseknya f = 0,2 N

2.  Suatu hari Togar memindahkan sebuah balok bermassa 10 kg. Balok tersebut berada di atas lantai dengan koefisien gesek statis 0,3 dan koefisien gesek kinetik 0,2 terhadap balok. Jika balok ditarik dengan gaya 5 N sejajar lantai, tentukan besar gaya gesek yang bekerja pada balok!

Penyelesaian :

Langkah 1 :

Uraikan atau gambarkan gaya-gaya yang bekerja pada balok.

Langkah 2 :

Tentukan gaya gesek statis maksimumnya :

fsmak = ms . N

fsmak = ms . w

fsmak = ms . m.g

fsmak = 0,3 . 10.10

fsmak = 30 N

Langkah 3 :

Bandingkan gaya penggeraknya (F = 5 N) dengan gaya gesek statis maksimumnya. Ternyata gaya penggeraknya lebih kecil dibanding dengan gaya gesek statis maksimumnya, maka gaya gesek yang bekerja pada benda adalah gaya yang diberikan pada balok. Jadi gaya geseknya f = F = 5 N

3. Didi menarik balok di atas lantai kasar dengan gaya 10 N. Jika gaya tarik yang dilakukan Didi membentuk sudut 60° terhadap lantai, dan massa balok 8 kg, tentukan besar koefisien gesek statisnya  saat balok dalam keadaan tepat akan bergerak!

Penyelesaian :

Langkah 1 :

Uraikan atau gambarkan gaya-gaya yang

bekerja pada balok yang ditarik Didi.

Langkah 2 :

Saat tepat akan bergerak, maka gaya penggeraknya (F cos a) sama dengan gaya gesek statis maksimumnya.

F cos a = f smak

F cos a = m s N  dimana N + F sin 60° = w karena SFy = 0

F cos a = m s (w – F sin 60°)

10 cos 60° = m s (8 . 10 – 10 (0,866))

5 = m s 71,33

m s =  0,07

4.  Saat Hafidz menghapus papan tulis, ia menekan penghapus ke papan tulis dengan gaya  8 N. Jika berat penghapus 0,8 N dan koefisien gesek kinetis penghapus dan papan tulis 0,4, maka tentukan gaya yang harus diberikan lagi oleh Hafidz kepada penghapus agar saat menghapus ke arah bawah kecepatan penghapus adalah tetap !

Penyelesaian :

Langkah 1 :

Uraikan gaya-gaya yang bekerja pada

penghapus di papan tulis.

Keterangan :

A    =    gaya tekan pada penghapus ke

papan tulis (N)

N   =    gaya normal (N)

w    =    gaya berat penghapus (N)

B    =    gaya dorong ke penghapus

ke arah bawah (N)

f     =    gaya gesek dalam soal ini adalah gaya gesek kinetis (N)

Langkah 2 :

Pada sumbu x, penghapus tidak mengalami pergerakan, artinya kedudukannya tetap. Penghapus tidak masuk pada papan tulis, juga tidak meninggalkan papan tulis, sehingga resultan pada sumbu x atau sumbu mendatar adalah nol

S Fx = 0

A – N = 0

A = N

8 newton = N

N = 8 newton

Langkah 2 :

Pada sumbu y, penghapus bergerak ke bawah dengan kecepatan tetap. Suatu benda yang memiliki kecepatan tetap berarti tidak meliliki perubahan kecepatan, sehingga nilai percepatannya adalah nol, sehingga pada sumbu y berlaku persamaan :

S Fy = 0

fk – w – B = 0

mk. N – w – B = 0

0,4 . 8 – 0,8 – B = 0

B =  2,4 N

5.  Sebuah balok bermassa 400 gram berada di atas lantai datar dengan koefisien gesek statis dan kinetis 0,2 dan 0,1. Jika balok yang mula-mula diam diberi gaya mendatar sebesar 4 N selama 5 sekon, tentukan percepatan yang dialami balok!

Penyelesaian:

Langkah 1:

Uraikan komponen gaya yang bekerja:

Langkah 2 :

Tentukan besar gaya gesek statis

maksimumnya :

fsmak = ms . N

fsmak = ms . m . g

fsmak = 0,2 . 0,4 . 10

fsmak = 0,8 N

Langkah 3 :

Bandingkan gaya penggerak F = 4 N dengan fsmak. Ternyata F lebih besar dibandingkan dengan fsmak, sehingga benda bergerak, dan besar gaya geseknya adalah gaya gesek kinetis.

f = mk . N

f = mk . m . g

f = 0,1 . 0,4 . 10

f = 0,4 N

Langkah 4 :

Masukkan dalam persamaan hukum Newton yang ke II

S F = m . a

F – f = m . a

4 – 0,4 = 0,4 . a

3,6 = 0,4 . a

a = 9 m/s2

Jadi percepatannya sebesar 9 m/s2.

6. Sebuah mobil mainan yang mula-mula diam memiliki massa 500 gram, berjalan di atas lantai yang mempunyai koefisien gesek kinetis 0,2 dan koefisien gesek statis 0,4. Jika mesin mobil menghasilkan gaya dorong sebesar 10 N dalam 2 sekon, maka tentukan jarak yang ditempuh mobil mainan itu selama gayanya bekerja!

Penyelesaian:

Langkah 1:

Uraikan komponen gayanya:

Gaya normal merupakan resultan dari gaya normal yang bekerja pada masing-masing roda. Begitu juga gaya gesek merupakan resultan dari gaya gesek yang bekerja pada roda.

Langkah 2 :

Tentukan gaya gesek statis maksimumnya :

fsmak = ms . N

fsmak = ms . m . g

fsmak = 0,4 . 0,5 . 10

fsmak = 2 N

Langkah 3:

Bandingkan gaya penggerak F = 10 N dengan fsmak. Ternyata F lebih besar dibandingkan dengan fsmak, sehingga benda bergerak, dan besar gaya geseknya adalah gaya gesek kinetis.

f = mk . N

f = mk . m . g

f = 0,2 . 0,5 . 10

f = 1 N

Langkah 4:

Masukkan dalam persamaan hukum Newton yang ke II

S F = m . a

F – f = m . a

10 – 1 = 0,5 . a

9 = 0,5 . a

a = 18 m/s2

Langkah 5:

Masukkan dalam persamaan :

St = vo . t  +  ½ . a. t2

St = 0 . 2  +  ½ . 18. 22 (mula-mula diam berarti vo = 0)

St = 36 m.

7. Fitri mendorong balok yang mula-mula diam di atas lantai dengan koefisien gesek statis dan kinetis 0,3 dan 0,1. Jika massa balok 4 kg dan gaya mendatar yang diberikan 20 N selama 5 s, maka tentukan kecepatan akhir dari balok!

Penyelesaian:

Langkah 1:

Uraikan gaya-gaya yang bekerja pada balok.

Langkah 2:

Bandingkan gaya penggerak dengan gaya gesek statis maksimumnya.

fsmak = ms . N

fsmak = ms . m . g

fsmak = 0,3 . 4 . 10

fsmak = 12 N

Langkah 3:

Bandingkan gaya penggerak F = 20 N dengan fsmak. Ternyata F lebih besar dibandingkan dengan fsmak, sehingga benda bergerak, dan besar gaya geseknya adalah gaya gesek kinetis.

f = mk . N

f = mk . m . g

f = 0,1 . 4 . 10

f = 4 N

Langkah 4:

Masukkan dalam persamaan hukum II Newton

S F = m . a

F – f = m . a

20 – 4 = 4 . a

16 = 4 . a

a = 4 m/s2

Langkah 5:

Masukkan dalam persamaan :

Vt = Vo + a . t

Vt = 0 + 4 . 5

Vt = 20 m/s

8. Dua balok A dan B bertumpukan di atas lantai seperti gambar. Massa balok A yang berada di bawah adalah 3 kg dan massa balok B yang di atas adalah 2 kg. Koefisien gesek statis dan kinetis antara balok A dan B adalah 0,3 dan 0,2, sedang koefisien gesek statis dan kinetis antara balok A dan lantai adalah 0,2 dan 0,1. Tentukan percepatan maksimum sistem agar balok B tidak tergelincir dari balok A yang ditarik gaya F!

Penyelesaian :

Langkah 1 :

Uraikan komponen-komponen gaya yang bekerja pada sistem.

