04 Gaya dan Hukum Newton.ppt

Gaya Dan Hukum-Hukum Newton tentang Gerak

Konsep Gaya Dan Massa

Gaya • Dalam penggunaan sehari-hari, gaya adalah gaya dorong dan gaya tarik • Beberapa gaya berkenaan dengan gaya tidak-kontak atau gaya yang bekerja jarak jauh. • Contoh gaya tidak kontak adalah seorang penerjun payung yang tertarik ke arah bumi karena adanya gaya gravitasi. • Gaya merupakan kuantitas vektor yang berarti memiliki besar dan arah.

Massa • Massa merupakan ukuran kuantitatif dari inersia suatu benda.inersia :kecenderungan suatu benda utk memperthankan jeadaan diam atau gerak tetapnya pd garis lurus

• Beberapa benda besar sukar untuk dipindahkan atau cukup sulit untuk menghentikannya ketika benda tersebut sedang bergerak. • Massa merupakan kuantitas skalar.

Massa Dan Gaya • Pada abad ke tujuh belas, Isaac Newton, mengembangkan pekerjaan yang ditinggalkan Galileo, merumuskan tiga hukum penting yang berkaitan dengan gaya dan massa. • Kumpulan ketiganya dikenal dengan “Hukum-Hukum Newton tentang Gerak” dan memberikan dasar untuk mengetahui pengaruh gaya terhadap sebuah benda.

Hukum I Newton • Sebuah benda akan selalu dalam keadaan diam atau akan selalu bergerak dengan laju tetap sepanjang garis lurus, kecuali dipaksa untuk mengubah keadaannya dengan memberikan resultan gaya eksternal.

Resultan gaya eksternal adalah jumlahan vektor dari semua gaya eksternal yang bekerja.

Inersia Dan Massa • Jumlah resultan gaya yang diperlukan untuk merubah kecepatan suatu benda berbeda satu dengan yang lainnya. • Secara kuantitatif, inersia dari suatu benda dapat diukur melalui massa benda tersebut.

Definisi Dari Inersia Dan Massa • Inersia merupakan kecenderungan dasar dari sebuah benda untuk tetap dalam keadaan diam atau tetap bergerak dengan laju konstan sepanjang garis lurus. • Massa merupakan ukuran kuantitatif dari inersia. • Satuan SI dari Massa: : kilogram (kg) • Massa and berat merupakan konsep yang berbeda.

Aplikasi dari inersia Inersia memainkan peranan penting dalam mekanisme sabuk pengaman. Bagian abuabu dari gambar bekerja apabila mobil dalam keadaan diam atau bergerak dengan kecepatan konstan. Bagian yang berwarna dari gambar menunjukkan yang terjadi ketika mobil tiba-tiba melambat, ketika kalau terjadi kecelakaan.

Kerangka Acuan Inersia • DEFINISI

Sebuah kerangka acuan inersia adalah kerangka acuan dimana hukum Newton Pertama berlaku.  Percepatan dari kerangka acuan inersia adalah nol, sehingga kerangka acuan tersebut bergerak dengan kecepatan konstan.

Kerangka Acuan Inersia • Semua hukum Newton tentang gerak berlaku di kerangka acuan inersia dan ketika kita mengaplikasikan hukum tersebut, kita harus mengasumsikan bahwa kita bekerja di kerangka acuan tersebut. • Dalam hal khusus, bumi sendiri merupakan aproksimasi yang bagus dari kerangka acuan inersia.

Hukum II Newton • Ketika resultan gaya eksternal F bekerja pada sebuah benda yang bermassa m, percepatan a muncul secara langsung berbanding lurus dengan gaya total dan memiliki besar yang berbanding terbalik dengan massa F = ma. • Arah dari percepatan sama dengan arah dari resultan gaya. 

Satuan SI dari Gaya: kg·m/s2 = newton (N)

Hukum II Newton tentang Gerak • Yang termasuk resultan gaya hanya gayagaya dari lingkungan yang mempengaruhi gerak benda. • Gaya ini disebut dengan gaya eksternal.

Satuan Untuk Massa, Percepatan, Dan Gaya

Contoh: Mendorong Mobil mogok Dua orang sedang mendorong mobil yang mogok, seperti gambar. Massa dari mobil adalah 1850 kg. Orang pertama memberikan gaya 275 N kepada mobil dan yang lainnya memberikan gaya sebesar 395 N. Kedua gaya ini bekerja dengan arah yang sama. Gaya ketiga 560 N juga bekerja pada mobil tetapi dengan arah yang berlawanan dengan gaya yang diberikan oleh kedua orang tadi. Gaya ini muncul akibat gesekan yang bekerja berlawanan dengan gerak dari roda. Tentukanlah percepatan dari mobil tersebut?

