Soal dan Pembahasan Fisika kelas XI tentang Dinamika Partikel

Hukum Newton I

“Jika resultan gaya pada suatu benda sama dengan nol maka benda yang mula-mula diam akan terus diam, sedangkan benda yang mula-mula bergerak akan terus bergerak dengan kecepatan tetap”.

 

Sifat benda yang cenderung mempertahankan keadaan geraknya (diam atau bergerak) inilah yang disebut sebagai kelembaman atau inersia (kemalasan). Oleh karena itu hukum I Newton disebut juga dengan hukum kelembaman atau hukum inersia.

Hukum Newton II

“Percepatan yang dihasilkan oleh resultan gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding lurus dengan resultan gaya, searah dengan resultan gaya, dan berbanding terbalik dengan massa benda.”

Satuan SI untuk gaya adalah newton (N), untuk massa dalam kg dan percepatan dalam m/s². 

Hukum Newton III 

“Jika A mengerjakan gaya pada B, maka B akan mengerjakan gaya pada A, yang besarnya sama tetapi arahnya berlawanan.”

atau

“Untuk setiap aksi, ada suatu reaksi yang sama besar tetapi berlawanan arah”

Beberapa Jenis Gaya 

Gaya Berat (Berat) 

Berat (w) adalah gaya gravitasi bumi yang bekerja pada suatu benda (sering disebut dengan gaya tarik bumi).

w = mg

Vektor berat suatu benda di bumi selalu digambarkan berarah tegak lurus ke bawah, dimana pun posisi benda diletakkan, baik pada bidang horizontal, pada bidang miring, atau pada bidang tegak.

Berdasarkan gambar di atas menunjukkan bahwa arah vektor berat selalu tegak lurus ke bawah.

Gaya Normal

Gaya normal (N) didefinisikan sebagar gaya yang bekerja pada benda, dan berasal dari bidang tumpu. Arahnya selalu tegak lurus pada bidang tumpu.

Berdasarkan gambar di atas, menunjukkan bahwa arah gaya normal selalu tegak lurus bidang tumpu.

Gaya Gesekan

Gaya gesekan (f) termasuk gaya sentuh yang muncul jika permukaan dua benda bersentuhan langsung secara fisik. Arah gaya berlawanan dengan kecenderungan arah gerak.

Ketika mendorong sebuah benda dan benda tidak bergerak, maka gaya gesekan pada benda adalah gaya gesekan statis (f_s =us.N) Tetapi jika bergerak, maka gaya gesekannya adalah gaya gesekan kinetis (f_s). Gaya gesekan statis mulai dari nol dan membesar sesuai dengan gaya dorong yang diberikan sampai mencapai suatu nilai maksimum (f_{s maks}). Sedangkan, gaya gesekan kinetis (fk = uk.N) selalu lebih kecil daripada gaya gesekan statis maksimum.

Gaya Tegangan Tali

Tegangan tali (T) adalah gaya tegang yang bekerja pada ujung-ujung tali karena tali tersebut tegang.

Gaya Sentripetal

Gaya sentripetal (F_s) adalah gayayang bekerja pada benda yang bergerak melingkar. Arahnya menuju pusat lingkaran.

 

a_x = percepatan sentripetal

CONTOH SOAL HUKUM NEWTON TENTANG GERAK

1.   Balok mengalami gaya tarik F₁ = 15 N ke kanan dan gaya F₂ ke kiri. Jika benda tetap diam berapa besar F₂?

Jawaban

Karena benda tetap diam, sesuai dengan Hukum I Newton

ΣF               = 0

F₁ – F₂         = 0

F₂                = F₁

= 15 N

2.   Balok meluncur ke kanan dengan kecepatan tetap 4 ms^-1. Jika F₁ = 10 N; F₂ = 20 N, berapa besar F₃?

Jawaban

Sesuai dengan Hukum I Newton, gaya yang bergerak lurus beraturan (kecepatan tetap) adalah nol.

ΣF               = 0

F₁ + F₃– F₂ = 0

F₃                = F₂ – F₁

F₃                = 20 – 10

F₃                = 10 N

3.   Balok B massanya 2 kg ditarik dengan gaya F yang besarnya 6 Newton. Berapa percepatan yang dialami beban?

Jawaban

Berdasarkan Hukum II Newton

F = m.a (dengan F = 6 N dan m = 2 kg)

6 = 2a

a = 2 / 6 → a = 3 ms^-2

4.   Balok B dengan massa 2 kg mengalami dua gaya masing-masing F₁ = 25 N dan F₂ = 20 N seperti ditunjukkan pada gambar. Berapa percepatan balok B?

