Hukum Newton Tentang Gerak – Pengertian, Bunyi, dan Contoh Soal

Hukum Newton Tentang Gerak – Pengertian, Bunyi, Satuan dan Contoh – Dinamika mempelajari pengaruh lingkungan terhadap keadaan gerak suatu sistem. Pada dasarnya persoalan dinamika dapat dirumuskan sebagai berkut:

Bila sebuah sistem dengan keadaan awal (posisi, kecepatan, dsb) diketahui ditempatkan dalam suatu lingkungan tertentu, bagaimanakah gerakan sistem selanjutnya di bawah pengaruh lingkungan tersebut?

Penanganan persoalan dinamakan dapat di bagi atas bagian : Bagian pertama menetapkan spesifikasi pengaruh lingkungan pada sistem. Secara kuantitatif pengaruh lingkungan ini dinyatakan melalui konsep gaya: dikatakan bahwa lingkungan memberikan gaya pada sistem .Bagian ini kita sebut hukum gaya.

Bagian kedua menentukan bagaimana gaya-gaya dari lingkungan itu mempengaruhi keadaan gerak sistem . Kaitan antara gaya dan gerak disebut hukum gerak. Dalam mekanika klasik hukum gerak yang berlaku di ungkapkan oleh tiga buah hukum dasar yang di kenal sebagai hukum Newton. Hukum gerak ini akan kita bahas lebih lanjut nanti, sekarang pembahasan kita fokuskan pada hukum gaya saja.

Simak Juga : Contoh Soal Hukum Newton dan Jawaban [+Pembahasan]

A. Pengertian Gaya

Dalam kehidupan sehari-hari, tiap orang sebenarnya punya konsep dasar tentang gaya. Misalnya pada waktu kita menarik atau mendorong suatu benda atau kita menendang bola, kita mengatakan bahwa kita mengerjakan suatu gaya pada benda itu.

Gaya dapat mengubah arah gerak suatu benda, gaya dapat mengubah bentuk suatu benda serta gaya juga dapat mengubah ukuran suatu benda dengan syarat gaya yang kita berikan cukup besar. Gaya menyebabkan percepatan. Arah gaya searah dengan arah percepatan. Dari sini dapat disimpulkan bahwa gaya adalah besaran yang mempunyai besar dan arah. Ini berarti, gaya dapat digolongkan sebagai sebuah vektor

Gaya adalah besaran vektor, karena itu mempunyai besar dan arah serta memenuhi aturan-aturan operasi vektor. Satuan untuk gaya adalah newton, dan disingkat dengan N; definisi operasionalnya diberikan nanti lewat hukum gerak.

Besar dan arah gaya bergantung kepada macam sistem dan lingkungan yang sedang ditinjau dan diungkapkan lewat hukum gaya. Hukum gaya ini mempunyai bentuk yang khas bagi sebuah sistem dan lingkungannya; sistem yang berbeda dan/atau lingkungan yang berbeda mempunyai hukum gaya yang berbeda.

Contoh-contoh pasangan sistem dan lingkungan beserta hukum gaya yang berlaku :

• Pasangan dua benda titik sistem, pasangan satelit-bumi : Gaya garavitasi.
• Benda di dekat permukaan bumi : Gaya berat.
• Benda diikat dengan tali : Tegangan tali .
• Benda bersentuhan dengan lantai: gaya kontak, gaya normal, gaya gesekan
• Benda diikat pada pegas: gaya Hooke
• Benda terbenam dalam fluida:  gaya apung Archimedes
• Benda bermuatan q bergerak dalm medan listrik E dan medan Magnet B : gaya Lorentz

B. Satuan Gaya

Satuan gaya adalah Newton , satu Newton adalah besarnya gaya yang diperlukan untuk menimbulkan percepatan 1 m.s^-2 pada benda bermassa 1 kg.

