Hukum kedua Newton: kegunaan, eksperimen, dan latihan

Hukum II Newton atau Hukum Dasar Dinamika menyatakan bahwa jika suatu benda dikenai gaya atau sekumpulan gaya yang tidak dibatalkan, maka benda akan dipercepat searah dengan gaya resultan, yaitu percepatan sebanding dengan intensitas gaya bersih dan berbanding terbalik dengan massa benda.

Jika F adalah gaya total, M massa benda dan terhadap percepatan yang diperoleh, maka hukum II Newton dinyatakan secara matematis sebagai berikut : a = F / M atau dalam bentuk paling biasa F = M menjadi

Penjelasan hukum kedua Newton. Sumber: buatan sendiri.

Penjelasan dan rumus

Seperti dijelaskan di atas, cara yang biasa untuk menyatakan hukum kedua adalah dengan rumus:

F = M a

Baik percepatan dan gaya harus diukur dari kerangka acuan inersia. Perhatikan bahwa massa adalah besaran positif, sehingga percepatan menunjuk ke arah yang sama dengan gaya yang dihasilkan.

Perhatikan juga bahwa ketika gaya resultan adalah nol ( F = 0 ) maka percepatan juga akan menjadi nol ( a = 0 ) setiap kali M> 0 . Hasil ini sepenuhnya sesuai dengan hukum pertama Newton atau hukum inersia.

Hukum pertama Newton menetapkan sistem referensi inersia sebagai sistem yang bergerak dengan kecepatan konstan terhadap partikel bebas. Dalam praktik dan untuk tujuan kegunaan yang paling umum, sistem referensi yang dipasang ke tanah atau lainnya yang bergerak dengan kecepatan konstan sehubungan dengan itu, akan dianggap inersia.

Gaya adalah ekspresi matematis dari interaksi objek dengan lingkungan. Gaya dapat berupa besaran yang tetap atau berubah terhadap waktu, posisi dan kecepatan benda.

Satuan dalam Sistem Internasional (SI) untuk gaya adalah Newton (N). Massa dalam (SI) diukur dalam (kg) dan percepatan dalam (m / s 2 ). Satu Newton gaya adalah gaya yang diperlukan untuk mempercepat sebuah benda bermassa 1 kg pada 1 m / s 2 .

Latihan yang diselesaikan

Latihan 1

Sebuah benda bermassa m dijatuhkan dari ketinggian tertentu dan percepatan jatuhnya diukur sebesar 9,8 m/s².

Hal yang sama terjadi dengan benda lain bermassa m ‘dan satu lagi bermassa m’ ‘dan satu lagi dan lainnya. Hasilnya selalu percepatan gravitasi yang dilambangkan dengan g dan sama dengan 9,8 m / s². Dalam percobaan ini bentuk benda dan nilai massanya sedemikian rupa sehingga gaya akibat hambatan udara dapat diabaikan.

Diminta untuk menemukan besar gaya tarik bumi (dikenal sebagai berat ) yang konsisten dengan hasil eksperimen.

Penyelesaian

Kita memilih sistem referensi inersia (tetap terhadap tanah) dengan arah positif dari sumbu X vertikal dan ke bawah.

Satu-satunya gaya yang bekerja pada benda bermassa m adalah gaya tarik terestrial, gaya ini disebut berat P , karena mengarah ke bawah, itu positif.

Percepatan yang diperoleh benda bermassa m setelah dilepaskan adalah a = g , menunjuk ke bawah dan positif.

Kita mengusulkan hukum kedua Newton

F = ma

Apa yang akan menjadi P sedemikian rupa sehingga percepatan yang diprediksi oleh hukum kedua adalah g terlepas dari nilai m? : Satu-satunya alternatif adalah bahwa P = mg setiap kali m> 0.

mg = ma dari mana kita memecahkan: a = g

Kita menyimpulkan bahwa berat, gaya yang digunakan Bumi untuk menarik suatu benda adalah massa benda dikalikan dengan percepatan gravitasi dan arahnya vertikal dan mengarah ke bawah.

P = m g

Latihan 2

Sebuah balok bermassa 2 kg berada di atas lantai yang datar dan mendatar seluruhnya. Jika gaya 1 N diterapkan padanya, berapa percepatan yang diperoleh balok dan berapa kecepatannya setelah 1 s.

Penyelesaian

Hal pertama adalah mendefinisikan sistem koordinat inersia. Satu telah dipilih dengan sumbu X di lantai dan sumbu Y tegak lurus terhadapnya. Kemudian dibuat diagram gaya yang menempatkan gaya-gaya akibat interaksi balok dengan lingkungannya.

Gaya N mewakili normal, itu adalah gaya vertikal ke atas yang diberikan permukaan lantai pada balok M. Diketahui bahwa N tepat menyeimbangkan P karena balok tidak bergerak dalam arah vertikal.

F adalah gaya horizontal yang diterapkan pada balok M, menunjuk ke arah positif dari sumbu X.

Gaya total adalah jumlah dari semua gaya pada balok bermassa M. Kita membuat jumlah vektor F, P dan N. Karena P dan N adalah sama dan berlawanan, mereka saling meniadakan, dan gaya totalnya adalah F.

Jadi percepatan yang dihasilkan akan menjadi hasil bagi gaya total dan massa:

a = F / M = 1 N / 2 kg = 0,5 m / s²

Saat balok mulai dari keadaan diam setelah 1 s kecepatannya akan berubah dari 0 m / s menjadi 0,5 m / s.

