Membedah Soal Hukum Newton II: Aplikasi Dan Variasi

Hukum Newton II, yang menyatakan bahwa percepatan suatu benda berbanding lurus dengan gaya total yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya (F = ma), merupakan salah satu fondasi utama dalam mekanika klasik. Hukum ini memungkinkan kita untuk memahami dan memprediksi bagaimana benda akan bergerak ketika gaya bekerja padanya. Memahami hukum ini secara mendalam memerlukan latihan dengan berbagai contoh soal yang menguji kemampuan kita dalam mengidentifikasi gaya-gaya yang bekerja, menghitung gaya total, dan menerapkan persamaan F = ma.

Artikel ini akan membahas berbagai contoh soal Hukum Newton II, mulai dari soal sederhana hingga soal yang lebih kompleks, dengan tujuan untuk memperkuat pemahaman Anda tentang konsep ini dan meningkatkan kemampuan Anda dalam menyelesaikan masalah-masalah terkait. Setiap contoh soal akan dianalisis secara rinci, termasuk identifikasi gaya-gaya yang bekerja, penentuan gaya total, penerapan Hukum Newton II, dan interpretasi hasil.

Contoh Soal 1: Benda Bergerak pada Bidang Datar Licin

Soal: Sebuah balok bermassa 5 kg ditarik dengan gaya horizontal sebesar 20 N di atas bidang datar licin. Hitunglah percepatan balok tersebut.

Analisis:

1. Identifikasi Gaya:

   Also Read: Mengupas Tuntas Contoh Soal Psikotes: Panduan Lengkap Dengan Jawaban Dan Pembahasan
   • Gaya Tarik (F): 20 N (horizontal ke kanan)
   • Gaya Berat (w): mg = 5 kg * 9.8 m/s² = 49 N (vertikal ke bawah)
   • Gaya Normal (N): Gaya yang diberikan bidang datar pada balok, tegak lurus bidang (vertikal ke atas). Pada kasus bidang datar horizontal, gaya normal sama dengan gaya berat, yaitu 49 N.

2. Gaya Total: Karena bidang datar licin, tidak ada gaya gesek. Gaya total yang bekerja pada balok hanya gaya tarik horizontal (F).

3. Hukum Newton II: F = ma

4. Penyelesaian:

   Also Read: Menaklukkan Soal Isian Singkat UTBK 2024: Strategi, Contoh Soal, Dan Pembahasan Lengkap
   • 20 N = 5 kg * a
   • a = 20 N / 5 kg
   • a = 4 m/s²

Interpretasi: Percepatan balok adalah 4 m/s² ke arah gaya tarik. Ini berarti kecepatan balok akan bertambah sebesar 4 m/s setiap detiknya.

Contoh Soal 2: Benda Bergerak pada Bidang Datar Kasar

Soal: Sebuah balok bermassa 10 kg ditarik dengan gaya horizontal sebesar 50 N di atas bidang datar dengan koefisien gesek kinetik 0.2. Hitunglah percepatan balok tersebut.

Analisis:

1. Identifikasi Gaya:

   • Gaya Tarik (F): 50 N (horizontal ke kanan)
   • Gaya Berat (w): mg = 10 kg * 9.8 m/s² = 98 N (vertikal ke bawah)
   • Gaya Normal (N): 98 N (vertikal ke atas)
   • Gaya Gesek Kinetik (fk): μk N = 0.2 98 N = 19.6 N (horizontal ke kiri, berlawanan arah gerak)

2. Gaya Total: Gaya total adalah selisih antara gaya tarik dan gaya gesek kinetik. F_total = F – fk = 50 N – 19.6 N = 30.4 N

   Also Read: Mengupas Tuntas Energi Kinetik: Contoh Soal Dan Pembahasan Lengkap

3. Hukum Newton II: F_total = ma

4. Penyelesaian:

   • 30.4 N = 10 kg * a
   • a = 30.4 N / 10 kg
   • a = 3.04 m/s²

Interpretasi: Percepatan balok adalah 3.04 m/s² ke arah gaya tarik. Perhatikan bahwa percepatan ini lebih kecil dibandingkan dengan contoh sebelumnya karena adanya gaya gesek yang menghambat gerakan.

Contoh Soal 3: Benda Bergerak pada Bidang Miring Licin

Soal: Sebuah balok bermassa 2 kg meluncur menuruni bidang miring licin dengan sudut kemiringan 30 derajat terhadap horizontal. Hitunglah percepatan balok tersebut.