Jawaban

Dari Hukum II Newton

ΣF                           = m.a

F₁ – F₂Cos 60        = m.a

25 – 20. 0,5             = 2.a

a                              = 7,5 ms^-2

5.   Jika balok B yang massanya 2 kg mengalami percepatan 5 ms^-2ke kanan, berapa besar F₃?

Jawaban

Karena ΣF   = m.a

F₁ + F₂– F₃ = m.a

10 + 40 – F₃= 2,5

F3               = 40 N

6.   Berapakah berat benda yang memiiki massa 2 kg dan g = 9,8 ms^-2 ?

Jawaban

w = m g

w = 2. 9,8

w = 19,6 Newton.

7.   Sebuah balok yang massanya 6 kg meluncur ke bawah pada sebuah papan licin yang dimiringkan 30° dari lantai. Jika jarak lantai dengan balok 10 m dan besarnya gaya gravitasi ditempat itu 10 ms^-2, maka tentukan percepatan dan waktu yang diperlukan balok untuk sampai di lantai!

Jawaban

Gaya berat balok diuraikan pada sumbu X (bidang miring) dan sumbu Y (garis tegak lurus bidang miring). Benda meluncur dengan gaya F = w sin 30°.

Menurut hukum II Newton

F = m × a

w sin 30° = m × a

m × g sin 30° = m × a

6 × 10 × 0,5 = 6 a → a = 5 ms^-2

8.   Beban m yang mengalami 5 kg dan percepatan gravitasi 10 ms^-2 terletak di atas bidang miring dengan sudut kemiringan 37⁰ (Sin 37 = 0,6). Beban mengakhiri gaya F mendatar sebesar 20 N Tentukan berapa percepatan m!

Jawaban

Uraikan dahulu gaya pada beban m  sehingga tampak gaya-gaya mana saja yang mempengaruhi gerakan m turun.

Setelah menguraikan gaya pada beban m maka tampak gaya-gaya yang mempengaruhi gerakan m adalah gaya mg Sin 37⁰ dan F Cos 37⁰. Sesuai dengan Hukum II Newton:

ΣF = Σ m.a

m.g Sin 37⁰ – Cos 37⁰ = m.a

5.10.0,6 – 20.0,8 = 5.a

5 a = 30 – 16

a = 2,8 ms^-2

9.   Sebuah balok 10 kg diam di atas lantai datar. Koefisien gesekan statis μs= 0,4 dan koefisien gesekan kinetis μk= 0,3. Tentukanlah gaya gesekan yang bekerja pada balok jika gaya luar F diberikan dalam arah horizontal sebesar

a. 0 N,

b. 20 N, dan

c. 42 N.

Jawaban

Gaya-gaya yang bekerja pada benda seperti diperlihatkan pada gambar. Karena pada sumbu vertikal tidak ada gerak, berlaku

    

ΣF_y = 0

N – w = 0

N = w = mg = (10 kg)(10 m/s) = 100 N

   

    

a. Oleh karena F = 0 maka F_gesek = 0,

      

     b. Gaya gesekan statik f_s= μs N = (0,4)(100 N) = 40 N.

      Karena F = 10 N < fs maka benda masih diam (F = 20 N tidak cukup untuk menggerakkan benda).  

      Oleh karena itu,

      ΣF_x = F – F_gesek = 0

         sehingga diperoleh F_gesek  = F = 20 N

c. F = 42 N > fs = 40 N maka benda bergerak. Jadi, pada benda bekerja gaya gesekan kinetik  sebesar

F_gesek = F_k = μ_kN

                     = (0,3)(100 N) = 30 N.

        10. Suatu balok bermassa 200 gram berada di bidang miring dengan kemiringan 30° terhadap bidang datar.

           Jika koefisien gesek statis dan kinetis antara balok dan bidang miring 0,25 dan 0,1, serta nilai

           percepatan gravitasi 10 m/s², maka tentukan gaya gesek yang bekerja pada balok!

Jawaban

Langkah 1 :

Gambarkan peruraian gayanya

Langkah 2 :

Tentukan gaya gesek statis maksimumnya :

fsmak = μs . N

fsmak = μs . w cos 30°

fsmak = μs . m . g . cos 30°

fsmak  = 0,433 N

Langkah 3 :

Tentukan gaya penggeraknya :

Fmiring = w sin 30°

Fmiring = m . g. sin 30°

Fmiring = 0,2 . 10 . 0,5

Fmiring = 1 N

Langkah 4 :

Membandingkan gaya penggerak terhadap gaya gesek statis maksimumnya. Ternyata gaya penggeraknya lebih besar dibanding gaya gesek statis maksimumnya, sehingga benda bergerak. Gaya gesek yang digunakan adalah gaya gesek kinetis.

fk = μk . N

fk = μk . w cos 30°

fk = μk . m . g . cos 30°

fk = 0,173 N

                         

 11. Dua buah benda digantungkan dengan seutas tali pada katrol silinder yang licin tanpa gesekan seperti pada gambar. Massa m₁dan m₂ masing- masing 5 kg dan 3 kg. Tentukan:

a. Percepatan beban

b. Tegangan tali

Jawaban

Benda  m₁ karena massanya lebih besar turun, sedangkan benda  m₂ naik. Gaya tegangan tali di mana-mana sama karena katrol licin tanpa gesekan.

a. Tinjau benda m₁

Σ F = m₁ . a

w₁ – T = m₁ . a

5 . 10 – T = 5 . a

T = 50 – 5a

Tinjau benda m₂:

Σ F = m₂ . a

T – W₂ = m₂ . a

T – 3.10 = 3 . a

T = 30 + 3a

Disubstitusikan harga T sama.