Disamping Newton, satuan gaya sering ditulis juga dalam bentuk kg m/s²

1 Newton = 1 kg m/s²

Dalam sistern satuan lain seperti cgs, satuan gaya dinyatakan dalam 1 dyne

1 dyne = 1 gr cm/s

Hubungan antara dyne dan Newton adalah :

1 Newton = 10⁵ dyne

Newton sering disingkat dengan N.

C. Hukum Newton I

Benda yang diam akan bergerak jika diberi gaya. Benda yang sudah bergerak dengan kecepatan tertentu, akan tetap bergerak dengan kecepatan itu jika tidak ada gangguan (gaya). Hal diatas merupakan dasar dari Hukum Newton I yang dapat dituliskan sebagai berikut :

Jika gaya total yang bekerja pada benda itu sama dengan nol, maka benda yang sedang diam akan tetap diam dan benda yang sedang bergerak lurus dengan kecepatan tetap akan tetap bergerak lurus dengan kecepatan tetap. Secara sederhana Hukum Newton I mengatakan bahwa perecepatan benda nol jika gaya total (gaya resultan) yang bekerja pada benda sama dengan nol. Secara matematis dapat ditulis.

ΣF = 0

Sebenarnya pernyataan hukum Newton I di atas sudah pernah diucapkan oleh Galileo beberapa tahun sebelum Newton lahir Galileo mengatakan: Kecepatan yang diberikan pada suatu benda akan tetap dipertahankan jika semua gaya penghambatnya dihilangkan.

D. Hukum Newton II

Hukum Newton II akan membicarakan keadaan benda jika resultan
gaya yang bekerja tidak nol. Bayangkan anda mendorong sebuah benda yang gaya F dilantai yang licin sekali sehingga benda itu bergerak dengan percepatan a. Menurut hasil percobaan, jika gayanya diperbesar 2 kali ternyata percepatannya menjadi. 2 kali lebih besar. Demikian juga jika gaya diperbesar 3 kali percepatannya lebih besar 3 .kali lipat. Dan sini kita simpulkan bahwa percepatan sebanding dengan resultan gaya yang bekerja.

Sekarang kita lakukan percobaan lain. Kali ini massa bendanya divariasi
tetapi gayanya dipertahankan tetap sama. Jika massa benda diperbesar 2 kali, ternyata percepatannya menjadi ½ kali. Demikian juga jika massa benda diperbesar 4 kali, percepatannya menjadi ¼ kali percepatan semula. Dan sini kita bisa simpulkan bahwa percepatan suatu benda berbanding terbalik dengan massa benda itu.

Kedua kesimpulan yang diperoleh dari eksperimen tersebut dapat
diringkaskan dalam Hukum Newton II : Percepatan suatu benda sebanding
dengan resultan gaya yang bekerja dan berbanding terbalik dengan
massanya, matematik hukum ini ditulis :

ΣF = resultan gaya yang bekerja
m = massa benda
a = percepatan yang ditimbulkan

Jika dalam bentuk vektor maka penuslisannya adalah :

ΣFX = m.a_X
ΣFY = m.a_Y
ΣFZ = m.a_Z

Contoh :

Sebuah bola bilyard diletakkan pada permukaan yang licin sekali (anggap
gesekannya tidak ada). Dua gaya bekerja pada bola ini seperti pada Gb.
Hitung percepatan tersebut jika massanya, 0,5 kg.

Jawaban :

Kita urai gaya-gaya yang bekerja padaarah sumbu x dan y seperti pada Gb. Kemudian baru kita hitung komponen dari percepatan yang disebabkan oleh gaya-gaya ini.

Diketahui :

F1 = 10 N
F2 = 20 N
θ₁ = 370
θ₂ = 1430

Ditanya : a?