Analisis:

1. Identifikasi Gaya:

   • Gaya Berat (w): mg = 2 kg * 9.8 m/s² = 19.6 N (vertikal ke bawah)
   • Gaya Normal (N): Gaya yang diberikan bidang miring pada balok, tegak lurus bidang miring.
   • Komponen Gaya Berat: Gaya berat dapat diuraikan menjadi dua komponen:
     • wx: Komponen gaya berat yang sejajar dengan bidang miring = w sin(θ) = 19.6 N sin(30°) = 9.8 N
     • wy: Komponen gaya berat yang tegak lurus bidang miring = w cos(θ) = 19.6 N cos(30°) = 16.97 N

2. Gaya Total: Karena bidang miring licin, tidak ada gaya gesek. Gaya normal (N) mengimbangi komponen gaya berat yang tegak lurus bidang miring (wy), sehingga gaya total yang menyebabkan balok meluncur adalah komponen gaya berat yang sejajar bidang miring (wx). Jadi, F_total = wx = 9.8 N

3. Hukum Newton II: F_total = ma

   Also Read: Memahami Ikatan Kovalen: Contoh Soal Dan Pembahasannya

4. Penyelesaian:

   • 9.8 N = 2 kg * a
   • a = 9.8 N / 2 kg
   • a = 4.9 m/s²

Interpretasi: Percepatan balok adalah 4.9 m/s² menuruni bidang miring. Perhatikan bahwa percepatan ini lebih kecil dari percepatan gravitasi (9.8 m/s²) karena hanya sebagian dari gaya berat yang menyebabkan balok meluncur.

Contoh Soal 4: Benda Bergerak pada Bidang Miring Kasar

Soal: Sebuah balok bermassa 5 kg meluncur menuruni bidang miring dengan sudut kemiringan 45 derajat terhadap horizontal. Koefisien gesek kinetik antara balok dan bidang miring adalah 0.3. Hitunglah percepatan balok tersebut.

Analisis:

1. Identifikasi Gaya:

   Also Read: Efek Doppler: Memahami Perubahan Frekuensi Gelombang Dengan Contoh Soal
   • Gaya Berat (w): mg = 5 kg * 9.8 m/s² = 49 N (vertikal ke bawah)
   • Gaya Normal (N): Sama dengan komponen gaya berat yang tegak lurus bidang miring (wy).
   • Komponen Gaya Berat:
     • wx: w sin(θ) = 49 N sin(45°) = 34.65 N
     • wy: w cos(θ) = 49 N cos(45°) = 34.65 N
   • Gaya Gesek Kinetik (fk): μk N = μk wy = 0.3 * 34.65 N = 10.395 N (sejajar bidang miring, berlawanan arah gerak)

2. Gaya Total: Gaya total adalah selisih antara komponen gaya berat yang sejajar bidang miring (wx) dan gaya gesek kinetik (fk). F_total = wx – fk = 34.65 N – 10.395 N = 24.255 N

3. Hukum Newton II: F_total = ma

4. Penyelesaian:

   Also Read: Contoh Soal Psikotes Polri 2024: Panduan Lengkap Dan Strategi Sukses
   • 24.255 N = 5 kg * a
   • a = 24.255 N / 5 kg
   • a = 4.851 m/s²

Interpretasi: Percepatan balok adalah 4.851 m/s² menuruni bidang miring. Percepatan ini lebih kecil dibandingkan dengan bidang miring licin karena adanya gaya gesek yang menghambat gerakan.

Contoh Soal 5: Sistem Dua Benda Terhubung Tali

Soal: Dua balok, A (massa 2 kg) dan B (massa 3 kg), terhubung oleh tali ringan yang melewati katrol licin. Balok A berada di atas bidang datar licin dan balok B tergantung bebas. Hitunglah percepatan sistem dan tegangan tali.