Contoh: Mendorong Mobil mogok

Solusi

• Berdasarkan hukum II Newton, percepatan adalah resultan gaya dibagi dengan massa dari mobil. • Untuk menentukan resultan gaya, gunakan diagram benda bebas pada gambar b. Pada diagram ini, mobil direpresentasikan sebagai benda titik, dan gerak mobil sepanjang sumbu +x.

Solusi • Resultan gaya adalah:  F  275  395  560  110 N 

Percepatan dapat ditentukan dengan: F  110  a   0,059 m/s m



1850

Tanda plus menunjukkan bahwa percepatan berarah ke sumbu +x, searah dengan arah resultan gaya.

Sifat Vektor dari Hukum II Newton tentang Gerak • Resultan gaya F dalam hukum II Newton mempunyai komponen Fx and Fy, sehingga percepatan a juga mempunyai komponen ax and ay.

 Fx  max  Fy  ma y

Contoh: Penggunaan Hukum II Newton dengan menggunakan komponennya • Seseorang kandas diatas rakit (massa dari orang dan rakit = 1300 kg) seperti pada gambar. Dengan menggunakan dayung, orang tersebut menyebabkan gaya ratarata P sebesar 17 N bekerja pada rakit dengan arah timur (arah +x). Angin juga menyebabkan gaya sebesar A pada rakit. Gaya ini besarnya 15 N dan memiliki arah 67° ke seperti gambar. Abaikan hambatan dari air, tentukan komponen x dan y dari percepatan rakit tersebut.

Contoh: Penggunaan Hukum II Newton dengan menggunakan komponennya

Solusi • Komponen gaya:

Solusi • Tanda plus menunjukkan bahwa Fx dalam arah sumbu +x dan Fy dalam arah sumbu +y. • Komponen percepatan arah x dan y searah dengan arah Fx dan Fy, sehingga dapat dihitung dengan: Fx  23  a    0,018 m/s 2 x

m 1300  Fy  14 ay    0,011 m/s2 m 1300

Hukum III Newton tentang Gerak Ketika benda pertama memberikan gaya pada benda kedua, maka benda kedua akan memberikan gaya yang besarnya sama tetapi memiliki arah yang berbeda kepada benda pertama tadi.

Contoh: Percepatan yang Dihasilkan Gaya Aksi Reaksi Andaikan massa dari sebuah pesawat angkasa dalam gambar di samping adalah ms = 11.000 kg dan massa dari astronot mA = 92 kg. Asumsikan bahwa astronot mengerjakan gaya P = + 36 N pada pesawat. Tentukanlah percepatan dari pesawat dan astronot tersebut.

•

Solusi Berdasarkan hukum III Newton, ketika astronot

mengerjakan gaya P = +36 N kepada pesawat maka pesawat akan memberikan gaya reaksi –P=-36 N kepada astronot. Meskipun gaya aksi dan reaksi memiliki besar yang sama, tetapi astronot dan pesawat tersebut tidak memiliki percepatan yang sama besarnya, karena keduanya memiliki massa yang berbeda. • Berdasarkan hukum II Newton, astronot yang memiliki massa lebih kecil akan mengalami percepatan yang lebih besar dibandingkan dengan pesawat. • Dalam mengaplikasikan hukum II Newton, resultan gaya yang bekerja pada pesawat adalah F = P, dan resultan gaya yang bekerja pada astronot adalah F = -P.

Solusi • Percepatan dari pesawat adalah:

P  36 2 aS    0,0033 m/s ms 11000 

Percepatan dari astronot adalah:

 P  36 2 aA    0,39 m/s m A 92

Macam-macam Gaya

Sekilas tentang Konsep • Ketiga hukum Newton tentang gerak membuat jelas gaya yang berperan penting dalam gerak suatu benda. • Konsep gaya yang paling penting adalah bahwa hukum II Newton selalu berlaku, tidak peduli gaya-gaya apa saja yang bekerja pada benda tsb.

Gaya-Gaya Fundamental • • • •

Gaya Gravitasi Gaya inti kuat Gaya inti lemah Gaya Elektromagnetik

Pada saat ini kita lebih memfokuska n kepada gaya ini!

