1 Buku Ajar Fisika
1 Buku Ajar Fisika KATA PENGANTAR Segala puji dan Syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT, karena atas izinNya penulis dapat menyelesaikan Buku Ajar Pembelajaran Fisika SMA Materi Dinamika Gerak Benda tentang Hukum Newton untuk peserta didik kelas XI Fase F. Buku Ajar ini disusun dengan tujuan untuk menunjang proses pembelajaran Fisika SMA/MA yang lebih mudah dan efektif. Materi dalam bahan ajar disusun untuk Hukum Newton dalam Capaian Pembelajaran Fase F yang ada dalam Kurikulum Merdeka. Penyusunan buku ajar ini dapat terselesaikan atas dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu. Meskipun penulis telah berupaya dengan sungguh-sungguh, namun masih banyak terdapat kekurangan dan keterbatasan kemampuan penulis. Sehubungan dengan hal tersebut, penulis mengharapkan masukan/saran dari berbagai pihak, terutama pihak praktisi (guru) dan peserta didik di sekolah sebagai pengguna buku ajar untuk perbaikan lebih lanjut. Semoga buku ajar ini dapat memberikan manfaat sebagaimana yang diharapkan. Pasaman, 25 September 2023 Penyusun
2 Buku Ajar Fisika DAFTAR ISI KATA PENGANTAR………………………………………………………. 1 DAFTAR ISI ……………………………………………………………….. 2 GLOSARIUM………………………………………………………………. 3 PETA KONSEP…………………………………………………………….. 4 PENDAHULUAN…………………………………………………………... 5 A. Capaian Pembelajaran……………………………………………….. 5 B. Alur Tujuan Pembelajaran…………………………………………… 6 C. Paparan Materi Pembelajaran……………………………………….. 7 1. Hukum I Newton………….……………………………………. 7 2. Persamaan Matematis Hukum I Newton…..…………………… 7 3. Penerapan Hukum I Newton…………………………………… 8 4. Hukum II Newton……………………………………………… 11 5. Hukum III Newton ……………………………………………. 21 6. Gaya Gesek…………………………………………………….. 23 7. Keuntungan dan Kerugian Gaya Gesek………………………… 25 D. Latihan…….………………………………………………………… 27 DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………….. 28 PROFIL PENULIS …………………………………………………………. 29
3 Buku Ajar Fisika GLOSARIUM Dinamika : Cabang ilmu fisika yang membahas gerak benda dan penyebab terjadinya gerak benda tersebut Gaya : Interaksi apapun baik berupa dorongan atau tarikan yang dapat menyebabkan sebuah benda mengalami perubahan gerak, baik dalam bentuk arah, maupun konstruksi geometris Gaya Berat : Gaya yang dimiliki setiap benda akibat pengaruh medan gravitasi yang arahnya selalu tegak lurus menuju pusat gravitasi. Gaya Gesekan : Gaya yang timbul akibat kekasaran dua permukaan benda yang saling bersentuhan. Komponen gaya gesek selalu sejajar dengan bidang sentuh dan arahnya selalu berlawanan dengan arah gerak benda. Gaya Normal : Gaya yang bekerja pada dua permukaan benda yang bersentuhan dan arahnya selalu tegak lurus terhadap bidang sentuh. Gaya Tegangan Tali : Gaya teganan tali merupakan gaya yang bekerja pada tali yang menegang sebagai gaya aksi-reaksi. Hukum Newton 1 : “Setiap benda akan mempertahankan keadaan diam atau bergerak pada lintasan lurus apabila resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut nol”. Hukum Newton II : “Percepatan dari suatu benda sebanding dengan resultan gaya yang bekerja pada benda tersebut dan berbanding terbalik dengan massa benda tersebut. Arah percepatan sama dengan arah resultan gaya.” Hukum Newton III : “Untuk setiap aksi akan ada reaksi yang besarnya sama namun berlawanan arah” Gaya Gesek Statis : adalah gaya gesek yang bekerja melawan gaya yang diberikan. Gaya Gesek Kinetik : adalah gaya gesek yang bekerja pada suatu benda yang bergerak pada suatu permukaan. Vektor : Suatu besaran dalam fisika yang memiliki nilai dan arah.
