Hukum ketiga Newton: kegunaan, eksperimen, contoh dan latihan

Hukum ketiga Newton, juga disebut dengan hukum aksi dan reaksi menyatakan bahwa ketika sebuah aksi objek memaksa yang lain, ini akan menghasilkan kekuatan reaksi yang sama besar berlawanan arah.

Isaac Newton membuat tiga hukumnya dikenal pada tahun 1686 dalam bukunya Philosophiae Naturalis Principia Mathematica atau Prinsip Matematika Filsafat Alam.

Roket luar angkasa menerima propulsi yang diperlukan berkat gas yang dikeluarkan. Sumber: Pixabay.

Penjelasan dan rumus

Rumusan matematika dari Hukum Ketiga Newton sangat sederhana:

F 12 = – F 21

Salah satu gaya disebut aksi dan yang lainnya adalah reaksi. Namun, penting untuk menyoroti pentingnya detail ini: keduanya bekerja pada objek yang berbeda. Mereka juga melakukannya secara bersamaan, meskipun terminologi ini secara keliru menunjukkan bahwa aksi terjadi sebelum dan reaksi sesudahnya.

Karena gaya adalah vektor, mereka dilambangkan dengan huruf tebal. Persamaan ini menunjukkan bahwa kita memiliki dua benda: benda 1 dan benda 2. Gaya F 12 adalah gaya yang diberikan oleh benda 1 pada benda 2. Gaya F 21 diberikan oleh benda 2 pada benda 1. Dan tanda (-) menunjukkan bahwa mereka berlawanan.

Dengan hati-hati mengamati hukum ketiga Newton, perbedaan penting diamati dengan dua yang pertama: sementara mereka memanggil satu objek, hukum ketiga mengacu pada dua objek yang berbeda.

Dan apakah jika Anda berpikir dengan hati-hati, interaksi membutuhkan pasangan objek.

Karena alasan ini, gaya aksi dan reaksi tidak saling meniadakan atau menyeimbangkan, meskipun mereka memiliki besar dan arah yang sama, tetapi arahnya berlawanan: mereka diterapkan pada benda yang berbeda.

Kegunaan

Interaksi bola-tanah

Berikut adalah kegunaan sehari-hari dari interaksi yang terkait dengan Hukum Ketiga Newton: bola yang jatuh secara vertikal dan Bumi. Bola jatuh ke tanah karena Bumi memberikan gaya tarik menarik, yang dikenal sebagai gravitasi. Gaya ini menyebabkan bola jatuh dengan percepatan konstan 9,8 m/s 2 .

Namun, hampir tidak ada yang berpikir tentang fakta bahwa bola juga memberikan gaya tarik menarik di Bumi. Tentu saja bumi tetap tidak berubah, karena massanya jauh lebih besar daripada massa bola dan karenanya mengalami percepatan yang dapat diabaikan.

Hal penting lainnya tentang hukum ketiga Newton adalah kontak antara dua objek yang berinteraksi tidak diperlukan. Terbukti dari contoh yang baru saja dikutip: bola belum melakukan kontak dengan Bumi, tetapi tetap memberikan daya tariknya. Dan bola di Bumi juga.

Gaya seperti gravitasi, yang bekerja secara tidak jelas apakah ada kontak antara benda atau tidak, disebut “gaya aksi pada jarak”. Di sisi lain, gaya seperti gesekan dan normal mengharuskan benda yang berinteraksi bersentuhan, itulah sebabnya mereka disebut “gaya kontak”.

Rumus diambil dari contoh

Kembali ke bola – Pasangan bumi objek, memilih indeks P untuk bola dan T untuk bumi dan menerapkan hukum kedua Newton untuk setiap peserta dalam sistem ini, kita memperoleh:

Hasil F = m. a

Hukum ketiga menyatakan bahwa:

m P a P = – m T a T

a P = 9,8 m / s 2 diarahkan vertikal ke bawah. Karena gerakan ini terjadi sepanjang arah vertikal, notasi vektor (tebal) dapat dihilangkan; dan memilih arah ke atas sebagai positif dan ke bawah sebagai negatif, kita memiliki:

a P = 9,8 m / s 2

m T 6 x 10 24 Kg

Terlepas dari massa bola, percepatan Bumi adalah nol. Itulah mengapa diamati bahwa bola jatuh ke arah Bumi dan bukan sebaliknya.

Pengoperasian roket

Roket adalah contoh yang baik dari penerapan hukum ketiga Newton. Roket yang ditunjukkan pada gambar di awal naik berkat propulsi gas panas dengan kecepatan tinggi.

Banyak yang percaya bahwa ini terjadi karena gas-gas ini entah bagaimana “bersandar” di atmosfer atau tanah untuk menopang dan mendorong roket. Ini tidak bekerja seperti itu.