Hukum Newton tentang Gravitasi • Setiap partikel di alam semesta ini menimbulkan suatu gaya tarik terhadap partikel lainnya. • Untuk dua partikel yang memiliki massa m1 dan m2 serta terpisah sejauh r, sehingga gaya yang dirasakan oleh partikel satu terhadap partikel lainnya diberikan oleh:

m1m2 F G 2 r

Hukum Newton tentang Gravitasi • Simbol G menyatakan konstanta gravitasi universal, G = 6.672 59 × 10-11 N·m2/kg2 • Nilai dari G pertama kali diukur dalam suatu eksperimen oleh ilmuwan Inggris Henry Cavendish (1731–1810), lebih dari seabad sesudah Newton menyatakan teorinya tentang gravitasi universal.

Berat • DEFINISI Berat sebuah benda di bumi disebabkan pengaruh gaya gravitasi bumi terhadap benda tersebut. Berat selalu mengarah ke bawah, menuju pusat dari bumi. • SI Unit of Weight: newton (N)

Hubungan antara Massa dengan Berat • Massa adalah ukuran kuantitatif dari inersia suatu benda. Massa merupakan sifat intrinsik dari bahan dan tidak berubah apabila benda tersebut dipindahkan dari satu lokasi ke lokasi yang lain. • Berat adalah pengaruh bekerjanya gaya gravitasi terhadap sebuah benda dan dapat berubah-ubah, tergantung kepada berapa jauh benda tersebut berada di atas permukaan bumi.

Hubungan antara Massa dengan Berat • Hubungan antara berat W dan massa m dapat dituliskan sebagai berikut: ME W  G 2 m  mg   r g

Berat suatu benda yang bermassa m bergantung kepada nilai dari konstanta gravitasi universal G, massa bumi ME dan jarak benda r. Nilai spesifik dari g = 9.80 m/s2 dipakai apabila jika jarak r sama dengan jari-jari bumi RE.

Gaya Normal • DEFINISI Gaya normal FN adalah sebuah komponen dari gaya yang bekerja pada suatu benda yang mengalami kontak dengan permukaan bidang, dinamakan seperti itu karena komponen ini tegak lurus pada permukaan.

Gaya Normal • Hukum III Newton, memainkan peranan penting dalam hubungan dengan gaya normal. Seperti pada gambar di depan, untuk sesaat, balok memberikan suatu gaya di atas meja dengan menekan meja tersebut ke bawah. Konsisten dengan hukum III Newton, maka meja akan memberikan gaya dengan arah berlawanan yang memiliki besar yang sama kepada balok tersebut. Reaksi meja ini yang disebut sebagai gaya normal. Besarnya gaya normal menyatakan seberapa kuat dua buah benda menekan satu dengan lainnya.

Gaya Normal • Jika sebuah benda diam di atas permukaan horisontal dan tidak ada gaya vertikal yang bekerja, kecuali berat benda dan gaya normal, besarnya kedua gaya ini adalah sama, FN = W. • Jika besarnya kedua gaya ini tidak sama, maka akan ada resultan gaya yang bekerja pada balok dan balok akan dipercepat ke atas maupun ke bawah, sesuai dengan hukum II Newton.

Gaya Gesek Statik Dan Kinetik • Ketika suatu benda bersentuhan dengan suatu permukaan, maka ada sebuah gaya yang bekerja pada benda tersebut. • Jika gaya yang tegak lurus permukaan dikenal dengan gaya normal, ketika benda bergerak, maka ada gaya yang bekerja sejajar dengan permukaan, gaya ini dikenal sebagai gaya gesek atau gesekan.

Gaya Gesek Statik • DEFINISI Besarnya fs gaya gesek statik dapat memiliki nilai antara nol sampai dengan nilai maksimum fsMAX, bergantung kepada besarnya gaya yang bekerja. • Dengan kata lain fs  fsMAX. fsMAX = sFN dengan s adalah koefisien gesekan statik dan FN adalah besarnya gaya normal.

Gaya Gesek Kinetik • Besarnya fk yang merupakan gaya gesek kinetik diberikan oleh: fk = kFN dengan k adalah koefisien gesek kinetik dan FN adalah besarnya gaya normal.

Gaya Tegangan Tali • Gaya biasanya dikerjakan pada sebuah kabel atau tali untuk menarik suatu benda (seperti gambar). • Biasanya massa tali diabaikan (m = 0)

Applet tentang Hukum Newton