4 Buku Ajar Fisika PETA KONSEP Dalam bahan ajar Hukum Newton, terdapat beberapa sub materi yang dibahas diantaranya hukum-hukum newton tentang gerak, berbagai jenis gaya pada benda dan penerapan hukum newton dalam kehidupan sehari-hati. PETA KONSEP
5 Buku Ajar Fisika A Capaian Pembelajaran Pada akhir fase F, peserta didik mampu menerapkan konsep dan prinsip vektor kedalam kinematika dan dinamika gerak partikel, usaha dan energi, fluida dinamis, getaran harmonis, gelombang bunyi dan gelombang cahaya dalam menyelesaikan masalah, serta menerapkan prinsip dan konsep energi kalor dan termodinamika dengan berbagai perubahannya dalam mesin kalor. Peserta didik mampu menerapkan konsep dan prinsip kelistrikan (baik statis maupun dinamis) dan kemagnetan dalam berbagai penyelesaian masalah dan berbagai produk teknologi, menerapkan konsep dan prinsip gejala gelombang elektromagnetik dalam menyelesaikan masalah. Peserta didik mampu menganalisis keterkaitan antara berbagai besaran fisis pada teori relativitas khusus, gejala kuantum dan menunjukkan penerapan konsep fisika inti dan radioaktivitas dalam kehidupan sehari-hari dan teknologi. Peserta didik mampu memberi penguatan pada aspek fisika sesuai dengan minat untuk ke perguruan tinggi yang berhubungan dengan bidang fisika. Melalui kerja ilmiah juga dibangun sikap ilmiah dan profil pelajar pancasila khususnya mandiri, inovatif, bernalar kritis, kreatif dan bergotong royong.
6 Buku Ajar Fisika B Alur Tujuan Pembelajaran Alur Tujuan Pembelajaran Tujuan Pembelajaran Pemahaman Sains 3.1 Dinamika gerak Lurus 3.1.1. hukum Newton tentang gerak 3.1.2. Gaya-gaya yang bekerja pada benda 3.1.3. Menguraikan ventor gaya yang bekerja pada benda 3.1.4. Penerapan Hukum Newton 11.3.1 Peserta didik mampu menganalisis hubungan antara gaya, massa dan gerak benda serta penerapannya dalam kehidupan sehari-hari. 11.3.1.1 Peserta didik mampu mengidentifikasi penerapan prinsip hukum I Newton, hukum II Newton dan Hukum III Newton dalam kehidupan sehari-hari. 11.3.1.2 Peserta didik mampu menganalisis berbagai jenis gaya yang bekerja pada benda dengan menerapkan hukum Newton 11.3.1.3 Peserta didik mampu menggambarkan dan menguraikan vektor pada berbagai jenis gaya yang bekerja pada suatu benda 11.3.1.4 Peserta didik mampu menerapkan konsep hukum Newton tentang gerak dalam menyelesaikan permasalahan gerak benda di kehidupan sehari-hari Keterampilan Proses Peserta didik mampu merencanakan dan melakukan melakukan percobaan tentang hukum newton. Peserta didik mampu melakukan melakuan percobaan tentang hukum newton
7 Buku Ajar Fisika C Paparan Materi Pembelajaran 2 Persamaan Matematis Hukum I Newton 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. Adapun satuan dari 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/s 2 atau 1 dyne Secara matematis, Hukum I Newton dinyatakan sebagai berikut: ΣF = 0 Dari pernyataan hukum I Newton di atas, secara matematika dapat pula dinyatakan bahwa syarat berlakunya hukum I Newton jika ΣF = 0 (jumlah aljabar gayagaya yang bekerja pada benda itu = 0). Hukum I Newton disebut juga hukum kelembaman, artinya pada dasarnya setiap benda bersifat lembam, yaitu berusaha mempertahankan keadaannya. Jika benda dalam keadaan diam maka akan berupaya diam selamanya dan jika benda dalam keadaan bergerak akan berupaya bergerak selamanya. Sifat kelembaman benda sebanding dengan massa benda. Semakin besar massa benda, semakin besar pula sifat kelembamannya 1 HUKUM I NEWTON