Penyelesaian :

F_1X = F₁ cos 0₁
= 10 cos 37°
= 8 N

F_1y = F_l sin 0₁
= 10 sin 37°
= 6 N

F_2X = F₂ cos 0₂
= 20 cos 143°
= -16 N

F_2y = F₂ sin 0₂
= 20 sin 143°
= 12 N

F_X = F_1X + F_2X
= 8 – 16
= -8 N

F_Y = F_1Y + F_2y
= 6 + 12
= 18 N

Sehingga :

Contoh

Sebuah mobil bermassa 10 000 kg, bergerak dengan kecepatan 20 m/s. Mobil direm dan berhenti setelah menempuh jarak 200 m. Berapakah gaya pengeremannya?

Jawaban :

Diketahui :

m = 10 000 kg
v₀ = 0 m/s
v = 20 m/s
∆x = 200 m

Ditanya : F?

Penyelesaian :

E. Hukum Newton III

Hukum Newton III berbunyi :

Jika suatu benda mengerjakan gaya pada benda lain, maka benda
yang kedua ini mengerjakan gaya pada benda yang pertama yang
besarnya sama dengan gaya yang diterima tapi arahnya berlawanan.

F_aksi = – F_reaksi

F_aksi = gaya yang bekerja pada benda
F_reaksi = gaya reaksi benda akibat gaya aksi

Hukum ketiga menyatakan bahwa tidak ada gaya timbul di alam semesta ini, tanpa keberadaan gaya lain yang sama dan berlawanan dengan gaya itu. Jika sebuah gaya bekerja pada sebuah benda (aksi) maka benda itu akan mengerjakan gaya yang sama besar namun berlawanan arah (reaksi). Dengan kata lain gaya selalu muncul berpasangan. Tidak pernah ada gaya yang muncul sendirian!

Contoh :

Gaya gravitasi bumi Gaya aksi adalah berat benda itu W = mg. Gaya ini dialami benda akibat tarikan bumi (abaikan gaya-gaya lain). Gaya reaksinya adalah gaya pada bumi akibat tarikan benda itu, WR = -W.

Gaya reaksi W_R ini akan memberikan percepatan pada bumi mendekati benda sama seperti gaya W menarik benda ke permukaan akibat gaya reaksi sangat kecil sekali, sehingga boleh diabaikan bumi boleh dianggap tetap diam).

Sebuah balok diletakkan di atas lantai. Balok memberikan gaya pada lantai sebesar gaya beratnya W. Balok tidak melesak ke dalam lantai karena lantai memberikan gaya reaksi yang sama besar dengan gaya berat W. Gaya reaksi ini sering disebut gaya normal (N) yang arahnya tegak lurus permukaan lantai.

Sebuah balok terletak pada suatu bidang miring. Balok ini diikat oleh
sebuah tali. Jika tali diputuskan apa yang terjadi pada balok ini?

Penyelesaian :

Mari kita lihat gaya-gaya yang bekerja pada benda. Ada 3 buah gaya yang bekerja pada benda ini. F gaya reaksi tali akibat gaya aksi yang diberikan oleh benda pada tali.

F₁ sering dinamakan sebagai gaya tegang tali yang diberi simbol T W gaya berat benda akibat tarikan gravitasi. Reaksinya adalah gaya sebesar W pada bumi.

F₂ gaya reaksi bidang miring pada benda, akibat gaya aksi yang diberikan benda itu pada bidang miring. F₂ dinamakan gaya normal, sering diberi simbol N. Karena benda diam, maka percepatan benda sama dengan nol, sehingga menurut Hukum Newton II :

ΣF = m.a

F₁ + F₂ + W = 0

T + N + m.g = 0

Kita ambil sumbu x sepanjang bidang miring dan surnbu y tegak lurus bidang miring. Komponen x dan y persamaan di atas adalah,

F_X = T – mg sin θ = 0

dan

F_Y = T – mg cos θ = 0

Jika tali dipotong maka T tidak ada, gaya resultan pada balok sama dengan nol lagi, balok akan bergerak dipercepat. Jika a_X dan a_Y adalah percepatan arah sumbu x dan y, maka:

F_X = ma_X

0 – mg sin θ = ma_X

a_X = – g sin θ

dan

F_Y = ma_Y

T – mg cos θ = maY

0 = ma_Y

a_Y = 0

Jadi kesimpulannya adalah ketika tali putus maka benda bergerak dengan percepatan -g sin 0 arah ke bawah sejajar bidang miring.