Keterangan :

Nba =    gaya normal pada balok b terhadap balok a

Nab =    gaya normal pada balok a terhadap b

Na lantai=   gaya normal pada balok a terhadap lantai

wb =    berat benda b

wa =    berat benda a

fba =    gaya gesek benda b terhadap a

fab =    gaya gesek benda a terhadap b

fa =    gaya gesek benda a terhadap lantai

F       =    gaya tarik pada sistem di benda A

Jika diuraikan,  gaya yang bekerja pada tiap-tiap balok adalah:

Pada balok A                                                               Pada balok B

Langkah 2:

Pada benda B (balok atas), benda tidak bergerak vertikal, sehingga resultan pada sumbu y bernilai nol. Dengan demikian akan diperoleh :

S Fy = 0

Nba – wb = 0

Nba = wb

Nba = mb . g

Nba = 2 . 10 = 20 N  dimana besar nilai Nba sama dengan Nab, hanya arah berlawanan

Langkah 3:

Pada benda A, benda juga tidak bergerak secara vertikal. Resultan gaya vertikal yang bekerja pada benda A bernilai nol, sehingga diperoleh:

S Fy = 0

N a lantai – Nab – wa = 0

N a lantai – Nba – ma . g = 0

N a lantai – 20 – (3 . 10) = 0

N a lantai – 20 – 30 = 0

N a lantai = 50 N

Langkah 4:

Sistem tersebut melibatkan benda A dan B dengan arah gerak benda ke kanan. Gaya-gaya mendatar (sumbu x) yang diperhatikan adalah gaya yang sejajar dengan gerakan benda, sehingga diperoleh:

S Fx = m . a

F + fba – fab – f a lantai = (ma + mb) . a

(fba dan fab merupakan pasangan gaya aksi reaksi yang memiliki besar sama, namun arah berlawanan dan bekerja pada dua benda, yaitu fba pada balok B, dan fab pada balok A, sehingga keduanya dapat saling meniadakan)

F – f a lantai = (ma + mb) . a

karena persoalan dalam hal ini adalah percepatan maksimum sistem maka sistem diasumsikan dalam keadaan bergerak. Gaya gesek balok pada lantai adalah gaya gesek kinetis.

F – mk . N a lantai = (ma + mb) . a (Na lantai diperoleh dari langkah 3)

F – 0,1 . 50 = (3 + 2) . a

F – 5 = 5 a

sehingga     a =                        (persamaan 1)

Langkah 5:

Besar percepatan sistem ini berlaku untuk benda A dan benda B, sehingga jika persamaan (1) diberlakukan pada balok B, maka besar resultan gaya di balok B pada arah mendatar dapat dinyatakan:

S Fx = m . a

fba = mb . a

nilai gaya gesek pada balok B (fba), merupakan nilai gaya gesek statis maksimum, agar diperoleh percepatan maksimum dalam sistem, dan balok B tetap tidak bergerak terhadap balok A :

fba =  fsmak

fsmak = mb . a                 persamaan (1) kemudian di substitusikan dalam persamaan ini

ms . Nba = mb .

ms . wb = mb .

ms . mb .g = mb .

ms . g =

0,3 . 10 =

15 = F – 5

F = 20 N

(gaya maksimum yang dapat diberikan pada sistem agar balok B tidak bergerak ke belakang)

Besar percepatan sistem yang nilainya sama untuk balok A dan B diperoleh dengan memasukkan nilai F dalam persamaan (1), yaitu:

a =

a =

a = 3 m/s2

Percepatan maksimum pada sistem adalah 3 m/s2

9. Balok A = 2 kg dihubungkan dengan tali ke balok B = 4 kg pada bidang datar, kemudian balok B dihubungkan dengan katrol di tepi bidang datar, lalu dihubungkan dengan balok C = 4 kg yang tergantung di samping bidang datar. Jika koefisien gesek kinetik dan statis antara balok A dan B terhadap bidang datar adalah 0,3 dan 0,2, dan massa katrol diabaikan, maka tentukan tegangan tali antara balok A dan B !

Penyelesaian :

Langkah 1 :

Uraikan gaya-gaya yang bekerja pada sistem

Langkah 2 :

Tentukan gaya gesek statis maksimum dari benda A dan B :

f smak a = ms . Na dimana             Na = wa = ma . g                       sehingga:

f smak a = ms . ma . g

f smak a = 0,3 . 2 . 10

f smak a = 6 N

f smak b = ms . Nb dimana             Nb = wb = mb . g                       sehingga :

f smak b = ms . mb . g

f smak b = 0,3 . 4 . 10

f smak b = 12 N

Sedang gaya penggerak sistem adalah wc:

wc = mc . g

wc = 4 . 10

wc = 40 N

Ternyata gaya penggerak 40 N, dan gaya penghambat 6 + 12 = 18 N, sehingga masih besar gaya penggerak, maka sistem dalam keadaan bergerak, dan gaya gesek yang diperhitungkan adalah gaya gesek kinetis.

f k a = mk . Na dimana             Na = wa = ma . g                       sehingga :

f k a = mk . ma . g

f k a = 0,2 . 2 . 10

f k a = 4 N

f k b = mk. Nb dimana             Nb = wb = mb . g                       sehingga :

f k b = mk . mb . g

f k b = 0,2 . 4 . 10

f k b = 8 N

Langkah 3:

Gunakan hukum Newton yang kedua:

S F = m .a

(gaya yang searah gerakan benda bernilai positif, yang berlawanan bernilai negatif)

wc – T2 + T2 – T2 + T2 – fkb – T1 + T1 – fka = (ma + mb + mc) . a

40 – 8 – 4  = (2 + 4 + 4) . a

28 = 10 . a

a = 2,8 m/s2

Tegangan tali antara A dan B adalah T1, yang dapat diperoleh dengan memperhatikan balok A atau B.

Misalkan diperhatikan balok A, maka diperoleh:

S Fa = ma . a

T1 – 4 = 2 . 2,8

T1 – 4 = 5,6

T1 = 9,6 N

Dengan memperhatikan beberapa contoh latihan untuk penerapan hukum Newton pada bidang datar, diharapkan kalian mengulang-ulang contoh yang telah diberikan dengan batas penggunaan waktu yang telah ditetapkan. Semakin paham terhadap contoh permasalahan yang diberikan, maka semakin sedikit waktu yang dibutuhkan untuk mengerjakan soal.

Uji Kompetensi

Kerjakan latihan berikut dengan benar!

1.   Sebuah balok dengan massa 2 kg diletakkan di atas meja yang mempunyai koefisien gesek statis dan kinetis 0,4 dan 0,2. Tentukan gaya gesek yang bekerja pada balok, jika balok ditarik gaya mendatar sebesar 4 N !

2.   Dua balok A = 3 kg dan B = 5 kg dihubungkan tali dan diletakkan di atas lantai yang mempunyai koefisien gesek statis dan kinetis 0,2 dan 0,1. Jika balok B ditarik gaya 40 N dengan arah 60° terhadap bidang datar, maka tentukan tegangan tali antara balok A dan B.

3.   Balok bermassa 200 gram yang mula-mula diam diberi gaya mendatar 1 N selama 10 sekon. Jika balok berada di atas lantai dengan koefisien gesek statis dan kinetis 0,2 dan 0,1, tentukan jarak yang ditempuh balok selama diberi gaya !

4.   Dua balok A = 0,5 kg dan B = 2 kg ditumpuk, dengan balok A di atas dan balok B di bawah. Jika koefisien gesek statis dan kinetis antara balok A dan B adalah 0,2 dan 0,1,  serta koefisien gesek statis dan kinetis antara balok B dengan lantai adalah 0,3 dan 0,1, maka tentukan gaya maksimum yang dapat digunakan untuk menarik B agar balok A tidak bergerak terjatuh dari atas balok B !

Kegiatan Kelompok

Lakukanlah percobaan berikut bersama kelompokmu!

1.   Menentukan koefisien gesek statis suatu benda pada sebuah permukaan.

Petunjuk teknis :

Gunakan suatu benda yang dapat diubah-ubah massanya. Tariklah bahan tersebut pada sebuah permukaan dengan menggunakan dinamometer. Pada saat benda tepat akan bergerak, dynamometer akan menunjukkan nilai gaya gesek statis maksimumnya.

2.   Menggambarkan grafik hubungan gaya gesek statis dan kinetis

Petunjuk teknis :

Gunakan suatu bahan, kemudian tariklah dengan dynamometer. Gambarkan dengan grafik besarnya gaya yang digunakan untuk menggerakkan benda dari keadaan diam hingga memiliki kecepatan tertentu.

2.  Gaya Gesek pada Bidang Miring

Gambar 6:

Orang mendorong kotak pada truk

Mengapa seorang yang memindahkan kotak besar dan

berat pada sebuah truk, cenderung menggunakan bidang miring? Apakah bidang miring tersebut memberikan keuntungan mekanik? Apa yang akan terjadi jika balok tersebut diangkat secara vertikal ke atas truk? Manakah yang lebih menguntungkan, menggunakan bidang miring atau diangkat secara langsung?

