Beranda › Learning Hub › Fisika SMA › F.1 Hukum Newton dan gravitasi
F.1

Hukum Newton tentang Gerak dan Gravitasi

Fase F · Kelas XI–XII

Kinematika menggambarkan gerak; dinamika menjelaskan mengapa gerak berubah. Kuncinya adalah gaya — interaksi antara dua benda — dan tiga hukum Newton yang menghubungkan gaya dengan perubahan gerak. Dengan diagram benda bebas, hampir semua soal dinamika dapat diselesaikan dengan langkah yang sama.

📋Capaian Pembelajaran

Fase F: menganalisis hubungan gerak dan gaya serta pemanfaatannya untuk menjelaskan fenomena alam, desain, atau rekayasa struktur. Panduan menempatkan Hukum Newton sebagai inti, dengan gravitasi, momentum, usaha dan energi, dinamika rotasi, dan elastisitas sebagai konteks pendalaman yang dapat dipilih. Analisis gaya dilatih memakai diagram benda bebas dan vektor.

🎯Yang perlu kamu kuasai

  • Menjelaskan gaya sebagai interaksi dan mengenali gaya berat, normal, gesek, dan tegangan tali.
  • Menggambar diagram benda bebas dan menghitung resultan gaya.
  • Menerapkan Hukum I, II, dan III Newton pada benda tunggal dan sistem benda.
  • Menganalisis gaya gesek statis dan kinetis, gerak pada bidang miring, sistem katrol, dan gaya normal di dalam lift.
  • Menerapkan hukum gravitasi Newton untuk gaya gravitasi, percepatan gravitasi, dan gerak satelit.

📚Materi

1. Tiga hukum Newton

  • Hukum I (kelembaman): jika resultan gaya nol, benda yang diam tetap diam dan benda yang bergerak tetap bergerak lurus beraturan. Contoh: penumpang terdorong ke depan saat bus mengerem mendadak.
  • Hukum II: resultan gaya sebanding dengan percepatan, \( \Sigma F = ma \). Satuan gaya newton (N) = kg·m/s².
  • Hukum III (aksi-reaksi): jika A memberi gaya pada B, B memberi gaya pada A yang sama besar dan berlawanan arah. Pasangan aksi-reaksi bekerja pada dua benda berbeda, jadi tidak pernah saling meniadakan.

2. Jenis-jenis gaya

Berat \( w = mg \), arah selalu ke pusat Bumi. Gaya normal \( N \) tegak lurus bidang sentuh — tidak selalu sama dengan \( mg \).
Gaya gesek sejajar bidang, melawan (kecenderungan) gerak: statis maksimum \( f_s = \mu_s N \), kinetis \( f_k = \mu_k N \), dengan \( \mu_k < \mu_s \). Tegangan tali \( T \) menarik sepanjang tali.

3. Diagram benda bebas: langkah baku

  1. Pilih benda (atau sistem) yang dianalisis dan gambarkan sebagai kotak atau titik.
  2. Gambar semua gaya yang bekerja pada benda itu (bukan yang dikerjakan benda).
  3. Pilih sumbu: sejajar arah gerak dan tegak lurus arah gerak. Uraikan gaya yang miring.
  4. Tulis \( \Sigma F = ma \) pada arah gerak dan \( \Sigma F = 0 \) pada arah tegak lurus gerak.
Sebuah balok di bidang miring dengan sudut theta. Gaya berat w mengarah tegak ke bawah, gaya normal N tegak lurus permukaan bidang, dan gaya gesek f sejajar bidang mengarah ke atas bidang.
Gaya pada balok di bidang miring. Uraikan berat menjadi mg sin θ (sejajar bidang) dan mg cos θ (tegak lurus bidang).

Pada bidang miring licin: \( a = g\sin\theta \) dan \( N = mg\cos\theta \). Pada bidang miring kasar, benda yang meluncur ke bawah:

\[ a = g(\sin\theta - \mu_k \cos\theta) \]

4. Sistem benda dan katrol

Untuk dua benda yang dihubungkan tali ringan melalui katrol licin (massa katrol diabaikan), anggap kedua benda sebagai satu sistem untuk mencari percepatan, lalu analisis satu benda untuk mencari tegangan tali:

\[ a = \frac{(m_1 - m_2)g}{m_1 + m_2} \]
\[ T = m_2 (g + a) \]

Lift: angka timbangan adalah gaya normal. Lift dipercepat ke atas (atau diperlambat saat turun): \( N = m(g + a) \); dipercepat ke bawah (atau diperlambat saat naik): \( N = m(g - a) \); diam atau bergerak dengan kecepatan tetap: \( N = mg \).