Contoh Soal

Suatu benda dijatuhkan dari atas bidang miring yang licin dan sudut kemiringan 300. Tentukanlah percepatan benda tersebut jika g = 10 m/s²
dan massa benda 4 kg ?

Penyelesaian

Diketahui :

m = 4 kg
g = 10 m/s²
θ = 300

Ditanya : a ?

Jawab :

F = – mg sin θ = ma

a = – g sin θ

= – 10 sin 30˚

= – 10 . (0,5)

= 5 m/s²

Contoh Soal

Perhatikan gambar dibawah

Massa benda satu dan dua masing-masing 6 kg dan 2 kg. Hitung percepatan dan tegangan tali jika g = 10 m/s²

Penyelesaian :

Untuk penyelesaian soal diatas, sitem kita tinjau untuk masing masing benda

Diket :

m₁ = 6 kg

m₂ = 2 kg

g = 10 m/s2

Ditanya : T?, a?

Jawab :

Karena benda benda satu lebih berat dari benda dua maka benda bergerak kebawah.

Untuk benda satu :
T – W₁ = m₁a₁
T – 60 = – 6 a …(1)

Untuk benda dua :
T – W₂ sin 300
= m₂a₂
T – 20 (0,5) = 2 a₂
T – 10 = 2 a …(2)

F. Macam – macam Gaya

Gaya berat

Gaya berat (W) adalah gaya gravitasi bumi yang bekerja pada suatu
benda. Gaya berat selalu tegak lurus kebawah dimana pun posisi benda
diletakkan, apakah dibidang horizontal, vertical ataupun bidang miring

Gaya Normal

Gaya normal adalah gaya yang bekerja pada bidang sentuh antara dua prmukaan yang bersentuhan, dan arahnya selalu tegak lurus bidang sentuh.

Gaya Gesek

Gaya gesek termasuk gaya normal gaya ini muncul jika permukaan dua benda bersentuhan secara lansung secara fisik. Arah gesekan searah dengan permukaan bidang sentuh dan berlawanan dengan arah kecendrungan gerak. Gaya gesek ada dua macam yaitu gaya gesek statis dan gaya gesek statis.

Bila bidang sentuh tidak licin, maka gaya kontak mempunyai komponen sepanjang bidang sentuh yang disebut gaya gesekan statik, dan gaya gesekan untuk benda dalam keadaan bergerak disebut gaya gesekan kinetik. Arah gaya gesekan ini selalu sepanjang bidang sentuh dan berusaha melawan gerak relatif bidang sentuhnya. Besar gaya gesek statik mempunyai batas maksimum, nilai maksimumnya sebanding dengan gaya normal N dan konstanta perbandingan =µ_s disebut koefisien gesekan statik f_smax =µ_s N.

Gaya Tegang Tali

Gaya tegangan tali disebut juga tegangan tali adalah gaya yang bekerja pada ujung-ujung tali karena tali itu tegang. Jika tali dianggap ringan maka gaya tegangan tali pada kedua ujung tali yang sama dianggap sama besarnya.

G. Inersia (Kelembaman)

Inersia adalah kecenderungan suatu benda untuk tetap diam atau tetap bergerak lurus dengan kecepatan tetap. (bergerak lurus beraturan) Hukum Newton I sering disebut Hukum Inersia karena hukum Newton I ini menyatakan bahwa suatu benda cenderung tetap diam atau tetap bergerak dengan kecepatan tetap, asalkan tidak ada gaya yang rnengganggunya.

