12
SCIE6004 - Physics ! LECTURE NOTES Physics 1 Week 3 Force and Motion

Fisika (Force and Motion-1)

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Force

Citation preview

Page 1: Fisika (Force and Motion-1)

SCIE6004 - Physics !

LECTURE NOTES

Physics 1

Week 3

Force and Motion

Page 2: Fisika (Force and Motion-1)

SCIE6004 - Physics !

LEARNING OUTCOMES

1. Peserta diharapkan mampu menjelaskan gaya dan gerak dan aplikasinya (C2).

OUTLINE MATERI (Sub-Topic):

1. Hukum Newton I

2. Gaya

3. Hukum newton II

4. Hukum newton III

5. Penerapan Hukum-hukum Newton

6. Gaya gesekan

7. Gerak melingkar beraturan

Page 3: Fisika (Force and Motion-1)

SCIE6004 - Physics !

GAYA DAN GERAK

Pada sesi ini akan dibahas mengenai gaya dan gerak, yang disebut juga sebagai

dinamika, yaitu mempelajari penyebab benda bergerak, dalam hal ini gaya yang bekerja pada

sebuah benda.

Mempelajari hubungan antara gaya dan percepatan suatu benda disebut Mekanika

Newton.

Mekanika Newton ini tidak berlaku untuk semua kondisi, seperti:

Gerak relavistik, dimana kecepatan benda mendekati kecepatan cahaya.

Gerak partikel berskala atom, seperti gerak elektron mengelilingi inti atom.

1. Hukum Newton I

Hukum Newton I: bila tidak ada gaya (gangguan) bekerja pada suatu benda,

kecepatan benda tidak dapat berubah. Artinya: bila benda dalam keadaan diam benda

tetap akan diam, dan bila benda sedang bergerak, benda akan melanjutkan geraknya

dengan kecepatan yang sama (gerak lurus berutaran) bila tidak ada gaya luar yang

bekerja pada benda.

2. Gaya

Gaya yang bekerja pada suatu benda diukur dengan percepatan yang

dihasilkannya pada benda tersebut.

Gaya merupakan suatu besaran vektor, yang mempunya besar dan arah.

Jika dua atau lebih gaya bekerja pada benda, maka gaya total pada benda

diperoleh dengan menjumlahkan secara vektor semua gaya-gaya tersebut.

Hukum Newton I, jika gaya total pada benda adalah nol, kecepatan benda akan

tetap , berarti benda tidak mengalami percepatan.

Page 4: Fisika (Force and Motion-1)

SCIE6004 - Physics !

Dalam SI, satuan gaya adalah: Newton (=N), 1 N= 1 kg.m/s2.

Benda bermassa 1 kg akan mengalami percepatan 1 m/s2 bila dikenai gaya 1 N.

Gaya Berat (gaya gravitasional)

Berat suatu benda adalah gaya gravitasional yang dilakukan bumi pada benda.

Karena berat merupakan suatu gaya, maka berat merupakan suatu besaran vektor yang

mempunyai besar dan arah.

Gaya berat besarnya: Fg (=W)=m.g, dan berarah vertikal ke bawah menuju pusat bumi.

Dimana g =9,8 m/s2 merupakan percepatan gravitasi bumi yang selalu menuju pusat bumi.

3. Hukum Newton II

Percepatan suatu benda /partikel adalah sama dengan resultan gaya luar (gaya

total) dibagi dengan massa benda tersebut.

aa FF

m. m /

Karena gaya merupakan suatu besaran vektor, maka gaya dapat diuraikan atas komponen-

komponennya, yaitu:

ΣFx =m.ax ; ΣFy = m.ay ; ΣFz = m.az (tiga dimensi)

Satuan Yang digunakan Pada Hukum Newton II

Sistem Satuan Gaya Massa Percepatan

SI Newton (N) kilogram (kg) m/s2

cgs dyne gram (gr) cm/s2

BE Pound (lb) slug ft/s2

1 dyne = 1 g.m/s2 ; 1 lb = 1 slug.ft/s2 ; 1 N = 105 dyne = 0,2248 lb

Page 5: Fisika (Force and Motion-1)

SCIE6004 - Physics !