8 Buku Ajar Fisika 3 Contoh Hukum I Newton Dalam Kehidupan Sehari-hari Pada awalnya, penelitian yang dilakukan Newton merupakan pengkajian ulang terhadap penelitian yang dilakukan Galileo terhadap gerak benda pada lintasan melengkung, dari sebuah pertanyaan sederhana mengenai perlu tidaknya gaya luar diberikan pada suatu benda yang bergerak untuk terus bergerak. Kemudian, Galileo membuat suatu lintasan lengkung yang cukup licin dan menjatuhkan bola pada lintasan tersebut. Gambar 6.1 : Lintasan 1. Sebuah bola yang menuruni lengkungan kiri akan mendaki lengkungan kanan sampai ke ketinggiannya semula. Lintasan 2. Begitu sudut kemiringan lengkungan kanan dikurangi, bola harus menempuh jarak yang lebih jauh untuk sampai ke ketinggian semulanya. Lintasan 3. Begitu lengkungan kanan mendatar, maka bola akan menempuh jarak sangat jauh dengan kelajuan yang hampir tidak berubah. (Kanginan, 2006) Sir Isaac Newton mengamati bahwa pada lintasan 1 dan 2 benda akan terus bergerak dari lengkungan kiri ke lengkungan kanan sampai ketinggian semula dan terus berulang. Sementara, pada lintasan 3, ia mengamati bahwa bola itu bergerak dan menempuh jarak yang sangat jauh dengan kelajuan yang hampir tetap. Setelah menempuh lintasan yang lurus, lambat laun kemudian bola berhenti. Terhadap pengamatannya ini, Galileo menyatakan bahwa gerak bola berhenti karena adanya gaya gesekan. Jika gaya gesekan ini diabaikan, maka tidak ada gaya yang bekerja pada benda tersebut dan bola akan terus bergerak dengan kelajuan tetap pada lintasan lurus tanpa membutuhkan gaya luar Dalam keseharian kita sering mengalami efek kelembaman, hanya kita tidak menyadarinya. Ketika kita sedang naik di dalam mobil, jika mobil semula diam secara tiba-tiba bergerak kalian nanti akan terdorong ke belakang dan sebaliknya jika semula mobil melaju dengan kencang kemudian direm mendadak, kita akan terdorong ke
9 Buku Ajar Fisika depan. Kejadian ini terjadi karena kita berusaha mempertahankan keadaan semula. Dari contoh ini dapat Anda menjelaskan mengapa di pintu masuk tol sering tertulis, ”GUNAKAN SABUK KESELAMATAN”. Yang artinya menerapkan prinsip hukum kelembaman (inersia). Adapun contoh dalam kehidupan sehari-hari yang lainnya sebagai berikut: 1) Pena yang berada di atas kertas di meja akan tetap disana ketika kertas ditarik secara cepat. 2) Ketika kita berdiri dalam bus yang sedang melaju kencang, tiba-tiba bus direm, para penumpang akan terdorong ke depan. 3) Demikian juga saat tiba-tiba bus dipercepat (di gas), para penumpang terlempar ke belakang. Karena tubuh penumpang sedang mempertahankan posisi diamnya 4) Ayunan bandul sederhana. Bandul jika tanpa gaya dari luar akan tetap bergerak , dgn percepatan nol. 5) Pada lift diam atau bergerak dengan kecepatan tetap, maka percepatannya nol. Oleh karena itu, berlaku keseimbangan gaya (hukum I Newton). 6) Saat kita salah memasang taplak padahal makanan sudah di taruh di atasnya. Tenang, ketika kita tarik taplak tersebut lurus dan cepat, makanan tidak akan bergeser. 7) Benda diam yang ditaruh di meja tidak akan jatuh kecuali ada gaya luar yang bekerja pada benda itu. 8) Bola Tolak peluru : akan diam jika tidak diberikan gaya dari luar. Dalam tolak peluru, sifat kekekalan sebuah benda terdapat pada peluru itu sendiri. Pada saat peluru dilempar, peluru akan terus bergerak secara beraturan setelah itu akan jatuh dan berhenti, titik dimana peluru itu akan berhenti, dan akan terus diam jika tidak digerakkan. 9) Pada saat Dribbling : bola akan terus bergerak beraturan, dan berhenti jika bola di pegang kedua tangan