Hukum Newton I hanya berlaku pada suatu kerangka acuan yang disebut kerangka inersia. Kerangka inersia didefinisikan sebagai suatu kerangka acuan yang tidak dipercepat.

Kerangka inersia ini dapat berupa kerangka diam atau kerangka yang bergerak beraturan dengan kecepatan tetap. Semua hukum Fisika yang berlaku dalam suatu kerangka inersia berlaku gaya pada kerangka inersia yang lain.

Contoh :

Anggap bumi adalah kerangka inersia. Dan anggap anda sedang berada disebuah kerata api yang bergerak dengan kecepatan tetap v diukur oleh pengamat yang sedang di atas tanah. Sebuah benda di dalam kereta diberi gaya F. Waktu anda amati benda ini bergerak dipercepat dengan percepatan a. Berapakah percepatan benda oleh pengamat yang berdiri di atas tanah?

Jawaban :

Karena bumi adalah kerangka inersia, rnaka kereta api juga adalah kerangka inersia (kereta api ini tidak bergerak dipercepat terhadap bumi). Karena semua hukum Fisika berlaku dalam semua kerangka inersia, maka gaya (ataupun percepatan) yang dialami oleh suatu benda yang diamati oleh pengamat disuatu kerangka inersia sama besar jika diamati oleh pengamat pada kerangka inersia yang lain. Jadi percepatan benda diukur oleh pengamat yang berdiri diatas tanah adalah a.

Contoh :

Pada contoh diatas anggap di dalam kereta terdapat sebuah lampu yang
tergantung seimbang tidak bergerak. Apa yang akan terjadi pada lampu itu setelah 2 detik dilihat oleh pengamat dalam kereta (Anda) dan pengamat yang berdiri di atas tanah (namakan pengamat ini Tono)?

Jawab :

Pada contoh diatas kita sudah menyimpulkan bahwa Anda dan Tono berada dalam kerangka inersia. Menurut hukum Newton I, Anda akan tetap melihat lampu dalam keadaan diam tidak hanya setelah 2 detik tapi selama lampu tersebut tidak diganggu. Sedangkan Tono yang melihat kereta dan lampu bergerak bersama dengan kecepatan v akan tetap melihat lampu itu bergerak melewatinya dengan kecepatan v tidak mengalami percepatan atau perubahan kecepatan (ini sesuai dengan hukum Newton I).

H. Massa

Misalkan kita mempunyai 2 benda berukuran sama dalam keadaan diam. Yang satu terbuat Besi dan yang lain dari kayu. Jika kita ingin menggerakkan benda ini, kita membutuhkan gaya yang lebih besar untuk besi dibandingkan kayu.

Hal ini disebabkan besi mempunyai inersia (kecenderungan untuk tetap diam) yang besar dibandingkan kayu. Dengan kata lain besi lebih sulit digerakkan dibandingkan kayu. Semakin besar inersia suatu benda semakin cenderung benda ini ingin mempertahankan posisi diamnya, akibatnya untuk menggerakkan benda yang lebih besar inersianya dibutuhkan gaya yang lebih besar.

Catatan:

pengertian inersia sebenarnya bukan untuk benda yang diam saja, tapi juga untuk benda yang bergerak dengan kecepatan tetap. Massa inersia (atau lebih dikenal dengan massa) didefinisikan sebagai ukuran inersia. Massa suatu benda menunjukkan berapa besar kecenderungan suatu benda untuk tetap diam atau bergerak lurus beraturan.

Satuan massa dalam SI adalah kg. Dari definisi massa kita boleh mengatakan bahwa lebih sulit mempercepat benda yang bermassa besar bandingkan benda yang bermassa kecil. Dengan gaya yang sama kita mampu mempercepat benda yang massanya 6 kg dua kali lebih besar dibandingkan dengan benda yang massanya 3 kg.

