Hukum Newton, gaya dan momentum
| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| momentum/məʊˈmentəm/ | momentum |
| impulse/ˈɪmpʌls/ | impuls |
| collision/kəˈlɪʒn/ | tabrakan |
| weight/weɪt/ | berat |
| resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ | resultan gaya |
| inertia/ɪˈnɜːʃə/ | inersia |
Mengapa tangkapan lembut menangkap telur
- Tangkap telur yang dilempar dengan tangan kaku dan telur akan pecah; dengan tangan yang lembut dan lentur, telur selamat.
- Keduanya menghentikan telur yang sama — tetapi tangan lembut membutuhkan waktu lebih lama, sehingga gaya lebih kecil.
- Hubungan antara gaya, momentum, dan waktu ini adalah inti dari dinamika.
Momentum
- Momentum $p = mv$ — massa dikali kecepatan. Ini adalah vektor (arah sama dengan $v$).
- Satuan: $\dfrac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{s}}$, sama dengan $\text{N}\cdot\text{s}$.
Roket mendorong gas ke bawah; menurut hukum ketiga Newton, gas mendorong roket ke atas
Diagram benda bebas (F = ma)
Resultan gaya, dibagi massa, menghasilkan percepatan.
Hukum kedua Newton
F = ma (resultan)
Gaya resultan menentukan percepatan; gaya seimbang ⇒ tidak ada percepatan.
Sebuah bola $2.0\ \text{kg}$ bergerak pada kecepatan $3.0\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$. Berapakah momentumnya?
$p = mv = 2.0 \times 3.0 = 6.0\ \dfrac{\text{kg}\cdot\text{m}}{\text{s}}$.
Momentum adalah besaran vektor.
Ya — $p = mv$ mengarah pada arah yang sama dengan kecepatan, sehingga memiliki arah.
Gaya = laju perubahan momentum
- Hukum kedua Newton, secara lengkap: $F = \dfrac{\Delta p}{\Delta t}$.
- Ketika massa konstan, hal ini menjadi bentuk familiar $F = ma$.
Dalam tabrakan, gaya besar bekerja dalam waktu sangat singkat untuk mengubah momentum
Dalam bentuk umumnya, hukum kedua Newton menyatakan bahwa gaya resultan sama dengan:
$F = \dfrac{\Delta p}{\Delta t}$ — laju perubahan momentum. Untuk massa konstan ini adalah $F = ma$.
Cocokkan masing-masing hukum Newton dengan pernyataannya.
Kalimat hukum kedua berbicara tentang laju perubahan MOMENTUM. F = ma adalah kasus khusus, berlaku hanya ketika massa konstan.
Impuls dan tumbukan
- Gaya rata-rata dalam benturan adalah $F = \dfrac{\Delta p}{\Delta t}$ — perubahan momentum dibagi waktu kontak.
- Waktu kontak yang lebih panjang berarti gaya yang lebih kecil (telur, zona hancur, lutut yang ditekuk saat mendarat).
- Hubungan energi: $E_{\text{k}} = \dfrac{p^{2}}{2m}$.
Berat dan gaya sentuh normal pada buku yang bersandar di meja
Menangkap telur dengan tangan lembut memperpanjang waktu kontak, yang membuat gaya rata-rata ____.
Perubahan momentum yang sama dalam waktu lebih lama berarti gaya lebih kecil: $F = \dfrac{\Delta p}{\Delta t}$.
Bola bermassa 0,15 kg menabrak dinding dengan kecepatan 12 m/s dan memantul balik dengan kecepatan 8,0 m/s sepanjang garis yang sama. Berapakah besar impuls yang bekerja pada bola tersebut, dalam N s?
Ambil satu arah sebagai positif: perubahan adalah 0,15 x (8,0 - (-12)) = 3,0 N s. Menjumlahkan kecepatan tanpa tanda hanya menghasilkan angka yang sama di sini karena bola berbalik arah; tentukan konvensi tanda dengan benar atau pantulan miring akan menjebak Anda.