Sama seperti roket yang memberikan gaya pada gas dan mendorongnya ke belakang, gas memberikan gaya pada roket, yang memiliki modulus yang sama, tetapi arahnya berlawanan. Gaya inilah yang membuat roket mengalami percepatan ke atas.

Jika Anda tidak memiliki roket seperti itu, ada cara lain untuk memeriksa apakah Hukum Ketiga Newton berfungsi untuk memberikan propulsi. Roket air dapat dibangun, di mana daya dorong yang diperlukan disediakan oleh air yang dikeluarkan melalui gas bertekanan.

Perlu dicatat bahwa memulai roket air membutuhkan waktu dan membutuhkan banyak tindakan pencegahan.

Penggunaan sepatu roda

Cara yang lebih terjangkau dan langsung untuk memeriksa pengaruh Hukum Ketiga Newton adalah dengan mengenakan sepasang sepatu roda dan mendorong diri Anda ke dinding.

Sebagian besar waktu, kemampuan untuk mengerahkan gaya dikaitkan dengan benda-benda yang bergerak, tetapi kenyataannya adalah bahwa benda-benda yang tidak bergerak juga dapat mengerahkan gaya. Skater didorong mundur berkat kekuatan yang diberikan oleh dinding yang tidak bergerak padanya.

Permukaan yang bersentuhan memberikan gaya kontak (normal) satu sama lain. Ketika sebuah buku berada di atas meja horizontal, buku itu memberikan gaya vertikal yang disebut normal padanya. Buku tersebut memberikan gaya vertikal di atas meja dengan nilai numerik yang sama dan arah yang berlawanan.

Eksperimen untuk anak-anak: skater

Anak-anak dan orang dewasa dapat dengan mudah mengalami hukum ketiga Newton dan memverifikasi bahwa gaya aksi dan reaksi tidak membatalkan dan mampu memberikan gerakan.

Dua skater di atas es atau di permukaan yang sangat halus dapat saling mendorong dan mengalami gerakan dalam arah yang berlawanan, apakah mereka memiliki massa yang sama atau tidak, berkat hukum aksi dan reaksi.

Pertimbangkan dua skater dengan massa yang sangat berbeda. Mereka berada di tengah gelanggang es dengan gesekan yang dapat diabaikan dan awalnya diam. Pada saat tertentu mereka mendorong satu sama lain dengan menerapkan kekuatan konstan dengan telapak tangan mereka. Bagaimana mereka berdua akan bergerak?

Dua skater saling mendorong di tengah gelanggang es. Sumber: Benjamin Crowell (pengguna Wikipedia bcrowell) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]

Penting untuk dicatat bahwa karena ini adalah permukaan tanpa gesekan, satu-satunya gaya yang tidak seimbang adalah gaya yang diterapkan para skater satu sama lain. Meskipun berat dan kerja normal pada keduanya, gaya ini seimbang, jika tidak skater akan berakselerasi ke arah vertikal.

Rumus yang diterapkan dalam contoh ini

Hukum III Newton menyatakan bahwa:

F 12 = – F 21

Artinya, gaya yang diberikan oleh skater 1 pada 2 sama besarnya dengan yang diberikan oleh 2 pada 1, dengan arah yang sama dan arah yang berlawanan. Perhatikan bahwa gaya-gaya ini diterapkan pada objek yang berbeda, dengan cara yang sama seperti gaya yang diterapkan pada bola dan Bumi pada contoh konseptual sebelumnya.

m 1 a 1 = -m 2 a 2

Karena gayanya berlawanan, percepatan yang ditimbulkannya juga akan berlawanan, tetapi besarnya akan berbeda, karena setiap skater memiliki massa yang berbeda. Mari kita lihat akselerasi yang diperoleh skater pertama:

Sehingga gerakan yang terjadi selanjutnya adalah pemisahan kedua skater dengan arah yang berlawanan. Pada prinsipnya para skater sedang beristirahat di tengah lintasan. Masing-masing memberikan gaya pada yang lain yang memberikan percepatan selama tangan bersentuhan dan dorongan berlangsung.

Setelah itu para skater menjauh satu sama lain dengan gerakan bujursangkar yang seragam, karena gaya yang tidak seimbang tidak lagi bekerja. Kecepatan setiap skater akan berbeda jika massa mereka juga.

Latihan diselesaikan

Untuk memecahkan masalah di mana hukum Newton harus diterapkan, perlu untuk menggambar gaya yang bekerja pada objek dengan hati-hati. Gambar ini disebut “diagram benda bebas” atau “diagram benda terisolasi”. Gaya yang diberikan oleh tubuh pada benda lain tidak boleh ditunjukkan dalam diagram ini.

Jika ada lebih dari satu objek yang terlibat dalam masalah, perlu untuk menggambar diagram benda bebas untuk masing-masing objek, mengingat bahwa pasangan aksi-reaksi bekerja pada benda yang berbeda.

