sttlmataram.ac.id

Memahami Gaya Aksi-Reaksi: Contoh Soal Hukum 3 Newton untuk Kelas 10

Pengantar

Fisika adalah ilmu yang mempelajari alam semesta dan bagaimana segala sesuatu di dalamnya berinteraksi. Salah satu pilar utama dalam fisika klasik adalah Hukum Gerak Newton, yang dirumuskan oleh Sir Isaac Newton. Ada tiga hukum dasar, dan ketiganya sangat fundamental dalam menjelaskan mengapa benda bergerak atau diam. Hukum pertama menjelaskan inersia, hukum kedua menjelaskan hubungan antara gaya, massa, dan percepatan (F=ma), dan hukum ketiga, yang akan kita bahas secara mendalam hari ini, menjelaskan konsep gaya aksi-reaksi.

Bagi siswa kelas 10, pemahaman Hukum 3 Newton sangat krusial karena seringkali menimbulkan kebingungan. Konsep "setiap aksi ada reaksi yang sama besar dan berlawanan arah" terdengar sederhana, namun penerapannya dalam soal seringkali menjebak. Artikel ini akan membawa Anda menyelami Hukum 3 Newton melalui berbagai contoh soal yang relevan dengan kurikulum kelas 10, lengkap dengan analisis mendalam dan langkah-langkah penyelesaian.

Mengingat Kembali Hukum 3 Newton

Sebelum masuk ke contoh soal, mari kita segarkan kembali pemahaman kita tentang Hukum 3 Newton. Hukum ini menyatakan:

"Untuk setiap gaya aksi, selalu ada gaya reaksi yang besarnya sama dan arahnya berlawanan."

Secara matematis, ini dapat ditulis sebagai:
F_aksi = -F_reaksi

Beberapa karakteristik penting dari pasangan gaya aksi-reaksi adalah:

1. Besarnya Sama: Kedua gaya memiliki magnitudo yang identik.
2. Arah Berlawanan: Kedua gaya bekerja dalam arah yang tepat berlawanan.
3. Bekerja pada Benda yang Berbeda: Ini adalah poin paling penting dan seringkali menjadi sumber kebingungan. Gaya aksi bekerja pada suatu benda, sedangkan gaya reaksi bekerja pada benda lain yang berinteraksi. Ini berarti gaya-gaya aksi-reaksi tidak pernah saling meniadakan karena bekerja pada objek yang berbeda.
4. Muncul Serentak: Kedua gaya muncul dan hilang pada saat yang bersamaan.
5. Jenis Gaya yang Sama: Jika gaya aksi adalah gaya gravitasi, maka gaya reaksinya juga gaya gravitasi. Jika gaya aksi adalah gaya sentuh, gaya reaksinya juga gaya sentuh.

Contoh sehari-hari yang paling sederhana adalah ketika Anda mendorong dinding. Anda mengerahkan gaya ke dinding (aksi), dan dinding mengerahkan gaya yang sama besar namun berlawanan arah ke tangan Anda (reaksi).

Langkah-langkah Memecahkan Soal Hukum 3 Newton

Untuk memecahkan soal yang melibatkan Hukum 3 Newton, ikuti langkah-langkah berikut:

1. Pahami Soal: Baca soal dengan cermat dan identifikasi semua informasi yang diberikan serta apa yang ditanyakan.
2. Identifikasi Benda yang Berinteraksi: Tentukan benda-benda mana saja yang terlibat dalam interaksi gaya.
3. Gambarkan Diagram Gaya Bebas (FBD): Untuk setiap benda yang relevan, gambarkan FBD yang menunjukkan semua gaya yang bekerja pada benda tersebut. Ini sangat penting untuk memvisualisasikan gaya-gaya.
4. Identifikasi Pasangan Aksi-Reaksi: Setelah menggambar FBD, cari pasangan gaya aksi-reaksi. Ingat, mereka selalu bekerja pada benda yang berbeda.
5. Terapkan Hukum Newton Lainnya: Jika soal melibatkan gerak atau keseimbangan, terapkan Hukum 2 Newton (ΣF = ma) atau Hukum 1 Newton (ΣF = 0).
6. Selesaikan Perhitungan: Gunakan persamaan yang telah Anda susun untuk menghitung nilai yang ditanyakan.

Mari kita terapkan langkah-langkah ini dalam beberapa contoh soal.