Massa suatu benda dapat ditentukan dengan membandingkan percepatan yang dihasilkan oleh suatu gaya pada benda-benda yang berbeda. Anggap suatu gaya bekerja pada suatu benda (kita anggap massanya m₁). Percepatan yang dihasilkan adalah a₁.

Anggap gaya yang sama bekerja pada benda lain (yang massanya kita anggap m₂) dan percepatan yang dihasilkan adalah a₂. Dari hasil eksperimen diperoleh bahwa perbandingan kedua massa merupakan perbandingan terbalik dari besarnya percepatan kedua benda itu.

Jika massa dari salah satu benda diketahui (misalnya massa standard,
1 kg) maka massa benda yang lain dapat diketahui.

Contoh :

Suatu massa standard diberi gaya F sehingga bergerak dipercepat dengan
percepatan 2. m/s². Hitung massa sebuah benda yang jika mendapat gaya F akan percepatan 4 m/s² ?

Penyelesaian:

Diketahui:
m₁ = 1 kg
a₁ = 2 m/s²

a₂ = 4 m/s’
Ditanya: m²?

Jawab :

dari rumus di atas kita peroleh

Ternyata dengan gaya yang sama massa yang lebih kecil mendapatkan percepatan yang lebih besar.

I. Berat

Berat adalah gaya yang dilakukan oleh bumi terhadap sebuah benda. Jika
bumi kita anggap bulat arah gaya ini adalah ke pusat bumi. Definisi yang lebih tepat mengenai berat :

Berat suatu benda adalah resultan gaya gravitasi pada benda itu akibat benda-benda di alam semesta ini. Jadi berat benda sesungguhnya tidak hanya tergantung pada gaya gravitasi bumi saja. juga gravitasi dari bintang dan planet-planet.

Namun dalam perhitungan, berat benda di bumi kita cukup menghitung gaya gravitasi akibat tarikan bumi saja. Kontribusi gaya akibat tarikan bintang-bintang sangat kecil karena jarak bintang sangat jauh. Kita sudah pelajari bahwa benda yang jatuh bebas mengalami percepatan jatuh bebas g. Dengan menggunakan definisi berat diatas dan menggunakan hukum Newton II a = g, kita peroleh :

W = mg

karena berat, W tergantung pada g maka berat suatu benda tergantung pada dimana benda itu berada. Ini berbeda dengan massa. Massa benda seiaiu sama. manapun benda itu diletakkan.

Contoh :

1. Seorang bermassa 50 kg, beratnya bisa 490 N permukaan laut, dengan g = 9,8m/s² atau 488 N di atas gunung, dengan g = 9,76 m/s².
2. Seorang anak menimbang dengan timbangan berat, ternyata skala
   menunjukkan 60 kg Anggap anak tersebut jalan-jalan ke bulan dan
   membawa timbangan yang sama. Skala berapa yang ditunjukkan pada
   timbangan itu? Gravitasi di bulan adalah 1/6 kali gravitasi bumi. Anggap percepatan jatuh bebas benda hanya disebabkan oleh gaya gravitasi dimana benda itu berada.

Jawab :

Yang diukur timbangan sebenarnya adalah berat anak tersebut. Yang
ditunjukkan pada skala timbangan adalah berat benda dibagi dengan
percepatan jatuh bebas di tempat anak itu berada, mari kita namakan
bilangan yang ditunjukkan oleh timbangan sebagai massa semu, m_s =
W/g_bumi, untuk membedakan dengan massa inersia. Berbeda dengan massa inersia, massa semu berubah-ubah nilainya tergantung lokasi. Satuan rnassa semu adalah kg.

Sudah selesai membaca materi ini ? Ayo lihat dulu Daftar Materi Fisika

Posting terkait:

40+ Soal Gerak Melingkar Pilihan Ganda dan Jawaban [Update]

30+ Contoh Soal Usaha dan Energi dan Jawaban [Update]

20+ Contoh Soal Fluida Statis dan Jawaban