Dalam dunia fisika, Hukum Newton adalah pilar fundamental yang menjelaskan bagaimana benda bergerak dan berinteraksi. Di antara ketiga hukum tersebut, Hukum Newton 2 memegang peranan krusial dalam memahami hubungan antara gaya, massa, dan percepatan. Bagi siswa kelas 10, menguasai konsep ini bukan hanya sekadar menghafal rumus, tetapi juga melatih kemampuan analisis dan pemecahan masalah. Artikel ini akan mengupas tuntas contoh-contoh soal Hukum Newton 2 yang sering ditemui di bangku sekolah, lengkap dengan penjelasan mendalam untuk memperjelas pemahaman Anda.
Hukum Newton 2: Inti dari Gerak Benda
Sebelum menyelami contoh soal, mari kita ingat kembali esensi dari Hukum Newton 2. Hukum ini menyatakan bahwa percepatan sebuah benda berbanding lurus dengan gaya total yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya. Secara matematis, dirumuskan sebagai:
∑F = m.a
Dimana:
- ∑F (Sigma F) adalah resultan gaya yang bekerja pada benda (dalam satuan Newton, N).
- m adalah massa benda (dalam satuan kilogram, kg).
- a adalah percepatan benda (dalam satuan meter per sekon kuadrat, m/s²).
Rumus ini adalah kunci untuk menyelesaikan berbagai permasalahan gerak. Penting untuk diingat bahwa ∑F adalah resultan gaya, artinya kita perlu menjumlahkan semua gaya yang bekerja pada benda dengan memperhatikan arahnya. Jika gaya-gaya bekerja searah, maka dijumlahkan. Jika berlawanan arah, maka dikurangi.
Pentingnya Analisis Gaya
Sebelum menerapkan rumus, langkah terpenting adalah mengidentifikasi semua gaya yang bekerja pada benda. Ini seringkali dilakukan dengan membuat diagram benda bebas (Free Body Diagram – FBD). FBD adalah gambar sederhana yang merepresentasikan benda sebagai titik atau kotak, dan semua gaya yang bekerja padanya digambarkan sebagai vektor yang keluar dari titik tersebut. Gaya-gaya umum yang sering muncul meliputi:
- Gaya Berat (W atau Fg): Gaya gravitasi yang menarik benda ke bawah, dihitung dengan W = m.g, di mana g adalah percepatan gravitasi (sekitar 9.8 m/s² atau dibulatkan menjadi 10 m/s² untuk kemudahan perhitungan).
- Gaya Normal (N atau Fn): Gaya reaksi dari permukaan yang tegak lurus terhadap permukaan benda.
- Gaya Tegangan Tali (T): Gaya yang diberikan oleh tali ketika ditarik.
- Gaya Gesek (f atau Ff): Gaya yang melawan arah gerak, terjadi ketika dua permukaan bersentuhan. Ada dua jenis utama:
- Gaya Gesek Statis (fs): Mencegah benda mulai bergerak.
- Gaya Gesek Kinetis (fk): Terjadi ketika benda sudah bergerak. Nilainya biasanya lebih kecil dari gaya gesek statis maksimum.
- Gaya Luar (F): Gaya yang diberikan secara sengaja, seperti mendorong atau menarik.
Contoh Soal 1: Gerak Horizontal pada Permukaan Datar
Soal: Sebuah balok bermassa 5 kg ditarik mendatar di atas lantai horizontal dengan gaya sebesar 20 N. Jika gaya gesek kinetis antara balok dan lantai adalah 10 N, berapakah percepatan balok tersebut?
Pembahasan:
-
Identifikasi Gaya:
- Gaya Tarik (F) = 20 N (arah ke kanan, misalnya)
- Gaya Gesek Kinetis (fk) = 10 N (arah berlawanan dengan gaya tarik, ke kiri)
- Gaya Berat (W) = m.g = 5 kg * 10 m/s² = 50 N (arah ke bawah)
- Gaya Normal (N) = ? (arah ke atas)
Pada sumbu vertikal, balok tidak bergerak, sehingga resultan gaya vertikal adalah nol. Ini berarti gaya normal akan menyeimbangkan gaya berat. N = W = 50 N. Namun, untuk perhitungan percepatan horizontal, kita hanya memerlukan gaya yang bekerja pada sumbu horizontal.