10 Buku Ajar Fisika 1. Coba jelaskan mengapa sebuah benda dapat bergerak dan mengapa sebuah benda dalam keadaan diam! 2. Sebuah bola yang tergeletak di lantai kasar. Dibiarkan saja, maka bola tetap di tempat. Jika anda beri dorongan, bola akan bergerak menggelinding tidak begitu jauh dan kemudian berhenti. Jika pada lantai yang licin anda dorong maka semakin jauh bolanya mengelinding sebelum berhenti. Pada lantai yang licin maupun lantai yang kasar, dan bentuk bola yang bulat sempurna serta tidak ada gesekan udara yang memperlambat geraknya. Apakah bola tersebut akan berhenti mengelinding? (Arthur Beiser, 2012) CONTOH SOAL: Seekor kuda menarik kereta ke arah barat dengan gaya 300 N. Di belakang kereta, tiga orang menarik kereta tersebut. Agar kereta tidak berjalan, berapakah gaya yang harus diberikan ketiga orang tersebut? Penyelesaian ke arah barat agar kereta tidak bergerak Agar kereta tidak bergerak, maka 300 + ( Jadi, gaya yang harus diberikan agar kereta tidak bergerak adalah 300 N ke timur Latihan
11 Buku Ajar Fisika 4 Hukum II Newton Hukum II Newton Hukum II Newton berbunyi “ percepatan suatu benda yang disebabkan oleh suatu gaya sebanding dan searah dengan gaya itu dan berbanding terbalik dengan massa benda yang dikenai oleh gaya tersebut ”. Secara matematis huku II Newton dapat ditulis: Keterangan: a = percepatan (m/s2 ) m = massa benda (kg) ΣF = resultan gaya (N) Penerapan Hukum Newton a. Gerak Benda pada Bidang Datar Licin Gambar 6.3 Balok terletak pada bidang datar yagn licin, diberikan gaya Gambar diatas menunjukkan pada sebuah balok yang terletak pada bidang mendatar yang licin, bekerja gaya F mendatar hingga balok bergerak sepanjang bidang tersebut. Komponen gaya-gaya pada sumbu y adalah: ΣFy = N – w Dalam hal ini, balok tidak bergerak pada arah sumbu y, berarti ay = 0, sehingga: ΣFy = 0 N – w = 0 N = w = m.g F m a Gambar 6.2. W N F
12 Buku Ajar Fisika dengan: N = gaya normal (N) w = berat benda (N) m = massa benda (kg) g = percepatan gravitasi (m/s2 ) Sementara itu, komponen gaya pada sumbu x adalah: ΣFx = F Dalam hal ini, balok bergerak pada arah sumbu x, berarti besarnya percepatan benda dapat dihitung sebagai berikut: ΣFx = m.a F = m.a a = Keterangan: a = percepatan benda (m/s2 ) F = gaya yang bekerja (N) m = massa benda (kg) Gambar 6.4. Balok bidang dilicin ditarik dengan gaya F ΣFx = m.a F cos θ = m.a a = Keterangan: a = percepatan benda (m/s2 ) F = gaya yang bekerja (N) m = massa benda (kg) θ = Sudut antara F F θ F cos θ Fx = F Cos θ
13 Buku Ajar Fisika b. Gerak Benda pada Bidang Datar Kasar Gambar 6.5. Balok ditarik dengan gaya F pada bidang kasar ΣFy = 0 ΣFx = m.a F-f = m.a, karena f= ΣF= ΣFx + ΣFy ΣF= 0 + (F- ) Keterangan: a = percepatan benda (m/s2 ) F = gaya yang bekerja (N) m = massa benda (kg) f = gaya gesek (N) = koefisien gesekan c. Gerak pada Bidang Miring • Gaya pada bidang miring licin Gambar 6.6. Balok pada bidang miring licin (sumber:http://rumushitung.com) = 0 F f f =
14 Buku Ajar Fisika TA TB F = m.a • Gaya yang bekerja pad a benda miring kasar Gambar 6.7. Balok pada bidang miring kasar (sumber:http://rumushitung.com) N – W Cos θ = 0 N = m.g Cos θ F. Sin θ - Fs = m.a F. Sin θ - = m.a F. Sin θ - = m.a F. Sin θ - = m.a d. Gerak sisem Benda dan Tali Gambar 6.8. Dua balok dihubungkan denan tali pada bidang miring licin WB NB WA NA
15 Buku Ajar Fisika Resultan gaya yang bekerja pada balok A (komponen sumbu x) adalah: ΣFx(A)= TA = mA.a Sementara itu, resultan gaya yang bekerja pada balok B (komponen sumbu x) adalah: ΣFx(B)= F – TB = mB.a Dengan menjumlahkan persamaan diatas didapatkan: F – TB + TA = mA.a + mB.a, F – T + T = mA.a + mB.a F = (mA + mB)a dengan: a = percepatan sistem (m/s2 ) F = gaya yang bekerja (N) mA = massa benda A (kg) mB = massa benda B (kg) e. Gerak Benda di Lift 1) Lift dalam keadaan diam atau bergerak dengan kecepatan konstan. Gambar 6.9. Lift diam (sumber: https://belajar.kemdikbud.go.id) Komponen gaya pada sumbu y adalah: ΣFy = N – w Karena, TB = TA = T a =
