BAB I. PENDAHULUAN
F. Manfaat Penelitian
7. Mata Pelajaran Fisika
Cakupan materi fisika di tingkat SMK meliputi : 1) Mekanika,yang memuat bahasan kinematika, dinamika, elastisitas dan fluida. 2) Kalor, yang memuat suhu, perpindahan kalor, pemuaian, perubahan wujud zat, teori kinetik gas dan thermodinaika. 3) Getaran, gelombang mekanik, gelombang elektromagnetik dan gelombang bunyi. 4) Listrik yang meliputi listrik statis, listrik dinamis dan sumber arus searah. 5) Magnet yang meliputi medan magnet dan induksi elektromagnetik. 6) Arus dan tegangan bolak-balik. 7) Optik dan alat- alat optik yang meliputi refleksi, difraksi, dispersi dan interferensi. 8) Fisika
commit to user
lxxiv
modern yang meliputi teori atom, teori relativitas, zat padat dan piranti semi konduktor.
Dari sekian banyak cakupan materi fisika, peneliti mengambil materi pada bahasan dinamika gerak lurus yang diajarkan di kelas X semester 1 SMK yang berkaitan dengan Hukum-hukum Newton dan penerapannya. Adapun materi dinamika gerak lurus yang diajarkan adalah sebagai berikut:
a. Konsep Gaya
Jika seseorang mendorong sebuah meja, menarik sebuah balok dengan tali atau memukul sebuah kaleng maka meja dan balok tersebut akan bergerak sedangkan kaleng tersebut akan penyok (berubah bentuk). Jadi gaya adalah suatu dorongan atau tarikan yang menyebabkan suatu benda mengalami gerak atau berubah bentuk. Salah satu cara untuk mengukur besarnya gaya adalah dengan menggunakan neraca pegas. Gaya diberi notasi F dan satuan gaya adalah Newton (N). Gaya merupakan besaran vektor yaitu besaran yang memiliki besar dan arah. Fisikawan mengenal empat gaya di alam yang disebut gaya-gaya fundamental yaitu : 1) Gaya gravitasi. 2) Gaya elektromagnetik. 3) Gaya nuklir kuat. 4) Gaya nuklir lemah.
Gaya gravitasi adalah gaya yang bekerja antara bumi dengan sebuah benda yang berada di dekat permukaan bumi, gaya ini disebut berat benda. Gaya gravitasi juga bekerja antara matahari dengan bumi dan planet planet yang lain. Gaya electromagnet meliputi gaya listrik dan gaya magnet. Gaya nuklir kuat dan lemah bekerja diantara partikel-partikel yang terpisah di dalam ruang.
commit to user
lxxv
Dalam mekanika dikenal empat gaya populer, antara lain berat benda, gaya gesek, tegangan tali dan gaya normal. Berat benda adalah gaya yang dialami oleh suatu benda karena pengaruh gaya tarik bumi yang arahnya menuju pusat bumi. Gaya gesek adalah gaya yang dialami oleh suatu benda yang bergerak di atas lintasan yang kasar, yang arahnya selalu berlawanan dengan arah gerak benda. Tegangan tali adalah gaya yang bekerja pada tali jika suatu benda digantung dengan tali karena pengaruh dari gaya berat. Dan gaya normal adalah gaya yang arahnya selalu tegak lurus dengan bidang benda berada.
b. Hukum-hukum Newton Tentang Gerak
1). Hukum I Newton (Hukum Kelembaman)
Hukum ini menyatakan bahwa suatu benda akan cenderung mempertahankan keadaan diam atau bergerak lurus beraturan jika tidak ada gaya yang bekerja pada benda tersebut atau gaya total yang bekerja pada benda tersebut sama dengan nol. Atau dikatakan bahwa benda yang diam akan tetap diam dan benda yang bergerak lurus dengan kecepatan tetap akan tetap bergerak lurus dengan kecepatan tetap. Pernyataan Hukum I Newton ini secara matematis dapat dituliskan sebagai:
∑ F = 0
………..(2.1)
Persamaan (2.1) menyatakan bahwa jumlah dari semua gaya yang bekerja sama dengan nol.