Diskusi  Kelompok

Buatlah kelompok beranggotakan 5 orang! Diskusikan pengaruh adanya gesekan pada bidang miring! Jelaskan manfaat atau kerugian dengan adanya gaya gesek pada bidang miring! Sebutkan pula alat yang memanfaatkan gaya gesek dalam kehidupan sehari-hari! Kumpulkan hasil diskusi kalian kepada guru untuk dinilai!

Bidang miring dapat menyebabkan suatu benda bergerak atau diam. Prinsip untuk memahami gaya yang mempengaruhi gerakan pada bidang miring sama dengan pada bidang datar. Akan tetapi peruraian gaya pada bidang miring tidak sama dengan bidang datar. Perhatikanlah penyelesaian contoh soal sebagai berikut:

Contoh:

1. Suatu balok bermassa 200 gram berada di bidang miring dengan kemiringan 30° terhadap bidang datar. Jika koefisien gesek statis dan kinetis antara balok dan bidang miring 0,25 dan 0,1, serta nilai percepatan gravitasi 10 m/s2, maka tentukan gaya gesek yang bekerja pada balok!

Penyelesaian :

Langkah 1 :

Gambarkan peruraian gayanya

Langkah 2 :

Tentukan gaya gesek statis maksimumnya :

fsmak = ms . N

fsmak = ms . w cos 30°

fsmak = ms . m . g . cos 30°

fsmak = 0,25 . 0,2 . 10 .

fsmak = 0,25 .

fsmak = 0,433 N

Langkah 3 :

Tentukan gaya penggeraknya :

Fmiring = w sin 30

Fmiring = m . g. . sin 30

Fmiring = 0,2 . 10 . 0,5

Fmiring = 1 N

Langkah 4 :

Membandingkan gaya penggerak terhadap gaya gesek statis maksimumnya.

Ternyata gaya penggeraknya lebih besar dibanding gaya gesek statis maksimumnya, sehingga benda bergerak. Gaya gesek yang digunakan adalah gaya gesek kinetis.

fk = mk . N

fk = mk . w cos 30°

fk = mk . m . g . cos 30°

fk = 0,1 . 0,2 . 10 .

fk = 0,1 .

fk =  0,173 N

2. Suatu balok bermassa 2 kg berada pada bidang miring dengan kemiringan 30°. Jika koefisien gesek statis dan kinetis antara bidang miring dan balok 0,2 dan 0,1, tentukan jarak yang ditempuh oleh balok yang mula-mula diam pada bidang miring selama 2 sekon!

Penyelesaian:

Langkah 1:

Uraikan komponen gaya yang bekerja

Langkah 2:

Tentukan gaya gesek statis maksimumnya:

fsmak = ms . N

fsmak = ms . w cos 30°

fsmak = ms . m . g . cos 30°

fsmak = 0,2 . 2 . 10 .

fsmak = 2 .

fsmak =  3,46 N

Langkah 3 :

Tentukan gaya penggeraknya:

Fmiring = w sin 30°

Fmiring = m . g . sin 30°

Fmiring = 2 . 10 . 0,5

Fmiring = 10 N

Langkah 4:

Membandingkan gaya penggerak terhadap gaya gesek statis maksimumnya.

Ternyata gaya penggeraknya lebih besar dibanding gaya gesek statis maksimumnya, sehingga gaya gesek yang berlaku adalah gaya gesek kinetis.

fk = mk . N

fk = mk . w cos 30°

fk = mk . m . g . cos 30°

fk = 0,1 . 2 . 10 .

fk = 1 .

fk =  1,73 N

Langkah 5:

Gunakan hukum Newton tentang gerak:

S F mendatar = m . a

F miring – fk = m . a

10 – 1,73 = 2 . a

a = 4,135 m/s2 maka lintasan yang ditempuh pada bidang miring adalah:

St = vo . t + ½ a t2

St = 0 + ½ . 4,135 . 22

St =  8,27 m

3. Seorang pemain ski mulai meluncur pada suatu bidang miring dengan kemiringan 37°. Tentukan kecepatannya setelah menempuh waktu 6 s , jika koefisien gesek sepatu pemain ski dan es adalah 0,1!

Penyelesaian:

Langkah 1:

Uraikan komponen gayanya!

Langkah 2 :

Kecepatan akhir dan koefisien gesek yang diketahuhi hanya satu yaitu 0,1 maka dapat disimpulkan bahwa pemain ski dapat bergerak. Gaya penggeraknya lebih besar dibanding gaya gesek statis maksimumnya, sehingga gaya geseknya tentunya senilai dengan gaya gesek kinetisnya. sin 37° = 0,6 dan cos 37° = 0,8 .

Gaya gesek kinetis:

fk = mk . N

fk = mk . w cos 37°

fk = mk . m . g . cos 37°

fk = 0,1 . m . 10 . 0,8

fk = 0,8 m N

Gaya penggerak:

Fmiring = w sin 37°

Fmiring = m . g. . sin 37°

Fmiring = m . 10 . 0,6

Fmiring = 6 m N

Langkah 3:

Gunakan hukum Newton tentang gerak:

S F mendatar = m . a

F miring – fk = m . a

6 m – 0,8 m = m . a         semua ruas dibagi dengan m, maka

a = 5,2 m/s2 maka kecepatan akhirnya adalah :

vt = vo + a . t

vt = 0 + 5,2 . 6

vt = 31,2 m/s

Uji Kompetensi

Kerjakan soal-soal berikut dengan benar!

1.   Suatu balok berada pada bidang miring dengan kemiringan 37°. Jika massa balok 4 kg dan koefisien gesek statis dan kinetis balok terhadap bidang miring adalah 0,3 dan 0,1. Mula-mula balok diam, tentukan:

a.    pecepatan balok

b.   kecepatan balok setelah 2 sekon

c.    jarak yang ditempuh balok dalam 2 sekon

2.   Suatu balok I bermassa 2 kg berada pada suatu bidang miring dengan kemiringan 57°. Balok I dihubungkan dengan tali ke balok II bermassa 3 kg melalui sebuah katrol dan tergantung bebas di sisi yang lain seperti pada gambar. Jika koefisien gesek statis dan kinetis antara balok I dengan bidang miring adalah 0,2 dan 0,1, tentukan :

a.    percepatan sistem

b.   tegangan tali antara balok I dan II

3.  Gaya Gesek pada Tikungan Datar dan Tikungan Miring

Pada saat suatu benda bergerak di suatu tikungan ada unsur gaya sentripetal yang mengarah ke pusat lingkaran. Agar suatu benda dapat melakukan gerak melingkar dalam suatu tikungan tanpa selip atau tergelincir maka besar dari gaya gesek statisnya sama dengan gaya sentripetalnya.

Fs = m .    dan     fs = ms . N

Keterangan :

Fs =    gaya sentripetal (N)

m    =    massa benda (kg)

v     =    laju linier benda (m/s)

r     =    jari-jari gerak melingkar pada tikungan (m)

fs =    gaya gesek statis (N)

ms =    koefisien gesek statis (tanpa satuan)

N   =    gaya normal pada benda (N)

Contoh:

1.   Sebuah mobil melaju pada sebuah tikungan datar dengan jari-jari kelengkungan 50 m. Jika kecepatan mobil 72 km/jam, tentukan koefisien gesek antara ban mobil dengan aspal jalan, agar mobil tidak selip!

Penyelesaian:

Langkah 1:

Pahamilah gaya yang bekerja pada benda!

Langkah 2 :

Gaya gesek statis senilai dengan gaya sentripetal

fs = Fs

ms . N = m .            saat mobil di tikungan datar maka N = w

ms . w = m .

ms . m . g  = m .

ms . g  =

ms =

ms =

ms = 0,8

2. Suatu mobil berada pada suatu tikungan dengan kemiringan 37° dan koefisien gesek statis antara ban mobil dengan jalan adalah 0,9. Jika jari-jari tikungan 40 m, maka tentukan kecepatan maksimal agar mobil tidak selip!

Penyelesaian:

Langkah 1:

Uraikan komponen gayanya!

Langkah 2 :

Ternyata terdapat 2 gaya yang mengarah ke pusat lingkaran, sebagai peruraian dari gaya normal dan gaya gesek statis. Dengan demikian, nilai gaya sentripetal senilai dengan jumlah kedua gaya tersebut :

Fs = N sin 37° + fs cos 37°           persamaan (1)

karena N belum didefinisikan, maka nilai gaya normal didefinisikan dari resultan arah sumbu Y (vertikal) adalah nol, karena mobil tidak bergerak ke atas atau ke bawah.