16 Buku Ajar Fisika Dalam hal ini, lift dalam keadaan diam atau bergerak dengan kecepatan tetap (GLB) pada komponen sumbu y, berarti ay = 0, sehingga: ΣFy = 0 N – w = 0 N = w = m.g dengan: N = gaya normal (N) w = berat orang/benda (N) m = massa orang/benda (kg) g = percepatan gravitasi (m/s2 ) 2) Lift dipercepat ke atas Gambar 6.10. Lift bergerak ke atas (sumber: https://belajar.kemdikbud.go.id) Komponen gaya pada sumbu y adalah: ΣFy = N – w Dalam hal ini, lift bergerak ke atas mengalami percepatan a, sehingga: ΣFy = N – w N – w = m.a N = w + (m.a) dengan: N = gaya normal (N) w = berat orang/benda (N) m = massa orang/benda (kg) a = percepatan lift (m/s2 )
17 Buku Ajar Fisika 3) Lift dipercepat ke bawah Gambar 6.11. Lift turun ke bawah (sumber: https://belajar.kemdikbud.go.id) Komponen gaya pada sumbu y adalah: ΣFy = w – N Dalam hal ini, lift bergerak ke bawah mengalami percepatan a, sehingga: ΣFy = m.a w – N = m.a N = w – (m.a) dengan: N = gaya normal (N) w = berat orang/benda (N) m = massa orang/benda (kg) a = percepatan lift (m/s2 ) f. Gerak Pada Katrol Gambar 6.12. Dua buah benda dihubungkan dengan tali melalui sebuah katrol
18 Buku Ajar Fisika Gambar 2.1. diatas menunjukkan dua buah balok A dan B yang dihubungkan dengan seutas tali melalui sebuah katrol yang licin dan massanya diabaikan. Apabila massa benda A lebih besar dari massa benda B (mA > mB), maka benda A akan bergerak turun dan B akan bergerak naik. Karena massa katrol dan gesekan pada katrol diabaikan, maka selama sistem bergerak besarnya tegangan pada kedua ujung tali adalah sama yaitu T. Selain itu, percepatan yang dialami oleh masing-masing benda adalah sama yaitu sebesar a. Dalam menentukan persamaan gerak berdasarkan Hukum II Newton, kita pilih gaya-gaya yang searah dengan gerak benda diberi tanda positif (+), sedangkan gaya-gaya yang berlawanan arah dengan gerak benda diberi tanda negatif (-). Resultan gaya yang bekerja pada balok A adalah: ΣFA = mA .a wA – T = mA.a Resultan gaya yang bekerja pada balok B adalah: ΣFB = mB.a T – wB = mB.a Dengan menjumlahkan persamaan diatas didapatkan: wA – wB = mA.a + mB.a (mA – mB)g = (mA + mB)a a = dengan: a = percepatan sistem (m/s2 ) mA = massa benda A (kg) mB = massa benda B (kg) g = percepatan gravitasi setempat (m/s2 ) Besarnya tegangan tali (T ) dapat ditentukan dengan mensubstitusikan persamaan diatas, sehingga didapatkan persamaan sebagai berikut: T = wA – mA.a = mA.g – mA.a = mA(g – a) atau T = mB.a + wB = mB.a + mB.g = mB(a+g
19 Buku Ajar Fisika Perhatikan gambar berikut, benda mula-mula dalam kondisi rehat! Benda bermassa m = 10 kg berada di atas lantai kasar ditarik oleh gaya F = 25 N ke arah kanan. Jika koefisien gesekan statis antara benda dan lantai adalah 0,2 dengan koefisien gesekan kinetis 0,1 tentukan besarnya : a) Gaya normal b) Gaya gesek antara benda dan lantai c) Percepatan gerak benda d) Jarak yang ditempuh benda setelah 2 sekon Pembahasan Gaya-gaya pada benda diperlihatkan gambar berikut: a) Gaya normal Σ Fy = 0 N − W = 0 N − mg = 0 N − (10)(10) = 0 N = 100 N b) Gaya gesek antara benda dan lantai Cek terlebih dahulu gaya gesek statis maksimum yang bisa terjadi antara benda dan lantai: fsmaks = μs N fsmaks = (0,2)(100) = 20 N Ternyata gaya yang gesek statis maksimum (20 N) lebih kecil dari gaya yang menarik benda (25 N), Sehingga benda bergerak. Untuk benda yang bergerak gaya geseknya adalah gaya gesek dengan koefisien gesek kinetis : fges = fk = μk N fges = (0,1)(100) = 10 N c) Percepatan gerak benda Hukum Newton II : Σ Fx = ma F − fges = ma 25 − 10 = 10a a = 15/10 = 1,5 m/s2 Contoh Soal
