5 Contoh Soal Penerapan Hukum Newton dan Pembahasannya

Ilustrasi Contoh Soal Penerapan Hukum Newton. Unsplash.com/engin akyurt

Hukum Newton adalah dasar terpenting dalam dunia fisika. Hukum ini menjelaskan hubungan antara gaya, massa, dan gerak suatu benda. Pemahaman lebih mendalam mengenai hukum ini dapat melalui contoh soal penerapan hukum Newton.

Melalui hukum ini, siswa dapat memahami bagaimana sebuah benda dapat bergerak, berhenti, dan berubah arah akibat pengaruh gaya yang bekerja padanya.

Penerapan Hukum Newton berlaku di ruang kelas dan juga di kehidupan sehari-hari. Contohnya, seperti ketika sedang mengayuh sepeda, mendorong meja, atau mengerem mobil.

Contoh Soal Penerapan Hukum Newton dan Pembahasannya

Ilustrasi Contoh Soal Penerapan Hukum Newton. Unsplash.com/Nadir sYzYgY

Di bawah ini terdapat deretan contoh soal penerapan Hukum Newton dan juga pembahasannya yang dikutip dari buku berjudul Fisika untuk SMA/MA Kelas XI, Marianna Magdalena Radjawane dkk, 2022, 87-88:

1. Soal

Perhatikan grafik berikut.

Gambar Soal No. 1

Jika massa Susan dan sepeda adalah 60 kg dan gaya gesek antara sepeda dan tanah selalu sama. Tentukan:

a. Gaya yang diberikan Susan pada detik ke-1 sampai detik ke-4.

b. Gaya yang diberikan Susan pada detik ke-4 sampai ke-10.

(g = 10 m/s²)

Grafik kecepatan terhadap waktu:

Dari 0–4 detik: kecepatan konstan pada 8 m/s.

Dari 4–10 detik: kecepatan menurun dari 8 m/s menjadi 0 m/s.

Jawaban

Diketahui:

m = 60 kg

g = 10 m/s²

Gaya gesek = tetap (misalkan f₉)

a. Waktu 1–4 detik

Kecepatan konstan ⇒ percepatan a = 0

∑F = 0 ⇒ Fₛ - f₉ = 0

Fₛ = f₉

Artinya gaya yang diberikan Susan hanya untuk melawan gaya gesek.

b. Waktu 4–10 detik

Kecepatan turun dari 8 m/s menjadi 0 m/s selama 6 s.

Percepatan:

a = (v₂ - v₁) / t = (0 - 8) / 6 = -1,33 m/s²

Gaya total:

∑F = m × a = 60 × (-1,33) = -80 N

Karena gaya gesek dan gaya Susan berlawanan arah, maka:

Fₛ + (-f₉) = -80

⇒ Fₛ = f₉ - 80

Artinya, gaya Susan berkurang sebesar 80 N dibanding gaya gesek.

2. Soal

Gambar Soal No. 2

Sebuah bola pejal dijatuhkan dari sebuah gedung dengan sistem katrol seperti pada gambar. Balok A bermassa 20 kg dan bola B bermassa 10 kg. Jika mula-mula bola B diam dan jaraknya dari tanah 10 m, tentukan waktu yang diperlukan bola B hingga menyentuh tanah jika bola B dilepaskan.

(μ = 0,2 dan g = 10 m/s²)

Jawaban

Diketahui:

mₐ = 20 kg

mᵦ = 10 kg

μ = 0,2

g = 10 m/s²

Gaya gesek pada A:

f = μ × N = μ × mₐ × g = 0,2 × 20 × 10 = 40 N

Gaya penggerak sistem (berat B dikurangi gaya gesek):

F = mᵦg - f = 10×10 - 40 = 60 N

Massa total sistem = 20 + 10 = 30 kg

Percepatan:

a = F / (mₐ + mᵦ) = 60 / 30 = 2 m/s²

Gunakan rumus jarak:

s = ½ a t²

10 = ½ × 2 × t²

t² = 10

t = √10 = 3,16 s

Jadi waktu yang diperlukan bola B untuk menyentuh tanah adalah 3,16 detik.

3. Soal

Gambar Soal No. 3

Sebuah kereta bergerak pada lintasan lurus yang pergerakannya ditunjukkan seperti pada grafik.

Pada detik ke-0 hingga ke-40, kereta mengalami gaya hambat sebesar 1000 N. Dengan menganggap gaya dari kereta konstan dan massa kereta 1000 kg, perkirakan gaya hambat pada kereta setelah bergerak lebih dari 40 detik.