commit to user
lxxvi
Hukum ini menyatakan bahwa resultan gaya yang bekerja pada suatu benda akan menghasilkan percepatan yang arahnya sama dengan arah resultan gaya tersebut dan berbanding lurus dengan besar gaya dan berbanding terbalik dengan massa benda. Atau dapat dikatakan bahwa percepatan suatu benda dengan resultan gaya dan berbanding terbalik dengan massanya. Secara matematis dituliskan sebagai :
a = ∑ F / m atau ∑ F = m.a
………..(2.2)
Persamaan (2.2) menyatakan bahwa jika gaya dinyatakan dalam satuan Newton, massa dalam satuan kg dan percepatan dalam satuan meter per detik. Semakin besar massa benda maka semakin besar gaya yang diperlukan dan semakin besar percepatan suatu benda maka gaya yang diperlukan juga akan semakin besar Hukum II Newton ini dapat pula dinyatakan dengan laju perubahan momentum sebuah benda yang bergerak sebanding dan searah dengan gaya yang mempengaruhinya dan diformulasikan sebagai:
F = d(mv) / dt
………..………(2.3) Persamaan (2.3)
menyatakan bahwa gaya merupakan turunan dari fungsi momentum suatu benda terhadap waktu. Jika massa benda adalah tetap maka:
F = m dv/dt
………….………..(2.4)
Persamaan (2.4) menyatakan bahwa gaya merupakan hasil kali antara massa benda dengan turunan fungsi kecepatan suatu benda terhadap waktu.
commit to user
lxxvii 3). Hukum III Newton
Hukum III Newton disebut juga sebagai hukum aksi-reaksi, karena hukum ini membahas tentang gaya reaksi yang disebabkan oleh gaya aksi. Syarat berlakunya hukum III Newton ini adalah gaya aksi-reaksi harus bekerja pada dua benda yang berlainan dan arah kedua gaya tersebut adalah berlawanan. Hukum ini menyatakan jika suatu benda mengerjakan gaya pada benda lain, maka benda yang kedua ini akan mengerjakan gaya pada benda pertama yang besarnya sama dan arahnya berlawanan. Secara matematis dituliskan sebagai:
Faksi = -Freaksi ………. (2.5) Persamaan (2.5) menyatakan bahwa besarnya gaya reaksi sama dengan besarnya gaya aksi. Tanda negatif menyatakan bahwa arah gaya reaksi berlawanan dengan arah gaya aksi.
c. Penerapan hukum-hukum Newton
1) Benda di atas bidang datar licin, dipengaruhi gaya yang membentuk sudut tertentu terhadap arah gerak benda.
Percepatan sistem:
Σ F = ma
Fcos α = ma` Gambar 2.1. Balok ditarik dengan gaya yang
membentuk sudut α.
a =
m
Fcosa
………..……(2.6) Persamaan (2.6) menyatakan bahwa besarnya percepatan suatu benda yang ditarik dengan gaya yang membentuk sudut α tergantung dari gaya dan massa
m
α
commit to user
lxxviii
benda. Semakin besar sudutnya maka percepatan benda akan semakin kecilkarena nilai cos sudut tersebut semakin kecil, semakin besar gaya maka percepatan akan semakin besar dan semakin besar massa benda maka nilai percepatan akan
semakin kecil.
2) Dua buah benda dihubungkan dengan tali yang melalui katrol licin, dengan salah satu benda berada di atas bidang datar licin dan yang lainnya tergantung
Percepatan sistem : Σ F = ma
W2 – T – T = ( m1 + m2 ) a
m2 g = ( m1 + m2 ) a Gambar 2.2. Dua balok dihubungkan oleh
katrol licin a = 2 1 2 m m m + ………..(2.7)
Persamaan (2.7) menyatakan bahwa besarnya percepatan dari dua balok yang dihubungkan oleh katrol licin, satu balok terletak pada bidang datar dan yang lain tergantung dapat ditentukan dengan membagi massa balok yang tergantung dengan jumlah massa kedua balok.