20 Buku Ajar Fisika Hukum III Newton 5 1. Sebuah balok pada bidang licin ditarik dengan sudut 53o terhadap bidang datarnya sebesar 20 N, hitunglah percepatannya 2. Sebuah kotak seberat 10 kg ditarik sepanjang bidang datar dengan gaya sebesar 40 N yang membentuk sudut . Koefisien gesek statis dan kinetis nilainya berturut-turut sebesar 0,4 dan 0,3. Hitunglah percepatannya. 3. Perhatikan gambar berikut Balok bermasa 8 Kg berada pada bidang kasar μk=0,2, hitunglah a. Besarnya gaya gesek benda b. Percepatan benda Coba perhatikan gambar berikut ini Pernahkah Ananda memperhatikan dan atau bahkan melakukan kegiatan seperti pada gambar? Jika pernah, ananda pasti menyaksikan bahwa arah dayung selalu berlawanan dengan arah perahu. Sesuai hukum III Newton yang menyatakan bahwa “ jika sebuah benda A mengerjakan gaya benda B maka benda B akan memiliki besar gaya sama dengan benda A tetapi berlawanan arah “. Latihan
21 Buku Ajar Fisika Secara matematis dituliskan; Dari uraian tersebut, dapat dituliskan bahwa Hukum III Newton memiliki ciri- ciri sebagai berikut; a. Terjadi pada dua benda yang berbeda b. Memiliki arah yang berlawanan c. Besar gaya aksi selalu sama dengan besar gaya reaksi Newton menyatakan bahwa suatu gaya yang bekerja pada sebuah benda selalu berasal dari benda lain. Artinya, tidak ada gaya yang hanya melibatkan satu benda. Gaya yang hadir sedikitnya membutuhkan dua benda yang saling berinteraksi. Pada interaksi ini gaya-gaya selalu berpasangan. Jika A mengerjakan gaya pada B (aksi), maka B akan mengerjakan gaya pada A (reaksi). Pasangan gaya inilah yang terkenal dengan pasangan aksi reaksi Salah satu contoh benda yang bekerja berdasarkan prinsip Hukum III Newton adalah roket. Pada saat peluncuran, roket menyemburkan gas dengan gaya yang besar ke udara di bawahnya. Akibatnya, gas memberikan reaksi berupa gaya dorong terhadap roket dengan gaya yang sama besar dengan gaya semburan gas. Dengan adanya gaya dorong inilah roket dapat meluncur ke udara. Contoh lain yang menunjukkan gaya aksi reaksi adalah ketika Anda berjalan di atas lantai. Saat berjalan, kaki Anda menekan lantai ke belakang (aksi). Sebagai reaksi, lantai mendorong telapak kaki Anda ke depan sehingga Anda dapat berjalanPernahkah Anda memperhatikan tank yang sedang menembak? Pada saat menembakkan peluru, tank mendorong peluru ke depan (aksi). Sebagai reaksi, peluru mendorong tank ke belakang sehingga tank terdorong ke belakang. Gaya aksi-reaksi inilah yang menyebabkan tank terlihat tersentak ke belakang sesaat setelah memuntahkan peluru.
22 Buku Ajar Fisika Contoh Soal Sebuah buku diletakkan di atas meja. Pada sistem benda tersebut akan bekerja gaya-gaya seperti pada Gambar disamping. Ada empat gaya yang bekerja pada sistem tersebut yaitu: w = berat buku, N = gaya tekan normal meja terhadap buku, N’= gaya tekan normal buku pada meja, dan Fg = gaya gravitasi bumi pada buku. Tentukan pasangan gaya yang termasuk aksi reaksi! Penyelesaian Pasangan gaya aksi-reaksi memenuhi sifat : sama besar, berlawanan arah dan bekerja pada dua benda. Dari sifat di atas dapat ditentukan dua pasangan aksi-reaksi yaitu: w dengan Fg N dengan N’ w dan N bukan aksi-reaksi karena bekerja pada satu benda (buku) tetapi hubungan N = w merupakan hukum I Newton yaitu ΣF = 0.