Contoh Soal 1: Mendorong Dinding

Soal:
Seorang anak mendorong dinding dengan gaya sebesar 75 N ke arah timur.
a. Berapa besar gaya yang diberikan dinding kepada anak tersebut?
b. Gambarkan pasangan gaya aksi-reaksi yang terjadi.
c. Apakah gaya dorong anak ke dinding dan gaya gravitasi yang bekerja pada anak merupakan pasangan aksi-reaksi? Jelaskan.

Penyelesaian:

a. Besar Gaya Reaksi Dinding:
Menurut Hukum 3 Newton, setiap gaya aksi memiliki gaya reaksi yang sama besar dan berlawanan arah.

• Gaya aksi: Anak mendorong dinding dengan F_aksi = 75 N ke timur.
• Gaya reaksi: Dinding mendorong anak.
  Jadi, besar gaya yang diberikan dinding kepada anak adalah 75 N juga.

b. Pasangan Gaya Aksi-Reaksi:

• Gaya Aksi: Gaya yang diberikan anak pada dinding (75 N ke timur).
• Gaya Reaksi: Gaya yang diberikan dinding pada anak (75 N ke barat).

c. Apakah Gaya Dorong Anak ke Dinding dan Gaya Gravitasi pada Anak Merupakan Pasangan Aksi-Reaksi?
Tidak. Kedua gaya tersebut (gaya dorong anak ke dinding dan gaya gravitasi pada anak) bukan merupakan pasangan aksi-reaksi. Mari kita analisis mengapa:

• Gaya dorong anak ke dinding: Gaya ini bekerja pada dinding. Jenis gayanya adalah gaya sentuh.
• Gaya gravitasi pada anak: Gaya ini bekerja pada anak. Jenis gayanya adalah gaya non-sentuh (gaya tarik-menarik antara anak dan Bumi).

Ciri utama pasangan aksi-reaksi adalah mereka harus bekerja pada benda yang berbeda dan jenis gaya yang sama.

• Gaya dorong anak ke dinding bekerja pada dinding.
• Gaya gravitasi pada anak bekerja pada anak.
• Meskipun bekerja pada benda yang berbeda (dinding vs. anak), jenis gayanya berbeda (sentuh vs. gravitasi).

Pasangan aksi-reaksi yang benar untuk masing-masing gaya adalah:

• Pasangan aksi-reaksi untuk gaya dorong anak ke dinding adalah gaya dorong dinding ke anak.
• Pasangan aksi-reaksi untuk gaya gravitasi pada anak (yaitu, Bumi menarik anak) adalah gaya tarik anak ke Bumi.

Contoh Soal 2: Dua Balok Saling Bersentuhan

Soal:
Dua balok, A dan B, dengan massa masing-masing m_A = 3 kg dan m_B = 2 kg, diletakkan di atas permukaan lantai licin (tanpa gesekan). Sebuah gaya horizontal F = 25 N diberikan pada balok A, sehingga kedua balok bergerak bersama.
a. Hitung percepatan sistem balok.
b. Tentukan besar gaya kontak antara balok A dan balok B.
c. Identifikasi pasangan gaya aksi-reaksi yang terlibat dalam interaksi balok A dan B.

Penyelesaian:

a. Percepatan Sistem Balok:
Karena kedua balok bergerak bersama, kita dapat menganggapnya sebagai satu sistem dengan total massa M_total = m_A + m_B.

• M_total = 3 kg + 2 kg = 5 kg
• Gaya total yang bekerja pada sistem adalah F = 25 N.

Menggunakan Hukum 2 Newton (ΣF = ma):
ΣF = M_total a
25 N = (5 kg) a
a = 25 N / 5 kg
a = 5 m/s²

Jadi, percepatan sistem balok adalah 5 m/s².

b. Besar Gaya Kontak Antara Balok A dan Balok B:
Gaya kontak adalah gaya yang diberikan satu balok ke balok lainnya. Mari kita analisis gaya yang bekerja pada masing-masing balok secara terpisah.