4. Hukum Newton III

Gaya yang diadakan pada suatu benda (gaya akasi) akan menimbulkan gaya

lain (gaya reaksi) yang sama besarnya tapi berlawanan tanda. Dengan kata lain, setiap

aksi akan selalu ada reaksi yang besarnya sama tapi berlawanan.

reaksiaksi FF

Contoh dari gaya reaksi ini adalah gaya normal (FN), yaitu gaya reaksi dari sebuah

permukaan atas benda yang memberikan gaya tekan pada permukaan. Gaya normal

berlawanan arah dengan gaya tekan, dan selalu tegak lurus permukaan.

5. Penerapan Hukum-hukum Newton

Langkah Dalam Penerapan Hukum-Hukum Newton

(1) Kenali semua gaya yang bekerja pada benda

(2) Buat diagram benda bebas dari gaya-gaya yang bekerja pada benda

(3) Uraikan gaya-gaya tersebut atas komponen-komponennya

(4) Jumlahkan masing-masing komponen gaya

(5) Terapkan hukum Newton pada masing-masing komponen gaya

Contoh

Balok S, massa M=3,3 kg. Balok S bebas bergerak pada

permukaan horizontal, tanpa gesekan. Balok S

dihubungkan dengan balok H m=2,1 kg bermassa , yang tergantung vertikal,

menggunakan tali dan melalui katrol. Massa tali serta massa dan gesekan

katrol diabaikan. Sewaktu balok H meluncur turun, balok S meluncur ke kanan.

block S

M

m

gHF

gSF

NF

T

T

Page 6: Fisika (Force and Motion-1)

SCIE6004 - Physics !

Tentukan :

a. Percepatan balok S

b. Percepatan blok H

c. Tegangan pada (gaya) tali

Jawab

Gaya-gaya yang bekerja pada balok S:

- Gaya berat Fg,S

- Gaya normal FN,S

- Tegangan tali T

Gaya-gaya yang bekerja pada balok S:

- Gaya berat Fg,H

- Tegangan tali T

Buat diagram benda bebas untuk kedua balok.

Tegangan tali pada setiap titik adalah sama, jadi tegangan tali pada kedua balok adalah sama

Balok S

Karena gaya pada balok S terletak pada sumbu x dan sumbu y, maka tidak perlu lagi

diuraikan atas komponen-komponennya. Karena balok S tidak bergerak dalam arah sumbu y,

maka : Fg,S - FN,S = 0 --> Fg,S = FN,S

Dalam sumbu x: Hanya ada gaya T , maka : T =M a = 3,3 a ....... (1)

Balok H

Balok H bergerak vertikal ke bawah, karena balok S dan H dihubungkan dengan tali, maka

percepatan kedua balok adalah sama.

Ambil arah gerak balok H sebagai arah positif, maka: -T +Fg,H = ma

atau : T=Fg,H - ma =mg-ma=m(g-a)=2,1 (9,8-a) = 20,6-2,1a ....... (2)

Dari persamaan (1) dan (2) : 3,3 a = 20,6-2,1a --> 5,4 a = 20,6

(a

)

(b)

y y

block H

m

a Block S

a

M

(a) Diagram benda

bebas

untuk balok S

(b) Diagram benda

bebas

untuk balok H

NF

gHF

gSF

T

T

Page 7: Fisika (Force and Motion-1)

SCIE6004 - Physics !

Maka : a=20,6/5,4 = 3,81 m/s2

a) Percepatan balok S ; a = 3,81 m/s2

;

b) Percepatan balok H ; a = 3,81 m/s2

c) Tegangan tali : T = Ma =(3,3) (3,81) = 12,6 N , dibulatkan menjadi T = 13 N

6. Gaya Gesekan ( f )

Gaya gesekan adalah sangat umum ditemukan dalam kehidupan sehari-hari,

kendaraan dapat berhenti karena ada gesekan antara ban dengan jalan, pulpen dapat dipegang

untuk menulis karena gesekan antara jari dengan pulpen.

Gaya gesekan merupakan gaya perlawanan yang arahnya selalu berlawanan dengan arah/

kecenderungan arah gerak benda.

Gaya gesekan muncul antara dua benda (antara dua permukaan benda) yang saling

bersinggungan.

Gaya Gesekan Statik ( fS )

Merupakan gaya gesekan antara dua benda yang relatif diam yang satu terhadap

lainnya. Keduanya dapat bergerak bersama-sama dengan kecepatan dan arah yang sama.

Besar gaya gesekan statik : fS ≤ μS FN

μS : koefisien gesekan statik, yang merupakan fungsi dari kondisi permukaan benda

yang bersinggungan.

FN : gaya normal, selalu tegak lurus permukaan benda yang bersinggungan.