23 Buku Ajar Fisika GAYA GESEK 6 Suatu benda yang berada di atas bidang tidak jatuh ke bumi disebabkan karena adanya gaya normal. Namun, ada gaya lain yang bekerja pada benda yang bergerak dan menyebabkan berhenti. Gaya ini adalah gaya gesek atau gesekan. Bagaimanakah gaya gesek ini bekerja? Gesekan mungkin bukan istilah baru bagi kalian. Gesekan terjadi jika ada dua benda yang bersinggungan satu sama lain. Dalam fisika, gesekan disebut juga gaya gesek yaitu gaya yang diakibatkan dua benda bersinggungan. Jika pada sebuah benda bekerja gaya tertentu sehingga benda bergerak, maka arah gaya gesek berlawanan dengan arah gerak benda. Gaya gesek disimbolkan dengan huruf f (friction). Gaya gesek bekerja pada garis singgung kedua benda. Misalkan, sebuah benda yang terletak pada suatu bidang dikenai gaya sebesar F. Diagram gaya-gaya yang bekerja pada benda tersebut dapat kalian lihat pada Gambar Gambar. diagram gaya pada benda di atas bidang datar Jika Anda mendorong sebuah almari besar dengan gaya kecil, maka almari tersebut dapat dipastikan tidak akan bergerak (bergeser). Jika Anda mengelindingkan sebuah bola di lapangan rumput, maka setelah menempuh jarak tertentu bola tersebut pasti berhenti. Mengapa hal-hal tersebut dapat terjadi? Apa yang menyebabkan almari sulit di gerakkan dan bola berhenti setelah menempuh jarak tertentu? Gaya yang melawan gaya yang Anda berikan ke almari atau gaya yang menghentikan gerak bola adalah gaya gesek. Gaya gesek adalah gaya yang bekerja antara dua permukaan benda yang saling bersentuhan. Arah gaya gesek berlawanan arah dengan kecenderungan arah gerak benda. Untuk benda yang bergerak di udara, gaya geseknya bergantung pada luas permukaan benda yang bersentuhan dengan udara. Makin besar luas bidang sentuh, makin besar gaya gesek udara pada benda tersebut sedangkan untuk benda padat yang bergerak di atas benda padat, gaya geseknya tidak tergantung luas bidang sentuhnya.
24 Buku Ajar Fisika 1. Macam-macam Gaya Gesekan Menurut Leonhard Euler, dilihat dari gerakannya, gaya gesek dibagi menjadi dua macam, yaitu gaya gesek statis dan gaya gesek kinetis. a. Gaya Gesek Statis Menurut Hukum I Newton, pada benda yang diam, resultan gaya yang bekerja pada benda sama dengan nol. Berdasarkan hukum ini, ketika kita mendorong meja tetapi meja tersebut masih diam, tentunya ada gaya lain yang melawan gaya dorong yang kalian berikan. Gaya tersebut adalah gaya gesek antara kaki-kaki meja dengan lantai. Gaya gesek ini bekerja pada meja yang diam, sehingga disebut gaya gesek statis (fs). Jadi, gaya gesek statis adalah gaya gesek yang bekerja pada benda yang diam. Keterangan: fs : gaya gesekan statis maksimum (N) µs : koefisien gesekan statis N : gaya Normal (N) Kalian telah mengetahui bahwa besarnya gaya gesek tergantung pada kekasaran permukaan benda dan bidang yang bersentuhan. Tingkat kekasaran ini dinyatakan dengan koefisien gesekan. Untuk benda diam, koefisien gesekan disebut koefisien gesekan statis, disimbolkan s. Selain tingkat kekasaran permukaan benda, besarnya gaya gesek dipengaruhi oleh besar gaya normal (N) yang diberikan bidang pada benda . b. Gaya Gesek Kinetis Ketika kalian menendang bola di atas tanah, bola akan menggelinding dengan kecepatan tertentu. Tetapi semakin lama kecepatan bola semakin berkurang dan akhirnya berhenti. Bola dapat bergerak diakibatkan gaya dari tendangan. Namun, saat sedang bergerak, ada gaya yang menghambat gerak bola dan mengurangi kecepatannya. Gaya yang menyebabkan kecepatan bola semakin berkurang disebut gaya gesek kinetis. Jadi, gaya gesek kinetis adalah gaya gesek yang bekerja pada benda yang bergerak. fs , maks = µs. N