Analisis:

1. Identifikasi Gaya:

   • Balok A:
     • Tegangan Tali (T): Gaya yang menarik balok A ke kanan.
     • Gaya Berat (wA): 2 kg * 9.8 m/s² = 19.6 N (vertikal ke bawah)
     • Gaya Normal (NA): 19.6 N (vertikal ke atas)
   • Balok B:
     • Tegangan Tali (T): Gaya yang menarik balok B ke atas.
     • Gaya Berat (wB): 3 kg * 9.8 m/s² = 29.4 N (vertikal ke bawah)

2. Hukum Newton II untuk Setiap Benda:

   Also Read: Bedah Tuntas Contoh Soal UTBK Literasi Bahasa Indonesia: Panduan Belajar Dan Strategi Mengerjakan
   • Balok A: T = mA * a (Persamaan 1)
   • Balok B: wB – T = mB * a (Persamaan 2) (Perhatikan bahwa kita menganggap arah ke bawah sebagai positif untuk balok B)

3. Penyelesaian:

   • Substitusikan Persamaan 1 ke Persamaan 2: wB – (mA a) = mB a
   • 29.4 N – (2 kg a) = 3 kg a
   • 29.4 N = 5 kg * a
   • a = 29.4 N / 5 kg = 5.88 m/s²
   • Substitusikan nilai a ke Persamaan 1: T = 2 kg * 5.88 m/s² = 11.76 N

Interpretasi: Percepatan sistem adalah 5.88 m/s². Balok A dipercepat ke kanan dan balok B dipercepat ke bawah dengan percepatan yang sama. Tegangan tali adalah 11.76 N.

Contoh Soal 6: Sistem Dua Benda Terhubung Tali dengan Gesekan

Soal: Dua balok, A (massa 4 kg) dan B (massa 2 kg), terhubung oleh tali ringan yang melewati katrol licin. Balok A berada di atas bidang datar dengan koefisien gesek kinetik 0.2 dan balok B tergantung bebas. Hitunglah percepatan sistem dan tegangan tali.

Analisis:

1. Identifikasi Gaya:

   Also Read: 7 Rekomendasi Laptop Untuk Programmer Dibawah 7 Juta
   • Balok A:
     • Tegangan Tali (T): Gaya yang menarik balok A ke kanan.
     • Gaya Berat (wA): 4 kg * 9.8 m/s² = 39.2 N (vertikal ke bawah)
     • Gaya Normal (NA): 39.2 N (vertikal ke atas)
     • Gaya Gesek Kinetik (fk): μk NA = 0.2 39.2 N = 7.84 N (horizontal ke kiri)
   • Balok B:
     • Tegangan Tali (T): Gaya yang menarik balok B ke atas.
     • Gaya Berat (wB): 2 kg * 9.8 m/s² = 19.6 N (vertikal ke bawah)

2. Hukum Newton II untuk Setiap Benda:

   • Balok A: T – fk = mA * a (Persamaan 1)
   • Balok B: wB – T = mB * a (Persamaan 2)

3. Penyelesaian:

   • Substitusikan Persamaan 1 ke Persamaan 2: wB – (fk + mA a) = mB a
   • 19.6 N – (7.84 N + 4 kg a) = 2 kg a
   • 11.76 N = 6 kg * a
   • a = 11.76 N / 6 kg = 1.96 m/s²
   • Substitusikan nilai a ke Persamaan 1: T – 7.84 N = 4 kg * 1.96 m/s²
   • T = 7.84 N + 7.84 N = 15.68 N

Interpretasi: Percepatan sistem adalah 1.96 m/s². Tegangan tali adalah 15.68 N. Perhatikan bahwa percepatan sistem lebih kecil dibandingkan dengan contoh sebelumnya karena adanya gaya gesek pada balok A.

Kesimpulan:

Contoh-contoh soal di atas menggambarkan berbagai aplikasi Hukum Newton II dalam berbagai situasi. Kunci untuk menyelesaikan soal-soal ini adalah:

• Identifikasi Gaya dengan Cermat: Gambarlah diagram benda bebas untuk memvisualisasikan gaya-gaya yang bekerja pada benda.
• Tentukan Gaya Total: Hitung gaya total yang bekerja pada benda, dengan mempertimbangkan arah dan besarnya setiap gaya.
• Terapkan Hukum Newton II (F = ma): Substitusikan nilai gaya total dan massa ke dalam persamaan untuk mencari percepatan.
• Interpretasikan Hasil: Pahami makna fisik dari percepatan yang Anda hitung.

Dengan berlatih menyelesaikan berbagai jenis soal, Anda akan semakin mahir dalam menerapkan Hukum Newton II untuk memecahkan masalah-masalah dalam mekanika. Ingatlah untuk selalu memperhatikan arah gaya, unit satuan, dan konsep-konsep dasar fisika yang terkait. Semoga artikel ini bermanfaat bagi Anda dalam memahami dan menguasai Hukum Newton II.