Hukum pertama Newton
- Dengan resultan gaya nol, benda tetap diam atau bergerak dengan kecepatan konstan.
- Anda terdorong ke depan saat bus mengerem karena tubuh Anda "ingin" terus bergerak — inersia.
Hukum kedua Newton
- Resultan gaya memberikan percepatan: $F = ma$.
- Percepatan selalu mengarah ke arah yang sama dengan resultan gaya.
Hukum ketiga Newton
- Jika A mendorong B, maka B mendorong A kembali — sama besar, berlawanan arah.
- Kedua gaya bekerja pada benda yang berbeda dan merupakan jenis gaya yang sama.
Berat buku dan dorongan ke atas meja bukan pasangan hukum ketiga — mereka bekerja pada benda yang sama (buku) dan merupakan jenis gaya yang berbeda.
Pasangan mana yang merupakan pasangan hukum ketiga Newton yang sah?
Gaya kontak "buku pada meja" dan "meja pada buku" sama besar, berlawanan arah, jenisnya sama, dan bekerja pada benda yang berbeda. Berat buku dan dorongan meja bekerja pada benda yang sama, sehingga mereka bukan sebuah pasangan.
Pilih semua pernyataan yang benar tentang pasangan gaya hukum ketiga Newton.
Pasangan hukum ketiga itu sama besar, berlawanan arah, jenisnya sama, dan bekerja pada dua benda yang berbeda — tidak pernah pada benda yang sama.
Berat
- Berat adalah gaya gravitasi pada suatu massa: $W = mg$.
- Massa sama di mana saja; berat berubah sesuai dengan $g$ (lebih sedikit di Bulan).
Berapa berat tas $5.0\ \text{kg}$ di dekat permukaan Bumi? (Gunakan $g = 9.81\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}^2}$.)
$W = mg = 5.0 \times 9.81 \approx 49\ \text{N}$.
Untuk benda dalam kesetimbangan, jangan katakan gayanya saling meniadakan. Katakan ____ resultan pada benda tersebut adalah nol.
"Seimbang" dan "saling meniadakan" keduanya ditolak. Penguji memeriksa apakah Anda dapat menyebut jumlah vektor tunggal dari semua gaya.
Susun tes untuk pasangan hukum ketiga Newton secara berurutan.
Dua poin terakhir inilah yang menyingkirkan jawaban salah klasik. Berat buku (gravitasi) dan dorongan meja terhadapnya (kontak) gagal memenuhi keduanya: benda yang sama, jenis yang berbeda.
⟦⟧ Nilai yang sering terlewat
- Jangan pernah menulis "gaya-gaya seimbang" atau "gaya-gaya saling meniadakan". Frasa yang dicetak tebal adalah resultan gaya pada benda adalah nol.
- Hukum kedua Newton membahas tentang laju perubahan momentum, bukan sekadar $F = ma$. Bentuk itu mengasumsikan massa konstan.
- Pasangan hukum ketiga bekerja pada dua benda berbeda dan merupakan satu jenis gaya. Berat buku dan dorongan meja ke arahnya bukan pasangan: keduanya bekerja pada buku.
- Kekekalan momentum memerlukan kondisi yang dinyatakan: dengan syarat tidak ada resultan gaya eksternal yang bekerja pada sistem.
- Massa menahan perubahan gerak dan diukur dalam kilogram; berat adalah gaya dalam newton, sama dengan $mg$. Soal yang menyebutkan "massa" menginginkan jawaban dalam kilogram.
Anda telah memahaminya
- momentum $p = mv$ (vektor); gaya $F = \dfrac{\Delta p}{\Delta t} = ma$
- waktu kontak yang lebih lama menghasilkan gaya yang lebih kecil (impuls)
- pasangan hukum ketiga bernilai sama, berlawanan, jenis sama, benda berbeda; $W = mg$