• Analisis Balok B:
  Hanya ada satu gaya horizontal yang bekerja pada balok B, yaitu gaya dorong dari balok A (kita sebut F_AB). Gaya inilah yang menyebabkan balok B bergerak.
  Menggunakan Hukum 2 Newton pada balok B:
  ΣF_B = m_B a
  F_AB = (2 kg) (5 m/s²)
  F_AB = 10 N

• Analisis Balok A:
  Ada dua gaya horizontal yang bekerja pada balok A:

  1. Gaya dorong F = 25 N dari luar.
  2. Gaya kontak dari balok B yang mendorong balok A ke belakang (kita sebut F_BA). Gaya ini adalah gaya reaksi dari F_AB.
     Menggunakan Hukum 2 Newton pada balok A:
     ΣF_A = m_A a
     F – F_BA = m_A a
     25 N – F_BA = (3 kg) * (5 m/s²)
     25 N – F_BA = 15 N
     F_BA = 25 N – 15 N
     F_BA = 10 N

Kita lihat bahwa F_AB = 10 N dan F_BA = 10 N. Ini sesuai dengan Hukum 3 Newton. Besar gaya kontak antara balok A dan balok B adalah 10 N.

c. Identifikasi Pasangan Gaya Aksi-Reaksi dalam Interaksi Balok A dan B:

• Gaya Aksi: Gaya yang diberikan balok A pada balok B (F_AB = 10 N, ke arah gerak).
• Gaya Reaksi: Gaya yang diberikan balok B pada balok A (F_BA = 10 N, berlawanan arah gerak).

Kedua gaya ini besarnya sama (10 N), arahnya berlawanan, dan bekerja pada benda yang berbeda (F_AB pada balok B, F_BA pada balok A).

Contoh Soal 3: Orang di Dalam Lift

Soal:
Seorang pria bermassa 70 kg berdiri di atas timbangan di dalam lift. Tentukan pembacaan timbangan (gaya normal) dalam kasus-kasus berikut (gunakan g = 10 m/s²):
a. Lift diam.
b. Lift bergerak ke atas dengan percepatan 2 m/s².
c. Lift bergerak ke bawah dengan percepatan 3 m/s².
d. Lift bergerak ke atas dengan kecepatan konstan 4 m/s.
e. Lift bergerak ke bawah dengan perlambatan 1 m/s².

Penyelesaian:

Pembacaan timbangan adalah gaya normal (N) yang diberikan lantai lift (timbangan) pada pria tersebut. Gaya berat pria (W) selalu bekerja ke bawah.

• Massa pria (m) = 70 kg
• Percepatan gravitasi (g) = 10 m/s²
• Gaya berat pria (W) = m g = 70 kg 10 m/s² = 700 N

Kita akan menggunakan Hukum 2 Newton: ΣF = ma. Arah positif kita anggap ke atas.

a. Lift Diam:
Jika lift diam, percepatannya (a) = 0.
ΣF = ma
N – W = 0
N = W
N = 700 N
Pembacaan timbangan adalah 700 N.

b. Lift Bergerak ke Atas dengan Percepatan 2 m/s²:
Percepatan (a) = +2 m/s² (positif karena ke atas).
ΣF = ma
N – W = ma
N = W + ma
N = 700 N + (70 kg * 2 m/s²)
N = 700 N + 140 N
N = 840 N
Pembacaan timbangan adalah 840 N. Terasa lebih berat.

c. Lift Bergerak ke Bawah dengan Percepatan 3 m/s²:
Percepatan (a) = -3 m/s² (negatif karena ke bawah).
ΣF = ma
N – W = ma
N = W + ma
N = 700 N + (70 kg * -3 m/s²)
N = 700 N – 210 N
N = 490 N
Pembacaan timbangan adalah 490 N. Terasa lebih ringan.

d. Lift Bergerak ke Atas dengan Kecepatan Konstan 4 m/s:
Jika kecepatan konstan, percepatannya (a) = 0.
Ini sama dengan kasus lift diam.
ΣF = ma
N – W = 0
N = W
N = 700 N
Pembacaan timbangan adalah 700 N.

e. Lift Bergerak ke Bawah dengan Perlambatan 1 m/s²:
Perlambatan ke bawah berarti percepatan ke atas. Jadi, a = +1 m/s².
ΣF = ma
N – W = ma
N = W + ma
N = 700 N + (70 kg * 1 m/s²)
N = 700 N + 70 N
N = 770 N
Pembacaan timbangan adalah 770 N. Terasa sedikit lebih berat.

Identifikasi Pasangan Aksi-Reaksi dalam Kasus ini:

• Gaya Aksi: Gaya normal yang diberikan lantai lift pada pria (N, ke atas).
• Gaya Reaksi: Gaya yang diberikan pria pada lantai lift (besarnya N juga, ke bawah). Gaya inilah yang dibaca oleh timbangan.