Tegangan tali: Σ F = m1a Untuk benda m1
T = m1a
……….(2.8) Persamaan
(2.8) menyatakan bahwa tegangan tali merupakan hasil kali antara massa balok m1
commit to user
lxxix
yang terletak pada bidang datar dengan percepatan. Tegangan tali dinyatakan
dalam satuan Newton.
3) Dua buah benda dihubungkan dengan tali yang melalui katrol yang licin, kedua benda dalam keadaaan tergantung ( m2 > m1 )
Percepatan sistem : Σ F = ma
W2 – T + T – W1 = ( m1 + m2 ) a
( m2 – m1 ) g = ( m1 + m2 ) (2.9) Gambar 2.3. Dua balok dihubungkan oleh katrol licin dan tergantung a = 2 1 1 2 m m m m + - g ………
(2.9) Persamaan (2.9) menyatakan bahwa percepatan kedua balok dapat ditentukan dengan membagi selisih massa kedua balok dengan jumlah massa kedua balok kemudian hasilnya dikalikan dengan percepatan gravitasi bumi. Percepatan gravitasi bumi dinyatakan dengan satuan m/det2.
Tegangan tali : untuk benda m1 Σ F = ma T – W1 = m1a T – m1g = m1 T = m1 ( g + a) ………. (2.10) m1 m2 m2 > m1
commit to user
lxxx
Persaaan (2.10) menyatakan bahwa besarnya tegangan tali dapat ditentukan dengan mengalikan massa m1 dengan jumlah dari nilai percepatan gravitasi bumi dengan percepatan .
4) Benda berada di bidang miring licin yang membentuk sudut tertentu Percepatan benda :
Σ F = ma Wsinα = ma
mgsinα = ma Gambar 2.4. Sebuah balok meluncur pada
bidang miring yang membentuk sudut α
a = g sinα ………. (2.11) Persamaan (2.11) menyatakan bahwa besarnya percepatan suatu balok yang meluncur pada bidang miring tergantung dari nilai sinus sudutnya dikalikan besarnya percepatan gravitasi bumi, semakin besar sudutnya maka percepatannya akan semakin besar. Percepatan balok tidak tergantung pada massa balok.
5) Gaya normal atau berat benda/orang yang berada di dalam lift. (a) Lift diam atau bergerak lurus beraturan
Σ F = ma N – W = 0
N – mg = 0 Gambar 2.5. Orang berada di dalam lift
N = mg ……… (2.12) Persamaan (2.12) menyatakan bahwa besarnya gaya normal orang atau
berat orang sama dengan massa dikalikan percepatan gravitasi. Gaya normal orang atau berat orang dinyatakan dalam satuan newton.
α m a w W cos α W sin α
commit to user
lxxxi (b). Lift bergerak ke bawah dengan percepatan a
Σ F = ma N + mg = ma N = mg - ma
N = ( g - a )m ………. (2.13) Persamaan (2.13) menyatakan bahwa gaya normal orang yang berada di dalam lift yang bergerak ke bawah sama dengan selisih antara percepatan gravitasi dengan percepatan lift dikalikan massa. Semakin besar percepatan benda maka besarnya gaya normal akan semakin kecil.
(c). Lift bergerak ke atas dengan percepatan a Σ F = ma
N – mg = ma N = mg + ma N = ( g + a ) m
………(2.14)
Persamaan (2.14) menyatakan bahwa gaya normal orang yang berada di dalam lift yang bergerak ke atas sama dengan jumlah percepatan gravitasi dengan percepatan lift dikalikan dengan massa. Semakin besar percepatan lift maka besarnya gaya normal akan semakin besar pula.
(d). Tali lift putus atau lift bergerak ke bawah dengan percepatan g Σ F = ma N + mg = mg N = 0 ………..……… (2.15) a a g
commit to user
lxxxii
Persamaan (2.15) menyatakan bahwa gaya normal orang yang berada di dalam lift yang bergerak ke bawah dengan percepatan g adalah sama dengan nol, artinya terjadi gerak jatuh bebas.