S Fy = 0

N cos 37° – w – fs sin37° = 0

N cos 37° – m . g  – ms . N . sin 37° = 0

N . 0,8 – m . g – 0,9 . N . 0,6 = 0

0,8 N – 0,54 N = m . g

0,26 N = m . g

N =

Sehingga jika N dimasukkan ke dalam persamaan (1) diperoleh :

Fs = N sin 37° + fs cos 37°

m .  = N sin 37° + ms N cos 37°

m .  =  . 0,6 + 0,9 .  . 0,8     (semua ruas dibagi m)

=  . 0,6 + 0,9 .  . 0,8

=  . 0,6 + 0,9 .  . 0,8

=  . 0,6 + 0,9 .  . 0,8

=

v2 = 2030,77

v =

v = 45,06 m/s

Perlu diperhatikan dalam memahami gerakan suatu benda di suatu tikungan adalah gaya-gaya yang menuju pusat lingkaran. Hal tersebut berlaku baik pada bidang datar maupun pada bidang miring. Dengan mengetahui gaya-gaya yang mengarah pada pusat lingkaran, maka besar gaya sentripetal nilainya sama dengan gaya-gaya tersebut.

D. Aplikasi Gaya-gaya pada Sistem Benda

1. Pada Benda yang Diam di Lantai

Sebuah benda yang diam di atas lantai bekerja dua gaya yaitu gaya berat benda(w) dan gaya tekan atau gaya normal (N)

N = w

w = gaya berat benda memberikan gaya aksi pada lantai.

N = gaya normal ( gaya yang tegak lurus permukaan tempat di mana benda berada ).

Hal ini bukan pasangan Aksi – Reaksi.

Perhatikan beberapa keadaan dan besar  gaya normal pada beberapa kasus lain. Gaya – gaya yang bekerja pada benda tampak seperti pada gambar.

N = w cos q

N = w – F sin q

N = w + F sin q

2. Pasangan Aksi – Reaksi pada Benda yang Digantung.

Balok digantung dalam keadaan diam pada tali vertikal. Gaya w1 dan T1 bukanlah pasangan gaya Aksi – Reaksi, meskipun besarnya sama, berlawanan arah dan segaris kerja.

Sedangkan yang merupakan pasangan gaya Aksi – Reaksi adalah gaya : T1 dan T1’. Demikian juga gaya T2 dan T2’ merupakan pasangan gaya aksi – reaksi.

3.Hubungan Gaya Tegangan Tali (T) dengan Percepatan.

a. Bila benda dalam keadaan diam, atau dalam keadan bergerak lurus  beraturan maka berlaku S F = 0, sehingga diperoleh:

T = w

T = m . g

b. Bila benda bergerak ke atas dengan percepatan a maka :

T = m . g + m . a

c. Benda bergerak ke bawah dengan percepatan a maka :

T  = m . g – m . a

Hal khusus terjadi pada orang yang berada dalam lift atau elevator. Perhatikan ilustrasi berikut. Seseorang yang berada dalam lift/elevator sambil menimbang badan akan mendapati angka jarum timbangan berubah-ubah sesuai keadaan geraknya. Angka jarum timbangan menunjukkan gaya normal. Bila lift diam gaya normal N = gaya berat w. Namun bila lift bergerak ke atas di jumpai N lebih besar dariw, sebaliknya bila lift bergerak turun N lebih kecil dari w. Ketika kabel penahan lift putus dan orang bersama lift bergerak jatuh bebas maka jarum timbangan menunjuk angka nol berarti gaya normal N = 0.

4. Benda pada sistem katrol tetap

Dua buah benda m1 dan m2 dihubungkan dengan karol tetap melalui sebuah tali yang diikatkan pada ujung-ujungnya. Apabila massa tali diabaikan, dan tali dengan katrol tidak ada gaya gesekan, maka akan berlaku persamaan-persamaan sebagai berikut.

Bila m1 > m2 maka sistem akan bergerak ke arah m1 dengan percepatan a.

Tinjau benda m1 Tinjau benda m2

T = m1.g – m1.a                              T = m2.g + m2.a

Karena gaya tegangan tali di mana-mana sama, maka kedua persamaan dapat digabungkan dapat digabungkan :

m1 . g – m1 . a = m2 . g + m2 . a

m1 . a + m2 . a = m1 . g – m2 . g

( m1 + m2 ) . a = ( m1 – m2 ) . g

a =

Persamaan ini digunakan untuk mencari percepatan benda yang dihubungkan dengan katrol.

Cara lain untuk mendapatkan percepatan benda pada sistem katrol dapat ditinjau keseluruhan sistem :

Sistem akan bergerak ke arah m1 dengan percepatan a.

Oleh karena itu semua gaya yang terjadi yang searah dengan arah gerak sistem diberi tanda positif, yang berlawanan diberi tanda negatif.

F = m . a

w1 – T + T – T + T – w2 = ( m1 + m2 ) . a

karena T di mana-mana besarnya sama maka T dapat dihilangkan.

w1 – w2 = (m1 + m2 ) . a

( m1 – m2 ) . g = ( m1 + m2 ) . a

a =

Contoh:

  1. Pesawat Atwood seperti pada gambar, terdiri dari katrol silinder yang licin tanpa gesekan. Massa m1 dan m2 masing- masing 5 kg dan 3 kg. Tentukan:
    1. Percepatan beban
    2. Tegangan tali

Jawab:

Benda m1 karena massanya lebih besar turun, sedangkan benda m2 naik. Gaya tegangan tali di mana-mana sama karena katrol licin tanpa gesekan.

a. Tinjau benda m1

Σ F = m1 . a

W1 – T = m1 . a

5 . 10 – T = 5 . a

T = 50 – 5a.

Tinjau benda m2:

Σ F = m2 . a

T – W2 = m2 . a

T – 3.10 = 3 . a

T = 30 + 3a

Disubstitusikan harga T sama.

T = T

50 – 5a = 30 + 3a

8 a = 20

a = 2,5 m/s2

b. Untuk mencari besar T pilihlah salah satu persamaan.

T = 30 + 3a

T = 30 + 3 x 2,5

T = 30 + 7,5

T = 37,5 N

  1. Pesawat Atwood seperti pada gambar, terdiri dari katrol silinder yang licin tanpa gesekan. Jika m1 = 50 kg , m2 = 200kg  dan g = 10 m/det2 antara balok m1 dan bidang datar ada gaya gesek dengan μ = 0,1. massa katrol 10 kg. hitunglah:
    1. percepatan sistem
    2. gaya tegang tali

Jawab:

a.         Tinjau m1:

Σ F = m . a

T – fk = m . a

T – mk . N = m1 . a

T – 0,1 . m1 . g = m1 . a

T – 0,1 50 . 10 = 50 . a

T = 50 + 50a

Tinjau m2 (dan substitusikan nilai T):

Σ F = m . a

w2 – T = m2 . a

m2 . g  – T = m2 . a

200 . 10 –  (50 + 50a) = 200 . a

2000 –  50 –  50a  = 200 . a

1950  = 250 . a

a  =  7,8 m/s2.

b. Hitunglah nilai T

T = 50 + 50a

T = 50 + 50 x 7,8

T = 50 + 390

T = 440 N

  1. Dua buah benda yang massanya m1 dan m2 dihubungkan dengan seutas tali melalui sebuah katrol bermassa M dan berjari- jari R seperti ditunjukkan pada gambar. Permukaan meja licin tanpa gesekan.  Tentukan percepatan masing- masing benda bila:
    1. katrol dapat dianggap licin sehingga tali meluncur pada katrol!
    2. katrol cukup kasar sehingga ikut berputar dengan tali!

Jawab:                 a.  katrol licin (T1 = T2 = T) dan lantai licin (mk = 0)

Tinjau  m1 :

Σ F = m . a

T = m1 . a

T = 3 . a

Tinjau  m2 :

Σ F = m  . a

w2 – T = m2 . a

m2 . g – T = m2 . a

5 . 10 – T = 5 . a

T = 50 – 5a

Substitusi:

T = T

3a = 50 – 5a

3a + 5a = 50

8a = 50

a =  = 6,25  m/s2.

  1. katrol kasar

Tinjau katrol :

Σ τ = I . µ

T2 . R – T1 . R = ½ M . R2 . a/R

50 – 5a – 3a = ½ . 1 . a

50 = ½ a + 8a = 8,5 a

a = 50/8,5 = 5,88 m/s2.

  1. Bidang miring dengan sudut kemiringan q = 30º, koefisien gesek 0,2. Ujung bidang miring dilengkapi katrol tanpa gesekan. Ujung tali diatas bidang miring diberi beban 4 kg. Ujung tali yang tergantung vertikal diberi beban dengan massa 10 kg. Tentukanlah percepatan dan tegangan tali sistem tersebut.