Penerapan Hukum Kedua Newton

Percepatan lift

Seorang anak laki-laki menggunakan timbangan kamar mandi untuk mengukur berat badannya. Nilai yang Anda dapatkan adalah 50 kg. Kemudian anak laki-laki itu membawa beban ke lift gedungnya, karena dia ingin mengukur percepatan lift. Hasil yang didapat saat memulai adalah:

  • Timbangan mencatat berat 58 kg selama 1,5 s
  • Kemudian ukur 50 kg lagi.

Dengan data ini, hitung percepatan lift dan kecepatannya.

Penyelesaian

Timbangan mengukur berat dalam satuan yang disebut gaya kilogram. Menurut definisi, kilogram_gaya adalah gaya yang digunakan planet Bumi untuk menarik benda bermassa 1 kg.

Ketika satu-satunya gaya yang bekerja pada benda adalah beratnya, maka ia memperoleh percepatan 9,8 m / s². Jadi 1 kg_f sama dengan 9,8 N.

Berat P anak laki-laki tersebut adalah 50 kg * 9,8m / s² = 490 N

Selama percepatan skala memberikan gaya N pada anak laki-laki sebesar 58 kg_f setara dengan 58 kg * 9,8 m / s² = 568,4 N.

Percepatan lift akan diberikan oleh:

a = N / M – g = 568,4 N / 50 kg – 9,8 m / s² = 1,57 m / s²

Kecepatan yang diperoleh elevator setelah 1,5 s dengan percepatan 1,57 m/s² adalah:

v = a * t = 1,57 m / s² * 1,5 s = 2,36 m / s = 8,5 Km / jam

Gambar di bawah menunjukkan diagram gaya yang bekerja pada anak tersebut:

toples mayonaise

Seorang anak laki-laki menyerahkan toples mayones kepada saudaranya, yang ada di ujung meja yang lain. Untuk itu, ia mengendarainya sedemikian rupa sehingga memperoleh kecepatan 3 m / s. Dari saat dia menjatuhkan botol sampai berhenti di ujung meja yang berlawanan, jarak tempuhnya adalah 1,5 m.

Tentukan nilai gaya gesekan yang diberikan meja pada botol, mengetahui bahwa ia memiliki massa 0,45 kg.

Penyelesaian

Pertama kita akan menentukan percepatan pengereman. Untuk ini kita akan menggunakan hubungan berikut, yang sudah diketahui, dari gerak lurus beraturan dipercepat:

Vf² = Vi² + 2 * a * d

di mana Vf adalah kecepatan akhir, Vi kecepatan awal, pada percepatan dan d perpindahan.

Percepatan yang diperoleh dari hubungan sebelumnya adalah, dimana perpindahan botol diambil sebagai positif.

a = (0 – 9 (m / s) ²) / (2 * 1,5 m) = -3 m / s²

Gaya total pada toples mayonaise adalah gaya gesekan, karena normal dan berat toples seimbang: Fnet = Fr.

Fr = m * a = 0,45 kg * (-3 m / s²) = -1,35 N = -0,14 kg-f

Eksperimen untuk anak-anak

Anak-anak dan orang dewasa dapat melakukan eksperimen sederhana yang memungkinkan mereka memverifikasi bahwa hukum kedua Newton benar-benar berfungsi dalam kehidupan nyata. Berikut adalah dua yang sangat menarik:

Percobaan 1

Eksperimen sederhana membutuhkan timbangan kamar mandi dan lift. Masukkan beban kamar mandi ke dalam lift dan catat nilai yang ditandainya selama start naik, start turun, dan selama Anda bergerak dengan kecepatan konstan. Hitung percepatan elevator untuk setiap kasus.

Percobaan 2

  1. Ambil mobil mainan yang rodanya dilumasi dengan baik
  2. Pasang tali ke ujungnya.
  3. Di tepi meja, rekatkan pensil, atau benda silindris halus lainnya di mana tali akan dipasang.
  4. Di ujung tali yang lain tergantung sebuah keranjang kecil, di mana Anda akan meletakkan beberapa koin atau sesuatu yang akan berfungsi sebagai pemberat.

Skema percobaan ditunjukkan di bawah ini:

  • Lepaskan gerobak dan saksikan percepatannya.
  • Kemudian tambah massa gerobak dengan meletakkan koin di atasnya, atau sesuatu yang menambah massanya.
  • Katakan apakah percepatan bertambah atau berkurang. Taruh lebih banyak adonan di troli, perhatikan kecepatannya, dan selesaikan.

Kereta kemudian dibiarkan tanpa beban ekstra dan dibiarkan berakselerasi. Lebih berat kemudian ditempatkan pada keranjang untuk meningkatkan gaya yang diterapkan pada kereta.

  • Bandingkan percepatan dengan kasus sebelumnya, tunjukkan apakah bertambah atau berkurang. Anda dapat mengulangi menambahkan lebih banyak beban ke keranjang dan mengamati percepatan kereta.
  • Tunjukkan apakah itu meningkat atau menurun.
  • Diskusikan hasil Anda dan katakan apakah mereka setuju dengan hukum kedua Newton atau tidak.

Referensi

  1. Alonso M., Finn E. 1970. Fisika volume I: Mekanika. Dana Pendidikan Antar-Amerika SA 156-163.
  2. Hewitt, P. 2012. Ilmu Fisika Konseptual. Edisi kelima. 41-46.
  3. Muda, Hu. 2015. Fisika Universitas dengan Fisika Modern. Edisi 14. Pearson. 108-115.

Fisika modern – apa yang dipelajari juga cabangnya
Tegangan normal: terdiri dari apa, bagaimana cara menghitungnya, contoh
Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan
Kalor sensibel: konsep, rumus, dan latihan yang diselesaikan