5. Gravitasi Newton

Setiap dua benda bermassa saling menarik dengan gaya

\[ F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}, \quad G = 6{,}67 \times 10^{-11}\ \text{N m}^2/\text{kg}^2 \]

Percepatan gravitasi di permukaan planet bermassa \( M \) dan berjari-jari \( R \) adalah \( g = GM/R^2 \). Pada ketinggian \( h \), \( g' = g \left(\dfrac{R}{R + h}\right)^2 \). Gaya gravitasi menyediakan gaya sentripetal satelit, sehingga kelajuan orbitnya \( v = \sqrt{GM/r} \): makin jauh satelit, makin lambat geraknya.

Penerapan dan penyelidikan

Panduan menyarankan inkuiri tentang gerak yang terhambat gesekan. Tarik balok kayu dengan neraca pegas di atas permukaan berbeda (kayu, kain, amplas). Catat gaya saat balok tepat akan bergerak (statis) dan saat bergerak pelan dengan kecepatan tetap (kinetis), lalu bagi dengan berat balok untuk memperoleh koefisien gesek. Penerapannya: pola telapak ban, rem cakram, dan desain sepatu olahraga.

✏️Contoh soal

Peti bermassa 40 kg ditarik dengan gaya 200 N yang membentuk sudut 37° terhadap lantai mendatar (sin 37° = 0,6, cos 37° = 0,8). Koefisien gesek kinetis 0,25 dan g = 10 m/s². Tentukan percepatan peti.

Uraikan gaya tarik: komponen mendatar \( 200 \times 0{,}8 = 160 \) N, komponen tegak \( 200 \times 0{,}6 = 120 \) N (ke atas).

Arah tegak: \( N + 120 = 400 \Rightarrow N = 280 \) N. Gaya gesek \( f_k = 0{,}25 \times 280 = 70 \) N.

\[ a = \frac{160 - 70}{40} = 2{,}25\ \text{m/s}^2 \]
Periksa. Tarikan miring ke atas mengurangi gaya normal, jadi gesekannya lebih kecil daripada \( 0{,}25 \times 400 = 100 \) N. Percepatan positif, berarti peti memang bergerak.
Jebakan. Menulis \( N = mg \) begitu saja. Gaya normal ditentukan oleh semua gaya tegak lurus bidang, termasuk komponen gaya tarik.

📝Latihan

Kerjakan di kertas, lalu buka jawabannya.

1. Mengapa gaya aksi dan reaksi tidak saling meniadakan?
Karena keduanya bekerja pada benda yang berbeda. Resultan gaya hanya dijumlahkan dari gaya-gaya yang bekerja pada satu benda.
2. Orang bermassa 60 kg berdiri di atas timbangan dalam lift yang dipercepat ke atas 2 m/s². Berapa angka timbangan? (g = 10 m/s²)
\( N = m(g + a) = 60(12) = 720 \) N, lebih besar daripada beratnya (600 N).
3. Balok 5 kg di bidang miring licin dengan sudut 30°. Berapa percepatan dan gaya normalnya?
\( a = g \sin 30^\circ = 5 \) m/s². \( N = mg\cos 30^\circ = 50 \times 0{,}87 \approx 43 \) N.
4. Dua beban 3 kg dan 2 kg digantung pada katrol licin. Hitung percepatan dan tegangan tali.
\( a = \dfrac{(3 - 2)(10)}{5} = 2 \) m/s². \( T = 2(10 + 2) = 24 \) N.
5. Gaya gravitasi antara dua benda adalah F. Jika massa salah satu benda dijadikan 3 kali dan jaraknya dijadikan 2 kali, berapa gaya barunya?
\( F' = F \times \dfrac{3}{2^2} = \tfrac34 F \).
6. Percepatan gravitasi di permukaan Bumi 10 m/s². Berapa percepatan gravitasi pada ketinggian sama dengan jari-jari Bumi?
\( g' = g \left(\dfrac{R}{2R}\right)^2 = \tfrac14 \times 10 = 2{,}5 \) m/s².

🎯Latihan TKA untuk topik ini

Soal-soal berikut dari latihan TKA Fisika SMA menguji materi di halaman ini. Kerjakan langsung di halaman soal, lalu buka pembahasannya.

  • Paket 1 · Soal 8 PG — Mengidentifikasi fenomena lain yang menerapkan hukum Newton yang sama dengan fenomena yang disajikan.
  • Paket 1 · Soal 9 PGK Kategori — Menganalisis perubahan gaya normal pada orang di dalam lift untuk berbagai keadaan gerak.
  • Paket 2 · Soal 8 PG — Menentukan percepatan benda yang ditarik pada lantai kasar menggunakan hukum II Newton.
  • Paket 2 · Soal 9 PGK Kategori — Menganalisis percepatan dan tegangan tali pada sistem dua beban yang digantung pada katrol licin.