Grafik:

0–40 s: kecepatan naik dari 0 menjadi 40 m/s (garis lurus).

Setelah 40 s: kecepatan konstan (tidak berubah).

Jawaban

0–40 s: percepatan a = (40 - 0)/40 = 1 m/s²

∑F = m × a

F - 1000 = 1000 × 1

F = 2000 N

Artinya gaya dorong kereta adalah 2000 N.

Setelah 40 s, kecepatan konstan ⇒ percepatan = 0

∑F = 0 ⇒ F = F_hambat

Maka gaya hambat setelah 40 s = 2000 N.

4. Soal

Gambar Soal No. 4

Dua buah benda dengan massa sama, masing-masing 500 gram (0,5 kg), saling menumbuk seperti pada gambar.

Sebelum tumbukan:

Bola biru: 10 m/s ke kanan

Bola merah: 5 m/s ke kiri

Setelah tumbukan: keduanya bergerak bersama.

Waktu kontak: 50 milisekon (0,05 s).

Tentukan:

a. Kecepatan kedua bola setelah tumbukan.

b. Gaya rata-rata antara dua benda saat tumbukan.

c. Energi yang hilang saat tumbukan.

Jawaban

Diketahui:

m₁ = m₂ = 0,5 kg

v₁ = +10 m/s

v₂ = -5 m/s

a. Kecepatan setelah tumbukan

Karena kedua benda menempel setelah tumbukan:

v’ = (m₁v₁ + m₂v₂) / (m₁ + m₂)

v’ = (0,5×10 + 0,5×(-5)) / (1)

v’ = (5 - 2,5) = 2,5 m/s ke kanan

b. Gaya rata-rata

Perubahan momentum salah satu bola:

Δp = m (v’ - v₁) = 0,5 (2,5 - 10) = -3,75 kg·m/s

Gaya rata-rata:

F = Δp / Δt = 3,75 / 0,05 = 75 N

c. Energi yang hilang

Energi awal = ½m₁v₁² + ½m₂v₂² = 0,25(100 + 25) = 31,25 J

Energi akhir = ½ (m₁ + m₂) v’² = 0,5(1)(2,5²) = 3,125 J

Energi hilang = 31,25 - 3,125 = 28,125 J

5. Soal

Gambar Soal No. 5

Sebuah tongkat homogen bermassa 2 kg ditahan oleh dua tali seperti pada gambar berikut:

Panjang tongkat: 1 m

Titik A di kiri, titik B di kanan

Tali T₁ terpasang di 20 cm dari A

Tali T₂ terpasang di 80 cm dari A

Berat tongkat bekerja di tengah (50 cm dari A)

Tentukan:

a. Momen titik pusat massa terhadap titik B

b. Tegangan pada tali T₁ dan T₂

c. Percepatan pusat massa tongkat apabila tali di titik T₁ dipotong

(Momen inersia tongkat terhadap titik tumpu A = 6,7 kg·m²)

Jawaban

Diketahui:

m = 2 kg, g = 10 m/s²

Berat tongkat (W) = 2 × 10 = 20 N

a. Momen terhadap titik B

Jarak pusat massa ke B = 1 - 0,5 = 0,5 m

Momen = W × jarak = 20 × 0,5 = 10 N·m

b. Tegangan tali

Keseimbangan gaya vertikal:

T₁ + T₂ = 20 N

Keseimbangan momen terhadap A:

T₂ × 0,8 = 20 × 0,5 - T₁ × 0,2

Dari dua persamaan, diperoleh:

T₁ = 5 N

T₂ = 15 N

c. Jika tali T₁ dipotong

Gaya yang bekerja tinggal T₂ di 0,8 m dari A.

Torsi = T₂ × 0,8 - W × 0,5 = (15×0,8) - (20×0,5) = 12 - 10 = 2 N·m

Percepatan sudut:

α = τ / I = 2 / 6,7 = 0,3 rad/s²

Percepatan pusat massa:

a = α × r = 0,3 × 0,5 = 0,15 m/s²

Dengan berlatih mengerjakan contoh soal penerapan Hukum Newton, kemampuan analisis fisika akan semakin terasah. Sehingga siswa bisa memahami rumus dan mampu menafsirkan maknanya dalam konteks kehidupan sehari-hari. (Aya)

Baca juga: 20 Contoh Soal Cerita Bilangan Bulat Lengkap dengan Pembahasan