Penting: Gaya berat (W) yang bekerja pada pria (tarikan Bumi pada pria) dan gaya normal (N) yang bekerja pada pria (dorongan lantai lift pada pria) bukanlah pasangan aksi-reaksi. Keduanya bekerja pada objek yang sama (pria), meskipun arahnya berlawanan.

• Pasangan aksi-reaksi untuk gaya berat pria (W) adalah gaya tarik pria pada Bumi.
• Pasangan aksi-reaksi untuk gaya normal (N) adalah gaya dorong pria pada lantai lift.

Contoh Soal 4: Prinsip Dorong Roket

Soal:
Sebuah roket meluncur ke atas dengan mengeluarkan gas panas ke bawah. Jika roket mengeluarkan gas dengan laju 50 kg/s dan kecepatan relatif gas terhadap roket adalah 1500 m/s, berapa besar gaya dorong (thrust) yang dihasilkan roket?

Penyelesaian:

Prinsip kerja roket adalah aplikasi langsung dari Hukum 3 Newton dan prinsip kekekalan momentum. Roket mendorong gas keluar (aksi), dan gas mendorong roket ke atas (reaksi).

• Laju massa gas yang dikeluarkan (dm/dt) = 50 kg/s
• Kecepatan relatif gas terhadap roket (v_relatif) = 1500 m/s

Gaya dorong (F_dorong) yang dihasilkan roket dapat dihitung dengan rumus:
F_dorong = v_relatif * (dm/dt)

F_dorong = 1500 m/s * 50 kg/s
F_dorong = 75.000 N

Jadi, besar gaya dorong (thrust) yang dihasilkan roket adalah 75.000 N atau 75 kN.

Identifikasi Pasangan Aksi-Reaksi:

• Gaya Aksi: Gaya yang diberikan roket pada gas buang (mendorong gas ke bawah).
• Gaya Reaksi: Gaya yang diberikan gas buang pada roket (mendorong roket ke atas, inilah gaya dorong).

Kesalahan Umum dan Tips dalam Memahami Hukum 3 Newton

1. Mengira Gaya pada Benda yang Sama adalah Aksi-Reaksi: Seperti yang dijelaskan di contoh lift, gaya berat dan gaya normal pada satu benda bukan pasangan aksi-reaksi. Ingat, aksi-reaksi selalu bekerja pada dua benda yang berbeda.
2. Melupakan Arah: Selalu perhatikan arah gaya. Gaya aksi dan reaksi selalu berlawanan arah.
3. Tidak Menggambar FBD: FBD adalah alat paling ampuh untuk memvisualisasikan semua gaya yang bekerja pada suatu benda. Tanpa FBD yang benar, sangat mudah untuk membuat kesalahan.
4. Tidak Memahami Konteks: Hukum 3 Newton menjelaskan interaksi antara dua objek. Jika Anda hanya melihat satu objek, Anda tidak akan menemukan pasangan aksi-reaksinya. Anda harus melihat kedua objek yang terlibat dalam interaksi.

Tips:

• Identifikasi Sistem: Tentukan dengan jelas benda apa saja yang menjadi bagian dari sistem Anda.
• Fokus pada Interaksi: Setiap kali ada kontak atau tarikan/dorongan antara dua benda, pikirkan tentang pasangan aksi-reaksi.
• Uji dengan Pertanyaan: Untuk setiap gaya, tanyakan: "Siapa yang memberikan gaya ini pada siapa?" Kemudian, pasangan reaksinya adalah "Benda yang menerima gaya itu memberikan gaya pada siapa yang memberikannya."

Kesimpulan

Hukum 3 Newton adalah konsep yang fundamental dalam fisika, menjelaskan bagaimana gaya selalu muncul berpasangan. Pemahaman yang kokoh tentang "aksi dan reaksi" yang bekerja pada benda yang berbeda adalah kunci untuk menghindari kebingungan. Melalui contoh-contoh soal di atas, kita telah melihat bagaimana Hukum 3 Newton diterapkan dalam berbagai skenario, mulai dari dorongan sederhana hingga dinamika lift dan prinsip roket.

Latihan secara konsisten, menggambar diagram gaya bebas dengan teliti, dan memahami perbedaan antara gaya yang bekerja pada satu objek versus pasangan aksi-reaksi yang bekerja pada objek berbeda, akan sangat membantu Anda menguasai konsep ini. Teruslah bereksperimen, bertanya, dan berlatih, karena fisika adalah tentang memahami dunia di sekitar kita.

Semoga artikel ini membantu pemahaman Anda tentang Hukum 3 Newton dan aplikasinya dalam contoh soal!