Jawab:

Tinjau m1 :           Σ F1 = m1 . a

T – fk – w1 sin 30 = m1 . a

T – mk . N – m1 g sin 30 = m1 . a

T – mk . m1 . g . cos 30 – m1 . g sin 30 = m1 . a

T – 0,2 . 4 . 10 . ½   – 4 . 10 . ½ = 4 . a

T – 4  – 20 = 4a

T = 26,928 + 4a

Tinjau m2 :           Σ F = m2 . a

w2 – T = m2 . a

w2 . g – T = m2 . a

10 .10 – T = 10 .a

T = 100 – 10a

Substitusi:               T = T

26,928 + 4a = 100 – 10a

14 a  = 73,072

a = 5,148 m/s2.

Jadi gaya tegangan tali sebesar:

T = 100 – 10 . 5,148

= 48,52 N

Uji Kompetensi

Jawablah dengan benar soal-soal berikut ini!

1.     Sebuah lampu digantung seperti pada gambar.

Berapakah gaya tegangan talinya ?

2.     Sebuah lampu digantung seperti pada gambar.

Berapakah gaya tegangan talinya ?

3.    Sebuah benda beratnya 200 N digantung dengan susunan seperti pada gambar.

Hitunglah gaya tegangan talinya ?

4.     Sebuah benda beratnya 200 N digantung dengan susunan seperti pada gambar.

Hitunglah gaya tegangan talinya ?

5.     Dari gambar disamping ini. Tentukan :

a. Gaya tegangan tali

b. Gaya yang dikerjakan engsel terhadap balok penopang.

Jika massa balok diabaikan.

  1. Kendaraan yang massanya 1000 kg bergerak dari kecepatan 10 m/det menjadi 20 m/det selama 5 detik.

Berapakah gaya yang bekerja pada benda ?

  1. Kendaraan dengan massa 1000 kg mempunyai rem yang menghasilkan 3000 N.

a. Kendaraan bergerak dengan kecepatan  30 m/det, di rem.

Berapa lama rem bekerja sampai kendaraan berhenti.

b. Berapa jarak yang ditempuh kendaran selama rem bekerja ?

  1. Sebuah benda mendapat gaya sebesar 30 N, sehingga dalam waktu 6 detik kecepatannya menjadi 30 m/det dari keadaan diam.

Berapa berat benda jika g = 10 m/det2.

  1. Pada sebuah benda yang mula-mula berada dalam keadaan tidak bergerak bekerja gaya K selama 4,5 detik. Setelah itu K dihilangkan dan gaya yang berlawanan arahnya dengan semula dan besarnya 2,25 N mulai bekerja pada benda tersebut, sehingga setelah 6 detik lagi kecepatannya = 0. Hitunglah gaya K.

10.  Benda massanya 10 kg tergantung pada ujung kawat. Hitunglah besarnya tegangan kawat, jika :

a. Benda ke atas dengan percepatan 5 m/det2.

b. Benda ke bawah dengan percepatan 5 m/det2.

Pekerjaan Rumah

Kerjakanlah di buku tugasmu!

1.   Suatu sepeda motor melaju di tikungan datar dengan koefisien gesek statis antara ban dan jalan adalah 1. Tentukan laju linier maksimum yang dapat dikendarai oleh pengendara motor jika jari-jari kelengkungan tikungan adalah 40 m !

2.   Mobil yang dikendarai Akmal melaju pada tikungan miring dengan jari-jari tikungan 80 m dan kemiringan 37° terhadap horisontal. Tentukan laju linier maksimum mobil Akmal agar tidak selip jika:

a.    tikungan licin

b.   tikungan tidak licin dengan koefisien gesek statis 1

Ulangan  BAB 2

Soal-soal Pilihan Ganda

Pilihlah jawaban yang paling tepat!

1.      Dua benda 5 kg dan 6 kg pada jarak 1 m. Jika tetapan gravitasi universal G, maka gaya tarik-menarik kedua benda adalah … .

a.    5 G N                                                     d.   15 G N

b.   6 G N                                                     e.    30 G N

c.    11 G N

2.      Jika dua benda memiliki gaya tarik-menarik sebesar 4.000 N, maka gaya tarik-menariknya kini setelah jaraknya dijadikan ½ kali semula adalah ….

a.    1.000 N                                                  d.   8.000 N

b.   2.000 N                                                  e.    16.000 N

c.    4.000 N

3.      Suatu planet mempunyai massa 4 x 1020 kg dan berjari-jari 4.000.000 km, maka percepatan gravitasi di permukaan planet adalah … .

a.    2,34 G m/s2 d.   25 G m/s2

b.   4 G m/s2 e.    34,2 G m/s2

c.    16 G m/s2

4.      Jika percepatan gravitasi di permukaan planet 5 m/s2, maka percepatan gravitasi pada ketinggian satu kali jari-jari planet dari permukaan planet adalah … .

a.    1,25 m/s2 d.   5 m/s2

b.   2,25 m/s2 e.    6,25 m/s2

c.    4,25 m/s2

5.      Dua benda berada pada garis lurus dan berjarak 0,4 m. Jika massa 1 = 10 kg, dan massa 2 = 40 kg, maka letak benda ketiga dengan massa 3 = 1 kg terhadap massa 1 adalah … .

a.    0,33 m                                                    d.   0,133 m

b.   0,29 m                                                    e.    0,003 m

c.    0,27 m

6.      Dua planet masing-masing bermassa m1 = 25 juta ton dan m2 = 400 juta ton, pada jarak 2 juta kilo meter. Letak suatu titik yang memiliki medan gravitasi nol adalah … .

a.    0,2 juta km dari m1                                 d.   0,4 juta km dari m2

b.   0,4 juta km dari m1                                 e.    0,5 juta km dari m2

c.    0,2 juta km dari m2

7.      Gaya gravitasi antar dua benda adalah … .

a.    sebanding dengan kuadrat massa benda

b.   sebanding dengan kuadrat jarak benda

c.    sebanding dengan jarak kedua benda

d.   berbanding terbalik dengan kuadrat jarak kedua benda

e.    berbanding terbalik dengan massa masing-masing benda

8.      Jika jarak suatu titik dijadikan 2 kali jarak semula dari pusat suatu planet, maka percepatan gravitasinya menjadi … .

a.    ¼ kali semula                                          d.   2 kali semula

b.   ½ kali semula                                          e.    4 kali semula

c.    tetap

9.      Faktor-faktor yang mempengaruhi gaya tarik-menarik dua benda di angkasa adalah … .

(1)  massa masing-masing benda

(2)  jenis dari masing-masing benda

(3)  jarak kedua benda

(4)  intensitas dari masing-masing benda

Dari pernyataan di atas yang benar adalah … .

a.    (1), (2), dan (3)                                       d.   (4) saja

b.   (1) dan (3)                                              e.    semua benar

c.    (2) dan (4)

10.    Jika suatu planet memiliki kala revolusi 8 tahun, maka jarak planet ke matahari adalah … .

a.    ¼  sa                                                      d.   4 sa

b.   ½ sa                                                       e.    8 sa

c.    2 sa

11.    Menurut hukum kedua Kepler, maka dalam waktu yang sama, garis khayal yang menghubungkan suatu planet dengan matahari dalam orbit planet, akan membentuk suatu juring yang memiliki luas … .

a.    ½ luas juring terbesar                              d.   4 kali luas juring lainnya

b.   sama dengan juring yang lainnya               e.    kuadrat luas juring lainnya

c.    2 kali luas juring lainnya

12.    Jika suatu benda di bumi memiliki berat 180 N, maka berat benda di bulan yang memiliki gravitasi 1/9 kali gravitasi bumi adalah … .

a.    1620 N                                                   d.   20 N

b.   180 N                                                     e.    9 N

c.    90 N

13.  Sebuah mobil massanya 2 ton dan mula-mula diam. Setelah 5 detik kecepatan mobil menjadi 20 m/s. Gaya dorong yang bekerja pada mobil ialah . . . .

a. 100 N                                                       d. 800 N

b. 200 N                                                       e. 8000 N

c. 400N

14.  Apabila sebuah benda bergerak dalam bidang datar yang kasar maka selama gerakannya. . . . .

a. gaya normal tetap dan gaya gesekan berubah

b. gaya normal berubah dan gaya gesekan tetap

c. gaya normal dan gaya gesekan kedua-duanya tetap

a, gaya normal dan gaya gesekan kedua-duanya berubah

e. gaya normal dan gaya gesekan kadang-kadang berubah dan tetap bergantian

15.  Mobil 700 kg mogok di jalan yang mendatar. Kabel horizontal mobil derek yang dipakai untuk menyeretnya akan putus jika tegangan di dalamnya melebihi 1400 N (q =  10 m/s2). Percepatan maksimum yang dapat diterima mobil mogok dan mobil derek adalah ….