-
Hitung Resultan Gaya Horizontal (∑Fx):
Gaya tarik dan gaya gesek bekerja berlawanan arah.
∑Fx = F – fk
∑Fx = 20 N – 10 N
∑Fx = 10 N -
Terapkan Hukum Newton 2:
∑Fx = m.a
10 N = 5 kg * a -
Hitung Percepatan (a):
a = 10 N / 5 kg
a = 2 m/s²
Jawaban: Percepatan balok tersebut adalah 2 m/s².
Contoh Soal 2: Gerak Vertikal dengan Tali
Soal: Sebuah ember bermassa 2 kg digantung pada langit-langit menggunakan seutas tali. Jika percepatan gravitasi bumi adalah 10 m/s², berapakah gaya tegangan tali yang bekerja pada ember?
Pembahasan:
-
Identifikasi Gaya:
- Gaya Berat (W) = m.g = 2 kg * 10 m/s² = 20 N (arah ke bawah)
- Gaya Tegangan Tali (T) = ? (arah ke atas)
Ember dalam keadaan diam, sehingga percepatannya adalah 0 m/s².
-
Hitung Resultan Gaya Vertikal (∑Fy):
Gaya tegangan tali dan gaya berat bekerja berlawanan arah. Karena ember diam, resultan gayanya adalah nol.
∑Fy = T – W = 0
T = W -
Terapkan Hukum Newton 2:
∑Fy = m.a
T – W = m * 0
T – W = 0
T = W -
Hitung Gaya Tegangan Tali (T):
T = 20 N
Jawaban: Gaya tegangan tali yang bekerja pada ember adalah 20 N.
Contoh Soal 3: Gerak Vertikal dengan Percepatan
Soal: Sebuah lift bermassa 1000 kg bergerak ke atas dengan percepatan 2 m/s². Berapakah gaya tegangan tali yang menahan lift tersebut? (g = 10 m/s²)
Pembahasan:
-
Identifikasi Gaya:
- Gaya Berat (W) = m.g = 1000 kg * 10 m/s² = 10000 N (arah ke bawah)
- Gaya Tegangan Tali (T) = ? (arah ke atas)
- Percepatan (a) = 2 m/s² (arah ke atas)
-
Hitung Resultan Gaya Vertikal (∑Fy):
Karena lift bergerak ke atas, gaya tegangan tali lebih besar dari gaya berat.
∑Fy = T – W -
Terapkan Hukum Newton 2:
∑Fy = m.a
T – W = m.a
T = W + m.a -
Hitung Gaya Tegangan Tali (T):
T = 10000 N + (1000 kg * 2 m/s²)
T = 10000 N + 2000 N
T = 12000 N
Jawaban: Gaya tegangan tali yang menahan lift tersebut adalah 12000 N.
Contoh Soal 4: Dua Benda Dihubungkan Tali
Soal: Dua balok, A bermassa 3 kg dan B bermassa 2 kg, dihubungkan dengan tali ringan dan ditarik mendatar di atas permukaan licin (tanpa gesekan) dengan gaya 25 N. Berapakah percepatan sistem dan tegangan tali yang menghubungkan kedua balok?
Pembahasan:
-
Analisis Sistem: Kita dapat memperlakukan kedua balok sebagai satu sistem karena mereka bergerak bersama dengan percepatan yang sama.
- Massa total sistem (m_total) = massa A + massa B = 3 kg + 2 kg = 5 kg.
- Gaya luar yang bekerja pada sistem adalah gaya tarik 25 N.
-
Hitung Percepatan Sistem (a):
Menggunakan Hukum Newton 2 untuk sistem:
∑F = m_total a
25 N = 5 kg a
a = 25 N / 5 kg
a = 5 m/s² -
Hitung Tegangan Tali (T):
Sekarang, kita tinjau salah satu balok secara terpisah. Mari kita tinjau balok B (yang ditarik oleh tali).- Gaya yang bekerja pada balok B adalah tegangan tali (T) yang menariknya ke arah gerak.