1- Para skater pada bagian sebelumnya memiliki massa masing-masing m 1 = 50 kg dan m 2 = 80 kg. Mereka saling mendorong dengan gaya konstan 200 N. Dorongan berlangsung selama 0,40 detik. Bertemu:

a) Percepatan yang diperoleh setiap skater berkat dorongan.

b) Kecepatan masing-masing saat mereka terpisah

Penyelesaian

a) Ambil sebagai arah horizontal positif arah yang bergerak dari kiri ke kanan. Menerapkan hukum kedua Newton dengan nilai-nilai yang diberikan oleh pernyataan, kita memiliki:

F 21 = m 1 a1

Darimana:

Untuk skater kedua:

b) Untuk menghitung kecepatan yang dibawanya sesaat setelah berpisah, persamaan kinematik dari gerak lurus berpercepatan seragam digunakan:

Kecepatan awal adalah 0, karena mereka diam di tengah lintasan:

v f = at

v f1 = a 1 t = -4 m / s 2 . 0,40 s = -1,6 m / s

v f2 = a 2 t = +2,5 m / s 2 . 0,40 s = +1 m / s

Hasil

Seperti yang diharapkan, orang 1 yang lebih ringan memperoleh akselerasi yang lebih besar dan karenanya kecepatan yang lebih besar. Sekarang perhatikan yang berikut tentang produk massa dan kecepatan setiap skater:

m 1 v 1 = 50 kg. (-1,6 m / s) = – 80 kg.m / s

m 2 v 2 = 80 kg. 1 m / s = +80 kg.m / s

Jumlah kedua produk adalah 0. Produk massa dan kecepatan disebut momentum P. Ini adalah vektor dengan arah dan kecepatan yang sama. Ketika skater dalam keadaan diam dan tangan mereka bersentuhan, dapat diasumsikan bahwa mereka membentuk objek yang sama yang momentumnya adalah:

P o = (m 1 + m 2 ) v o = 0

Setelah dorongan selesai, jumlah gerakan sistem skating tetap 0. Oleh karena itu jumlah gerakan dilestarikan.

Contoh hukum III Newton dalam kehidupan sehari-hari

Berjalan

Jalan kaki merupakan salah satu kegiatan sehari-hari yang bisa dilakukan. Jika diperhatikan dengan seksama, tindakan berjalan membutuhkan dorongan kaki ke tanah, sehingga mengembalikan kekuatan yang sama dan berlawanan pada kaki pejalan kaki.

Saat kita berjalan, kita terus-menerus menerapkan hukum ketiga Newton. Sumber: Pixabay.

Justru kekuatan itulah yang memungkinkan orang berjalan. Dalam penerbangan, burung mengerahkan kekuatan di udara dan udara mendorong sayap sehingga burung mendorong dirinya sendiri ke depan.

Pergerakan mobil

Di dalam mobil, roda memberikan gaya pada trotoar. Berkat reaksi trotoar, itu memberikan gaya pada ban yang mendorong mobil ke depan.

Olahraga

Dalam olahraga, kekuatan aksi dan reaksi sangat banyak dan memiliki partisipasi yang sangat aktif.

Sebagai contoh, mari kita lihat seorang atlet dengan kakinya bertumpu pada blok starter. Balok memberikan gaya normal sebagai reaksi terhadap dorongan yang diberikan atlet padanya. Akibat dari normal dan berat badan pelari ini, menghasilkan gaya horizontal yang memungkinkan atlet untuk mendorong dirinya ke depan.

Atlet menggunakan blok starter untuk menambah momentum ke depan di awal. Sumber: Pixabay.

Selang kebakaran

Contoh lain di mana hukum ketiga Newton hadir adalah pada petugas pemadam kebakaran yang memegang selang kebakaran. Ujung selang besar ini memiliki pegangan pada nosel yang harus dipegang oleh petugas pemadam kebakaran saat pancaran air keluar, untuk menghindari recoil yang terjadi saat air keluar dengan kecepatan penuh.

Untuk alasan yang sama, lebih mudah untuk mengikat perahu ke dermaga sebelum meninggalkannya, karena ketika mereka didorong untuk mencapai dermaga, sebuah gaya diberikan kepada perahu yang memindahkannya darinya.

Referensi

  1. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Kegunaan. Edisi keenam. Aula Prentice. 80 – 82.
  2. Rex, A. 2011. Dasar-dasar Fisika. Pearson. 73 – 75.
  3. Tipler, P. 2010. Fisika. Jilid 1. Edisi ke-5. Redaksi Reverte. 94 – 95.
  4. Stern, D. 2002. Dari astronom hingga pesawat luar angkasa. Diambil dari: pwg.gsfc.nasa.gov.

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