a. 2 m/s2 d. 7 m/s2

b. 8 m/s2 e. 0 m/s2

c. 10 m/s2

16.  Pada sebuah benda yang bergerak, bekerja gaya sehingga mengurangi kecepatan gerak benda tersebut dari 10 m/s menjadi 6 m/s dalam waktu 2 detik. Bila massa benda 5 kg, besar gaya tersebut adalah ….

a. 5N                                                         d. 10N

b. 6 N                                                        e. 11N

c. 8N

17.  Peristiwa di bawah ini yang tidak menunjukkan hukum kelembaman adalah ….

a. Bila mobil yang kita tumpangi direm mendadak, tubuh kita terdorong ke depan     b. Bila kita berdiri di mobil, tiba-tiba mobil bergerak maju tubuh kita terdorong                      ke belakang.

c. Pemain ski yang sedang melaju, tiba-tiba tali putus, pemain ski tetap bergerak                  maju.

d. Pemain sepatu roda bergerak maju, tetap akan bergerak maju walaupun pemain              itu tidak memberikan gaya.

e. Penerjun payung bergerak turun ke bawah walaupun tidak didorong dari atas.

18.  Jika gaya sebesar 1 N bekerja pada benda 1 kg yang dapat bergerak bebas, maka benda akan mendapat . . ..

a. kecepatan sebesar 1 m/s

c. percepatan sebesar 1 m/s2

c. percepatan sebesar  10 m/s2

d. kecepatan sebesar 10 m/s

e. kecepatan sebesar  10 m/s

19.  A naik bus yang bergerak dengan kecepatan 40 km/jam. Tiba-tiba bus direm secara mendadak, akibatnya A terdorong ke muka. Hal ini disebabkan karena …. a. gaya dorong bus

b. gaya dari rem

c. sifat kelembaman dari A

d. sifat kelembaman dari bus

e. gaya berat A

20.  Sebuah benda sedang meluncur pada suatu bidang miring dengan kecepatan konstan, ini berarti . . . .

a. bidang itu merupakan bidang licin sempurna

b. komponen berat dari benda yang sejajar bidang miring harus lebih besar dari                   gaya geseknya

c. komponen berat dari benda yang sejajar bidang miring harus lebih kecil dari                     gaya geseknya

d. komponen  berat  dari  benda yang sejajar bidang miring harus sama dengan                                gaya geseknya

e. berat benda harus sama dengan gaya geseknya

21.  Suatu benda bermassa 2 kg yang sedang bergerak, lajunya bertambah dari 1 m/s menjadi 5 m/s dalam waktu 2 detik bila padanya beraksi gaya yang searah dengan gerak benda, maka besar gaya tersebut adalah ….

a. 2 N                                                        d. 8 N

b. 4 N                                                        e. 10 N

c. 5 N

22.  Sebuah mobil massanya 1 ton selama 4 detik kecepatannya bertambah secara beraturan dan 10 m/det menjadi 18 m/det. Besar gaya yang mempercepat mobil itu adalah ….

  1. 2000 N                                                  d. 8000 N

b.  4000 N                                                  e. 10000 N

  1. 6000 N

23.  Benda massanya 2 kg berada pada bidang horizontal kasar. Pada benda dikerjakan gaya 10 N yang sejajar bidang horizontal, sehingga keadaan benda akan bergerak. Bila g = 10 m/s^2, maka koefisien gesekan antara benda dan bidang adalah ….

a. 0,2                                                         d. 0,5

b. 0,3                                                         e. 0,6

c. 0,4

24.  Benda beratnya 98 newton (g = 10 m/s2) diangkat dengan gaya vertikal ke atas sebesar 100 newton, maka percepatan yang dialami benda ….

a. nol                                                          d. 2 m/s2

b. 0,2 m/s2 e. 5 m/s2

c. 0,4 m/s2

25.  Sebuah benda massanya 4 kg terletak pada bidang miring yang licin dengan sudut kemiringan 45º terhadap horizontal. Jadi, besar gaya yang menahan benda itu…. (g = 10 m/s2)

a. 2  N                                                 d. 40 N

b. 8  N                                                 e. 40  N

c. 20  N

26.  Kalau kita berada dalam sebuah mobil yang sedang bergerak, kemudian mobil tersebut direm, maka badan kita terdorong ke depan, hal ini sesuai …..

a. Hukum Newton I

b. Hukum Newton II

c. Hukum Aksi-Reaksi

d. Hukum Gaya berat

e. Hukum Pascal

27.  Pada benda bermassa m bekerja gaya F ke atas yang menimbulkan percepatan a (percepatan gravitasi = g). Hubungan besaran tersebut dapat dirumuskan …..

a. F = m.g                                                  d. m.g = F + m.a

b. F = m (a + g)                                          e. m.a = F + m.g

c. F = m (a/2) + m.g

28.  Sebuah elevator yang massanya 1500 kg diturunkan dengan percepatan 1 m/s2. Bila percepatan gravitasi bumi g = 9,8 m/s2, maka besarnya tegangan pada kabel penggantung sama dengan……

a. 32400 N                                                d. 14700 N

b. 26400 N                                                e. 13200 N

c. 16200 N

29.  Gaya gesek pada benda yang bergerak di atas lantai kasar …..

a. searah dengan arah gerak

b. berlawanan dengan arah gaya berat

c. menyebabkan benda berhenti

d. mempunyai harga maksimum pada saat benda akan bergerak

e. menyebabkan benda bergerak lurus beraturan

30.  Dari hukum Newton II dapat disimpulkan bahwa jika gaya yang bekerja pada sebuah benda berubah, maka . . . .

a. massa dan percepatannya berubah

b. massa dan percepatannya tidak berubah

c. massa berubah dan percepatannya tidak berubah

d. massa tidak berubah dan percepatannya berubah

e. volumenya berubah

31.  Jika sebuah benda terletak pada bidang miring, maka gaya normal pada benda itu…..

a. sama dengan berat benda

b. lebih kecil dari berat benda

c. lebih besar dari berat benda

d. dapat lebih besar atau lebih kecil dari berat benda

e. dapat sama atau tidak sama dengan berat benda

32.  Seorang yang massanya 80 kg ditimbang dalam sebuah lift. Jarum timbangan menunjukkan angka 1000 newton. Apabila percepatan gravitasi bumi = 10 m/s2 dapat disimpulkan bahwa….

a. massa orang di dalam lift menjadi 100 kg

b. lift sedang bergerak ke atas dengan kecepatan tetap

c. lift sedang bergerak ke bawah dengan kecepatan tetap

d. lift sedang bergerak ke bawah dengan percepatan tetap

e. lift sedang bergerak ke atas dengan percepatan tetap

33.  Sebuah benda massanya 2 kg terletak di atas tanah. Benda tersebut ditarik ke atas dengan gaya 30 N selama 2 detik lalu dilepaskan. Jika percepatan gravitasi 10 m/s2, maka tinggi yang dapat dicapai benda adalah :

a. 10 meter                                                 d. 18 meter

b. 12 meter                                                 e. 20 meter

c. 15 meter

34.  Sebuah benda bermassa 20 kg terletak pada bidang miring dengan sudut 30º  terhadap bidang horizontal, Jika percepatan gravitasi 9,8 m/s2 dan benda bergeser sejauh 3 m ke bawah, usaha yang dilakukan gaya berat ….

a. 60 joule                                                   d. 294,3 joule

b. 65,3 joule                                               e. 588 joule

c. 294 joule

35.  Sebuah benda yang beratnya w meluncur ke bawah dengan kecepatan tetap pada suatu bidang miring kasar. Bidang miring tersebut membentuk sudut 30º dengan horizontal. Koefisien gesekan antara benda dan bidang tersebut adalah ….

a. ½    w                                               d. 1/3

b. ½   w                                                     e. ½

c. ½

36.  Sebuah benda yang massanya 1200 kg digantungkan pada suatu kawat yang dapat memikul beban maksimum sebesar 15.000 N. Jika percepatan gravitasi bumi sama dengan 10 m/s2, maka harga maksimum percepatan ke atas yang diberikan pada beban itu sama dengan  ….