Simbul gaya normal yang juga sering digunakan adalah N

fS,max = μS FN : pada saat benda mulai akan bergerak satu terhadap lainnya.

Page 8: Fisika (Force and Motion-1)

SCIE6004 - Physics !

Gaya Gesekan Kinetik( fk )

Merupakan gaya gesekan antara dua benda yang relatif bergerak yang satu terhadap lainnya.

Besar gaya gesekan kinetik adalah : fk = μkFN μk : koefisien gesekan kinetik

Perlu dicatat bahwa hubungan gaya gesekan dengan gaya normal dalam persamaan gaya

gesekan adalah hubungan dalam besarnya. Sedangkan arahnya, gaya normal tegak lurus

terhadap gaya gesekan.

Beberapa Contoh Dalam menentukan Gaya Normal (FN )

(1) Benda berada pada bidang datar (horizontal).

NF

FN = mg

X

gm

(2) Benda berada pada bidang datar dan dikenai gaya T yang membentuk sudut θ

terhadap horizontal

NF

T

FN = mg - T sinθ

θ

X

gm

Page 9: Fisika (Force and Motion-1)

SCIE6004 - Physics !

3. Benda berada pada bidang datar dan didorong dengan gaya T , gaya T membentuk

sudut θ terhadap sumbu x negatif (lihat gambar).

T

NF

FN = mg + T sinθ

θ

X

gm

4. Benda berada pada bidang miring, bidang miring membentuk sudut θ terhadap

horizontal. NF

FN = mg Cosθ

θ gm

θ Cosθ gm

7. Gerak Melingkar Beraturan

Sebagaimana yang sudah dibahas pada sesi sebelumnya, bahwa pada gerak

melingkar beraturan terdapat percepatan sentripetal yang besar : aR=V2/ R.

Sesuai dengan hukum Newton II, maka benda bermassa m dan melakukan gerak

melingkar beraturan, terdapat gaya, yang disebut gaya sentripetal yang berarah ke

pusat lintasan, dan besarnya: FR=mV2 / R.

Page 10: Fisika (Force and Motion-1)

SCIE6004 - Physics !

SIMPULAN

1. Gaya diukur dari percepatan benda yang dihasilkannya.

2. Hukum-hukum Newton;

Hukum Newton I: Benda diam akan tetap diam, dan benda yang sedang bergerak akan

tetap bergerak dengan kecepatan yang sama, bila tidak terdapat gaya luar yang bekerja

padanya.

Hukum Newton II: memberikan hubungan antara gaya dan percepatan benda yang

dihasilkannya. F= m a

Hukum Newton III: Menyatakan hubungan antara gaya aksi dan gaya reaksi, setiap

gaya aksi akan selalu terdapat gaya reaksi yang besarnya sama tapi berlawanan arah.

3. Berat sebuah benda adalah gaya gravitasi yang bekerja padanya, besarnya adalah :

Fg (W) = mg

4. Langkah-langkah dalam penyelesaian soal-soal dinamaik:

Kenali semua gaya yang bekerja pada benda

Buat diagram benda bebas dari gaya-gaya yang bekerja pada benda

Uraikan gaya-gaya tersebut atas komponen-komponennya

Jumlahkan masing-masing komponen gaya

Terapkan hukum Newton pada masing-masing komponen gaya

5. Gaya gesekan bekerja pada permukaan dua benda yang bersinggungan, dan arahnya selalu

berlawanan dengan arah gerak benda.

Gaya gesekan statik bekerja antara dua permukaan benda yang relatif diam satu

terhadap yang lainnya. Besar gaya gesekan stattik: fS ≤ μSFN ; dan saat mulai

akan bergerak relatif : fS = μSFN ; FN : gaya normal

Page 11: Fisika (Force and Motion-1)

SCIE6004 - Physics !

Gaya gesekan kinetik bekerja pada permukaan dua benda yang relatif bergerak

yang satu tehadap yang lainnya. Besar gaya gesekan kinetik: fk = μkFN .

7. Pada benda, yang melakukan gerak melingkar beraturan, bekerja gaya sentripetal yang

berarah ke pusat lintasan, yang besarnya: FR = V2/ R ; R = jari-jari lintasan

Page 12: Fisika (Force and Motion-1)

SCIE6004 - Physics !

DAFTAR PUSTAKA

1. Principles of Physics, Extended, chapter 5-6

2. http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/history/newton3laws.html

3. http://www.virginia.edu/ep/SurfaceScience/friction.html