25 Buku Ajar Fisika Keuntungan dan Kerugian Gaya Gesek 7 Sama seperti gaya gesek statis, besar gaya gesek kinetis juga bergantung pada gaya normal dan tingkat kekasaran permukaan benda dan bidang yang bersinggungan (koefisien gesekan). Koefisiean gesekan pada benda yang bergerak disebut koefisien gesekan kinetis yang disimbolkan dengan µk. Hubungan antara gaya gesek, koefisien gesekan kinetis, dan gaya normal diberikan dalam persamaan berikut. keterangan fk = gaya gesek kinetis (N) µk = koefisien gesekan kinetik N = gaya normal (N) Jika gaya F bekerja pada suatu benda maka ada tiga kemungkinan, yaitu benda diam, benda tepat akan bergerak, dan benda bergerak dengan percepatan konstan. a. Benda akan diam jika F<fk maks. b. Benda tepat akan bergerak jika F=fk maks=µkN c. Benda bergerak dengan percepatan konstant, jika F-fk=m a Gaya gesek dapat dijumpai pada kegiatan sehari-hari. Berjalan, menulis, bermain bola, dan berbagai aktivitas lain yang kita lakukan tidak terlepas dari gaya gesek. Gaya gesek dapat menguntungkan dan juga dapat merugikan. a. Gaya gesek yang menguntungkan Beberapa contoh gaya gesek yang menguntungkan dapat kita jumpai pada kejadian-kejadian berikut. 1. Gesekan kaki dengan jalan menyebabkan kita dapat berjalan. Kita lebih mudah berjalan di tanah dengan gaya gesek yang besar dari pada berjalan di jalan yang licin dengan gaya gesek kecil. fk = µk N
26 Buku Ajar Fisika 2. Ban kendaraan (sepeda, sepeda motor, mobil, dan sebagainya) dibuat beralur untuk memperbesar gaya gesek ban dengan jalan. Jika ban kendaraan halus kemungkinan kecelakaan akan lebih mudah terjadi. 3. Gesekan udara dimanfaatkan oleh penerjun payung. Dengan menggunakan parasut penerjut dapat sampai di bumi dengan selamat. 4. Dalam balap mobil, badan mobil balap dibuat aerodinamis. Dengan badan mobil yang aerodinamis, gesekan dengan udara menjadi sangat kecil sehingga mobil dapat melaju dengan kecepatan penuh. Bentuk aerodinamis ini juga digunakan pada kereta api super-cepat yang dapat melaju dengan kecepatan 261,8 km/jam. Selain itu, pesawat juga menggunakan bentuk aerodinamis. Pesawat Concorde bahkan dapat terbang dengan kecepatan 2.150 km/jam. 5. Gaya gesek juga dimanfaatkan pada sistem pengereman kendaraan. b. Gaya gesek yang merugikan Pada beberapa peristiwa, gaya gesek juga dapat merugikan kita. Beberapa contoh gaya gesek yang merugikan antara lain, 1. Gesekan antara ban dengan aspal mengakibatkan ban menjadi aus. Ban yang aus ini dapat menyebabkan kendaraan tergelincir. 2. Gesekan antara bagian-bagian mesin kendaraan mengakibatkan mesin menjadi aus. Untuk mengurangi gesekan pada mesin kita dapat menggunakan pelumas. 3. Gesekan kendaraan yang bergerak dengan udara memperlambat kelajuannya.
27 Buku Ajar Fisika D Latihan 1. Jelaskanlah konsep gaya pada Hukum III Newton! 2. Buatlah diagram gaya kejadian gambar di atas! 3. Jelaskanlah dua penerapan hukum III Newton pada kehidupan sehari – hari! 4. Dua buah balok berdempetan balok terletak dibidang licin yang datar ditarik dengan 15 N. Jika masing – masing balok memiliki massa 3 kg, 2 kg, dan. Hitunglah gaya kontak antara kedua balok tersebut. 5. Sebuah mobil dengan massa 900 kg yang mula-mula diam bergerak lurus dipercaya menjadi 12 ms-1 . Berapakah besarnya resultan gaya yang diperlukan mobil tersebut
28 Buku Ajar Fisika Daftar Pustaka Arthur Beiser, d. (2012). The Physical Universe (BOOKFI). Bambang, dkk. 2009. Fisika untuk SMA/MA Kelas X. Depdiknas: Jakarta Handayani, Sri dan Ari Damari. 2009. Fisika untuk SMA /MA Kelas X. Depdiknas: Jakarta Joko Sumarsono,(2009). Fisika SMA Kelas X BSE. Jakarta: Pusat Perbukuan Kanginan, M. (2006). Fisika Untuk SMA Kelas X. Jakarta: Erlangga Nurachmandani, Setya. 2009. Fisika 1 untuk SMA /MA Kelas X. Depdiknas: Jakarta Palupi, dkk. 2009. Fisika untuk Kelas X SMA dan MA Jilid 2. Depdiknas: Jakarta Sarwono, dkk. 2009. Fisika 1 Mudah dan Sederhana untuk SMA dan MA Kelas X. Depdiknas: Jakarta Sunardi Dkk, (2016). Fisika SMA Kelas X Edisi Revisi 2016 Buku Kurikulum 2013. Bandung: Yrama Widya. Triwidodo. 2009. Fisika untuk SMA /MA Kelas X. Depdiknas: Jakarta
29 Buku Ajar Fisika PROFIL PENULIS Elsa Rahmayuni adalah seorang mahasiswa Program Pendidikan Profesi Guru Prajabatan Gelombang 2 periode 2022-2023, Universitas Negeri Padang. Lahir pada 29 Juni 1997 di Ps. Inpres Tapus Kecamatan Padang Gelugur Kabupaten Pasaman, Provinsi Sumatera Barat. Sebelumnya, ia telah menyelesaikan studi dan mendapat gelar sarjana Pendidikan Fisika dari Universitas Negeri Padang tahun 2019 lalu. Email: [email protected]