36.a. 2,5 m/s2 d. 22,5 m/s2

b. 10,0 m/s2 e. 12,5 m/s2

c. 7,5 m/s2

37. Sebuah balok bermassa 4 kg diatas lantai dengan koefisien gesek statis dan kinetis 0,4 dan 0,2. Jika balok ditarik gaya 6 N, maka besar gaya geseknya adalah …

a.    40 N

b.   20 N

c.    16 N

d.   6 N

e.    2 N

38. Balok bermassa 10 kg diletakkan di atas lantai dan didorong  dengan gaya 20 N. Jika balok tepat akan bergerak, maka besar koefisien gesek statisnya adalah …

a.    0,6                                                         d.   0,2

b.   0,4                                                         e.    0,1

c.    0,3

39. Sebuah uang logam diletakkan di atas buku. Tepat saat buku membentuk sudut 45°, uang logam itu tepat akan bergerak, maka besar koefisien gesek statis dari buku dan uang logam tersebut adalah …

a.    1                                                            d.   0,4

b.   0,9                                                         e.    0,2

c.    0,5

40. Balok bermassa 100 gram mula-mula diam di atas lantai dengan koefisien gesek statis dan kinetis 0,2 dan 0,1. Jika balok tersebut diberi gaya mendatar 2 N selama 1 s maka jarak yang ditempuh balok adalah ….

a.    2 m                                                         d.   7,5 m

b.   3 m                                                         e.    9,5 m

c.    6 m

41. Balok yang mula-mula diam dan bermassa 1 kg ditarik gaya 2 N selama 2 s. Jika gaya yang diberikan membentuk sudut 60° terhadap bidang datar, serta besar koefisien gesek statis dan kinetis adalah 0,4 dan 0,2, maka besar kecepatan akhir setelah diberi gaya adalah …

a.    0 m/s                                                      d.   4,25 m/s

b.   1,25 m/s                                                 e.    5 m/s

c.    3,3 m/s

42. Sebuah benda bermassa 0,5 kg di atas lantai mula-mula diam, kemudian diberi gaya mendatar 4 N selama 2 sekon. Jika koefisien gesek kinetis dan statis antara benda dan lantai 0,2 dan 0,4, maka kecepatan benda setelah diberi gaya selama 2 sekon adalah ….

a.    4 m/s                                                      d.   12 m/s

b.   6 m/s                                                      e.    15 m/s

c.    9 m/s

43. Dua balok I dan II masing-masing bermassa 2 kg dan 4 kg dihubungkan dengan tali. Jika pada balok II ditarik gaya sehingga percepatan sistem adalah 1 m/s2, dan koefisien gesek kinetis kedua balok dengan lantai adalah 0,1, maka besar gaya yang bekerja pada balok II adalah …

a.    2 N                                                        d.   10 N

b.   4 N                                                        e.    12 N

c.    6 N

44. Sebuah balok berada pada bidang miring dengan kemiringan 53°. Jika pada sudut tersebut benda tepat akan bergerak maka koefisien gesek statis dari balok dan bidang miring adalah ….

a.    1/5                                                         d.   3/4

b.   2/5                                                         e.    1/2

c.    4/3

45. Sebuah balok I berada di atas meja dihubungkan dengan balok II melalui sebuah tali dan katrol. Balok II tergantung bebas di tepi meja. Balok II ditambah massanya sedikit demi sedikit. Pada saat balok I akan mulai bergerak hal itu berarti ….

1    m1 = m2 3.   w2 > fs1

2.   w1 = w2 4.   w2 = fs1

Dari pernyataan di atas yang benar adalah….

a.    1,2 dan 3                                                d.   4 saja

b.   1 dan 3                                                   e.    semua benar

c.    2 dan 4

46. Sebuah mobil bermassa 3 ton melewati tikungan  dengan jari-jari 30 m dan kemiringan jalan 37°. Jika jalan licin maka kecepatan maksimum dari mobil agar tidak slip di tikungan tersebut adalah ….

a.    4 m/s                                                      d.   14 m/s

b.   7 m/s                                                      e.    15 m/s

c.    10 m/s

47. Tiga buah balok A, B dan C berada di atas lantai dan masing-masing dihubungkan dengan tali yang massanya diabaikan. Pada blok C ditarik gaya mendatar ke kanan sebesar 25 N. Jika massa A = 4 kg, massa B = 3 kg, massa C = 2 kg dan koefisien gesek kinetis antara semua balok dengan lantai adalah 0,25 maka perbandingan besar tegangan tali antara A dan B dengan B dan C adalah ….

a.    5 : 8                                                        d.   7 : 4

b.   4 : 7                                                        e.    8 : 5

c.    1 : 1

48. Dua buah balok ditumpuk dan diletakkan di atas meja licin,  di mana balok I diletakkan di atas dan balok II di bawah. Untuk menggeser balok m1 pada balok m2 diperlukan gaya 10 N, dan m2 = 3 m1. Besar gaya F maksimum yang dapat diberikan pada balok bawah agar kedua balok bergerak bersama-sama adalah …

a.    10 N                                                      d.   40 N

b.   20 N                                                      e.    50 N

c.    30 N

49. Dua balok A = 3 kg dan B = 5 kg dihubungkan dengan tali dan diletakkan di atas lantai yang mempunyai koefisien gesek statis dan kinetis 0,2 dan 0,1. Jika balok B ditarik gaya 40 N dengan arah 37° terhadap bidang datar, maka tegangan tali antara balok A dan B adalah ….

a.    12 N                                                      d.   5 N

b.   10 N                                                      e.    3 N

c.    8 N

50. Sebuah balok bermassa 2 kg di bidang miring dengan kemiringn 57°. Jika panjang bidang miring 2 m, koefisien gesek statis balok dengan bidang miring 0,2 dan koefisien kinetisnya 0,1 maka waktu yang diperlukan balok yang mula-mula diam agar sampai di kaki bidang miring adalah ….

a.    0,877 s                                                   d.   0,566 s

b.   0,788 s                                                   e.    4,999 s

c.    0,677 s

51. Perhatikan gambar berikut!

m1 = 6 kg, m2 = 2 kg

koefisien gesek antara bidang

miring dan benda I adalah 0,5

mula-mula kedua benda diam

maka tegangan tali adalah ….

a.    30 N

b.   22,5 N

c.    19 N

d.   12 N

e.    9 N

52. Suatu sistem ditunjukkan oleh gambar. Koefisien gesek statis antara benda A dan C adalah 0,3 dan antara benda A dengan meja adalah 0,2 dengan ma = 4 kg, mb = 5 kg, g = 10 m/s2. Sistem tidak bergerak. Pernyataan di bawah ini yang benar adalah ….

1.   gaya gesek A dan C adalah nol

2.   tegangan tali 50 N

3.   massa minimum benda C adalah 21 kg

4.   gaya gesek antara A dan meja 85 N

a.    1,2 dan 3

b.   1 dan 3

c.    2 dan 4

d.   4 saja

e.    semua benar

53. Besar gaya gesekan yang bekerja pada benda yang bergerak pada bidang miring kasar, dengan gaya gesekan dengan udara diabaikan, tergantung pula pada ….

1.   berat benda

2.   sudut miring benda terhadap bidang horisontal

3.   kekasaran permukaan bidang

4.   kecepatan gerak benda

Dari pernyataan di atas yang benar adalah….

a.    1,2 dan 3                                                d.   4 saja

b.   1 dan 3                                                   e.    semua benar

c.    2 dan 4

54. Sebuah mobil bermassa 1 ton melewati tikungan jalan yang rata dengan jari-jari tikungan 50 m. Jika koefisien gesek antara ban dan jalan 0,8 maka kelajuan maksimum mobil agar tidak tergelincir adalah ….

a.    19 m/s                                                    d.   33 m/s

b.   20 m/s                                                    e.    50 m/s

c.    27,5 m/s

55. Sebuah mobil melaju di tikungan dengan kemiringan 37° dan jari-jari tikungan 100 m. Jika saat itu jalan licin maka kecepatan maksimum mobil yang diperbolehkan agar tidak tergelincir adalah…..

a.    27,5 m/s                                                 d.   40 m/s

b.   38,4 m/s                                                 e.    44,5 m/s

c.    39,9 m/s

56. Sebuah kotak bermassa 10 kg dalam keadaan diam di atas lantai horisontal. Jika koefisien gesek statis dan kinetis adalah 0,4 dan 0,2, dan gaya eksternal yang dikerjakan pada kotak adalah nol, maka gaya gesek yang bekerja pada benda adalah ..

a.    98 N                                                      d.   29 N

b.   89 N                                                      e.    0 N

c.    39 N

57.  Koefisien gesek statis antara sebuah lemari kayu dan lantai kasar suatu bak truk sebesar 0,75. Jadi, percepatan maksimum yang masih boleh dimiliki truk agar lemari tetap tak bergerak terhadap bak truk itu adalah . . . .

a. nol                                                          d. 7,5 m/s2

b. 0,75m/s2 e. 10 m/s2

c. 2,5 m/s2

58.  Sebuah benda bermassa 2 kg terletak di tanah. Benda itu ditarik vertikal ke atas dengan gaya 25 N selama 2 detik lalu dilepaskan. Jika g = 10 m/s2, energi kinetik benda pada saat mengenai tanah adalah . . . .

a. 150 joule

b. 125 joule

c. 100 joule

d. 50 joule

e. 25 joule

Soal-soal Uraian

Jawablah dengan singkat dan jelas !