- Massa balok B (m_B) = 2 kg.
- Percepatan balok B (a) = 5 m/s² (sama dengan percepatan sistem).
Terapkan Hukum Newton 2 pada balok B:
∑F_B = m_B a
T = m_B a
T = 2 kg * 5 m/s²
T = 10 NAlternatif: Meninjau balok A.
Gaya yang bekerja pada balok A adalah gaya tarik 25 N (ke kanan) dan tegangan tali (T) yang menariknya ke kiri.
∑F_A = F_tarik – T
m_A a = F_tarik – T
3 kg 5 m/s² = 25 N – T
15 N = 25 N – T
T = 25 N – 15 N
T = 10 N
Hasilnya sama, yang menunjukkan konsistensi.
Jawaban: Percepatan sistem adalah 5 m/s² dan tegangan tali yang menghubungkan kedua balok adalah 10 N.
Contoh Soal 5: Gerak pada Bidang Miring
Soal: Sebuah balok bermassa 4 kg diletakkan pada bidang miring yang membentuk sudut 30° terhadap horizontal. Jika koefisien gesek kinetis antara balok dan bidang miring adalah 0.2, berapakah percepatan balok saat mulai meluncur ke bawah? (g = 10 m/s²)
Pembahasan:
-
Dekomposisi Gaya: Pada bidang miring, gaya berat (W) perlu diuraikan menjadi dua komponen:
- Komponen sejajar bidang miring (W_paralel) = W * sin(θ) = m.g.sin(θ)
- Komponen tegak lurus bidang miring (W_tegak lurus) = W * cos(θ) = m.g.cos(θ)
Gaya-gaya lain yang bekerja:
- Gaya Normal (N): Tegak lurus terhadap bidang miring. Dalam kasus ini, N akan menyeimbangkan W_tegak lurus.
- Gaya Gesek Kinetis (fk): Melawan arah gerak, yaitu ke atas sepanjang bidang miring. fk = μk * N.
-
Hitung Komponen Gaya dan Gaya Normal:
- W_paralel = 4 kg 10 m/s² sin(30°) = 40 N * 0.5 = 20 N (menarik balok ke bawah)
- W_tegak lurus = 4 kg 10 m/s² cos(30°) = 40 N (√3/2) ≈ 40 N 0.866 ≈ 34.64 N (menekan bidang miring)
- Gaya Normal (N) = W_tegak lurus ≈ 34.64 N (karena tidak ada gerakan tegak lurus bidang)
- Gaya Gesek Kinetis (fk) = μk N = 0.2 34.64 N ≈ 6.93 N (melawan arah gerak)
-
Hitung Resultan Gaya Sejajar Bidang Miring (∑F_paralel):
Gaya yang menarik balok ke bawah adalah W_paralel, dan gaya gesek melawannya.
∑F_paralel = W_paralel – fk
∑F_paralel = 20 N – 6.93 N
∑F_paralel ≈ 13.07 N -
Terapkan Hukum Newton 2:
∑F_paralel = m.a
13.07 N = 4 kg * a -
Hitung Percepatan (a):
a = 13.07 N / 4 kg
a ≈ 3.27 m/s²
Jawaban: Percepatan balok saat mulai meluncur ke bawah adalah sekitar 3.27 m/s².
Kesimpulan
Memahami Hukum Newton 2 adalah fondasi penting dalam mempelajari mekanika. Melalui contoh-contoh soal ini, kita telah melihat bagaimana analisis gaya yang cermat dan penerapan rumus ∑F = m.a dapat membantu kita menyelesaikan berbagai permasalahan gerak. Kunci utamanya adalah:
- Identifikasi semua gaya yang bekerja pada benda.
- Buatlah diagram benda bebas (FBD) jika diperlukan.
- Hitung resultan gaya (∑F) dengan memperhatikan arahnya.
- Terapkan rumus ∑F = m.a dengan satuan yang konsisten.
Teruslah berlatih dengan berbagai variasi soal untuk memperdalam pemahaman Anda. Dengan ketekunan, Anda akan mampu menguasai Hukum Newton 2 dan menerapkannya dalam berbagai situasi fisika yang menarik.