T = T

50 – 5a = 30 + 3a

8 a = 20

a = 2,5 m/s²

b. Untuk mencari besar T pilihlah salah satu persamaan.

T = 30 + 3a

T = 30 + 3 x 2,5

T = 30 + 7,5

T = 37,5 N

12.  Pesawat Atwood seperti pada gambar, terdiri dari katrol silinder yang licin tanpa gesekan. Jika m₁ = 50 kg , m₂ = 200kg dan g = 10 m/det² antara balok m₁ dan bidang datar ada gaya gesek dengan μ = 0,1. massa katrol 10 kg. hitunglah:

a. percepatan sistem

b. gaya tegang tali

Jawaban

a. Tinjau m₁:

Σ F = m . a

T – f_k = m . a

T – μ_k . N = m₁ . a

T – 0,1 . m₁ . g = m₁ . a

T – 0,1 50 . 10 = 50 . a

T = 50 + 50a

Tinjau m₂ (dan substitusikan nilai T):

Σ F = m . a

w₂ – T = m₂ . a

m₂ . g – T = m₂ . a

200 . 10 – (50 + 50a) = 200 . a

2000 – 50 – 50a = 200 . a

1950 = 250 . a

a = 7,8 m/s².

b. Hitunglah nilai T

T = 50 + 50a

T = 50 + 50 x 7,8

T = 50 + 390

T = 440 N

13. Bidang miring dengan sudut kemiringan q = 30º, koefisien gesek 0,2. Ujung bidang miring dilengkapi katrol tanpa gesekan. Ujung tali diatas bidang miring diberi beban 4 kg. Ujung tali yang tergantung vertikal diberi beban dengan massa 10 kg. Tentukanlah percepatan dan tegangan tali sistem tersebut!

Jawaban

Tinjau m₁ : Σ F₁ = m₁ . a

T – f_k – w₁ sin 30 = m₁ . a

T – μ_k . N – m₁ g sin 30 = m₁. a

T – μ_k . m₁ . g . cos 30 – m₁. g sin 30 = m₁ . a

T – 0,2 . 4 . 10 . ½ 3 - 4 . 10 . ½ = 4 . a

T – 4 3 - 20 = 4a

T = 26,928 + 4a

Tinjau m₂ :

Σ F = m₂ . a

w₂ – T = m₂ . a

w₂ . g – T = m₂ . a

10 .10 – T = 10 .a

T = 100 – 10a

Substitusi: T = T

26,928 + 4a = 100 – 10a

14 a = 73,072

a = 5,148 m/s².

Jadi gaya tegangan tali sebesar:

T = 100 – 10 . 5,148

= 48,52 N

14  Seseorang yang bermassa 30 kg berdiri di dalam sebuah lift yang bergerak dengan percepatan 3 m/s². Jika gravitasi bumi 10 ms^-2, maka tentukan berat orang tersebut saat lift bergerak ke atas dipercepat dan bergerak ke bawah dipercepat!

Jawaban

a. Lift bergerak ke atas

w = N = mg + m × a

= 30 × 10 + 30 ×3

= 300 + 90

= 390 N

Jadi, berat orang tersebut saat lift bergerak ke atas dipercepat adalah 390 N.

b. Lift bergerak ke bawah

w = N = mg – m × a

= 30 × 10 – 30 × 3

= 300 – 90

= 210 N

Jadi, berat orang tersebut saat lift bergerak ke bawah dipercepat adalah 210 N.

Demikianlah Artikel Soal dan Pembahasan Fisika kelas XI tentang Dinamika Partikel

Sekianlah artikel Kumpulan Soal Fisika tentang Dinamika Partikel kelas XI kali ini, mudah-mudahan bisa memberi manfaat untuk anda semua. baiklah, sampai jumpa di postingan artikel lainnya.

Tag : soal uas fisika kelas 11 semester 2, soal fisika kelas xi semester 2 beserta jawaban doc, contoh soal fisika kelas xi semester 2 beserta pembahasannya, soal uas fisika kelas xi semester 2 dan pembahasannya, soal fisika kelas xi semester 1 kurikulum 2013, soal dan pembahasan fisika kelas xi semester 2 kurikulum 2013, soal fisika kelas xi semester 1 dan pembahasannya pdf, soal fisika kelas 11 smk

Bagikan Artikel ini