1.      Jika jarak dua planet dijadikan 2 kali semula, maka tentukan gaya gravitasi antara keduanya kini, relatif terhadap gaya gravitasinya semula!

2.      Dua planet masing-masing bermassa 4 . 108 kg dan 6 . 108 kg pada jarak 2.000 km. Jika G = 6,672 . 10-11 N.m2/kg2, maka tentukan gaya gravitasi antara kedua planet!

3.      Jika terdapat sebuah meteor pada jarak 100.000 km dari pusat sebuah planet yang bermassa 5 . 1010 kg dan G = 6,672 . 10-11 N.m2/kg2, maka tentukan medan gravitasi yang dialami meteor tersebut!

4.      Jika medan gravitasi di permukaan bumi 10 m/s2, maka tentukan medan gravitasi pada ketinggian 4 kali jari-jari bumi dari pusat bumi!

5.      Dua planet masing-masing bermassa 1.1010 kg dan 4.108 kg pada jarak 5.106 km. Tentukan letak sebuah planet bermassa 2.106 kg yang mengalami gaya gravitasi nol di antara kedua planet, relatif terhadap planet bermassa 4.108 kg!

6.      Jika medan gravitasi di bulan 1 m/s2, maka tentukan medan gravitasi pada jarak satu kali jari-jari bulan dari permukaan bulan!

7.      Jika berat suatu benda di bumi 120 N, maka tentukan berat benda di suatu planet yang memiliki massa 2 kali massa bumi dan jari-jari ½ kali jari-jari bumi!

8.      Empat buah benda yang identik bermassa 10 kg berada di ujung-ujung bujursangkar bersisi 0,5 m. Jika tetapan gravitasi universal G, maka tentukan medan gravitasi di pusat bujursangkar!

  1. Dua benda dilepas dari ketinggian yang sama pada bidang miring yang sudut kemiringannya 30º, g = 10 m/s2. Jika massa benda  pertama dua kali massa benda kedua. Tentukan perbandingan percepatan benda pertama dengan benda kedua!

10.  Benda m1 dan m2 masing-masing bermassa 10 kg dan 5 kg dihubungkan dengan tali melalui sebuah katrol seperti pada gambar , g = 10 m/s2. Tentukan

a. percepatan sistem!

b. besarnya tegangan tali!

m2

11.  Gambar di bawah ini menunjukkan sebuah katrol tanpa gesekan yang digunakan untuk mengangkat beban. Berapa gaya F yang diperlukan untuk mengangkat beban 4 N supaya beban itu dinaikkan dengan percepatan 1 m/s2 ?, g = 10 m/s2.

12.

Dua buah balok massanya berturut-turut m1 = 4 kg dan m2 = 8 kg diletakkan di atas bidang datar licin saling bersentuhan seperti pada gambar. Bila sistem diberi gaya F sebesar 24 N dengan arah mendatar, tentukanlah :

  1. percepatan sistem!
  2. besarnya gaya kontak antar kedua balok?

13.  Sebuah gaya F yang dikerjakan pada benda bermassa m menghasilkan percepatan 4 m/s2. Gaya yang sama jika dikerjakan benda kedua bermassa m2 menghasilkan percepatan 12 m/s2.

  1. berapa nilai m1/m2 ?
  2. berapa percepatan yang dihasilkan F jika m1 dan m2 digabung?

14.  Sebuah benda bermassa 10 kg digantung seperti pada gambar, g = 10 m/s2. Tentukan besar tegangan tali T1 dan T2 !

600 300

15.  Benda bermassa 20 kg berada diatas bidang datar yang licin, mula-mula diam, kemudian benda ditarik dengan tali. Gaya tegangan tali sebesar 10 N, Jika arah tegangan tali membentuk sudut 37º terhadap arah mendatar. maka tentukan :

  1. percepatan yang terjadi pada benda!
  2. gaya normal yang bekerja pada benda!

16.  Dua buah benda dengan massa m1 = m2 = 10 kg, terletak pada permukaan yang licin seperti gambar disamping.  g = 10 m/s2. Tentukan :

a. besarnya percepatan sistem!

b. Tegangan tali!

17.  Sebuah benda bermassa 2 kg dan terletak pada bidang miring datar bekerja dengan gaya sebesar 10 N ke kiri dan 4 N ke kanan. Jika mula-mula benda diam, hitung jarak yang ditempuh benda selama 4 detik !

18.  Sebuah benda dengan massa 4 kg meluncur pada bidang datar licin dengan kecepatan 30 m/s, kemudian diberi gaya 10 N ke arah belakang, hitunglah :

  1. perlambatan benda!
  2. waktu hingga benda berhenti!
  3. jarak dari awal hingga benda berhenti!

19.  Sebuah benda yang massanya 2 kg pada bidang datar g = 10 m/s2. hitunglah gaya tekan normal pada benda, jika digerakkan :

  1. vertikal ke bawah dengan percepatan 2 m/s2
  2. vertikal ke atas dengan percepatan 2 m/s2
  3. vertikal ke atas dengan kecepatan tetap

20.  Pada sistem katrol seperti di samping, berat benda A dan B masing-masing 100 N dan 10 N. Apabila tali AC horisontal dan tali AB vertikal, serta bidang miring dan katrol licin maka tentukan berat D jika sistem dalam keadaan seimbang!

A                          C

D

30º

B

21. Balok 40 kg berada di atas meja dengan koefisien gesek kinetis 0,3. Berapa gaya horisontal yang harus diberikan agar balok bergerak dengan laju tetap?

22. Gaya 40 N digunakan untuk membuat kotak 5 kg dalam keadaan tepat akan bergerak di atas lantai. Tentukan koefisien gesek statik antara balok dan lantai!

23. Sebuah kotak di dorong di atas lantai sehingga memiliki kecepatan awal 4 m/s. Jika kemudian gaya dorong dihentikan, dan koefisien gesek kinetik adalah 0,2 maka tentukan berapa jauh kotak itu akan bergerak!

24. Sebuah truk membawa peti bermassa 400 kg. Koefisien gesek statis antara peti dengan dasar truk adalah 0,8. Tentukan perlambatan maksimum yang dapat diberikan supir truk kepada truk, agar peti tidak meluncur!

25. Sebuah mobil melintasi tikungan dengan jari-jari kelengkungan 25 m dan koefisien gesek statis ban dan jalan 0,9. Tentukan laju maksimum mobil agar tidak tergelincir !

26. Sebuah mobil balap melewati tikungan dengan jari-jari kelengkungan 200 m dan kemiringan tikungan 45°. Tentukan laju maksimum mobil jika:

a.    jalan licin

b.   jalan mempunyai koefisien gesek statis 0,8

27. Dua buah balok mempunyai massa m1 = 4 kg, m2 = 8 kg dihubungkan dengan tali dan berada di lantai dengan koefisien gesek statis dan kinetis 0,8 dan 0,4. Jika balok 2 ditarik gaya 40 N membentuk sudut 30° terhadap horisontal, tentukan percepatan sistem dan tegangan tali antara balok 1 dan 2!

28. Sebuah sabun dengan massa 200 gram meluncur pada bidang miring yang dianggap licin sepanjang 2 m. Jika kemiringan bidang miring 37°, tentukan kecepatan sabun saat mencapai dasar bidang miring!

29. Dua balok A dan B bertumpukan, dengan A di bawah dan B di atas. Massa balok A = 4 kg, massa balok B = 8 kg, dan benda A ditarik dengan sebuah gaya. A berada dilantai licin, dan koefisien gesek statis dan kinetis antara balok A dan B adalah 0,8 dan 0,4. sTentukan besar gaya maksimum yang diberikan pada A agar balok B tidak tergelincir!

30. Sebuah balok dengan massa 28 kg berada di atas meja dengan koefisien gesek statis dan kinetis 0,5 dan 0,3. Balok kemudian dihubungkan dengan sebuah ember melalui tali dan sebuah katrol yang massanya diabaikan. Ember bermassa 1 kg dan berada di tepi meja. Jika kemudian ember diberi pasir sehingga balok tepat akan bergerak maka tentukan massa pasir yang ditambahkan ke ember!