sttlmataram.ac.id

Memahami Gaya Interaksi: Contoh Soal Hukum III Newton untuk Kelas X

Fisika adalah ilmu yang mempelajari bagaimana alam semesta bekerja, mulai dari skala terkecil hingga terbesar. Di antara banyak konsep fundamental, Hukum Gerak Newton adalah pilar utama yang menjelaskan mengapa benda bergerak dan berinteraksi. Isaac Newton merumuskan tiga hukum gerak yang revolusioner, dan Hukum Ketiga Newton, khususnya, membuka wawasan kita tentang sifat interaksi antar benda.

Bagi siswa kelas X, memahami Hukum III Newton tidak hanya penting untuk nilai ujian, tetapi juga untuk mengembangkan intuisi fisika yang kuat tentang dunia di sekitar kita. Artikel ini akan membawa Anda menelajahi Hukum III Newton secara mendalam melalui berbagai contoh soal, lengkap dengan pembahasan langkah demi langkah, untuk memastikan pemahaman yang komprehensif.

Mengingat Kembali: Apa Itu Hukum III Newton?

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

"Untuk setiap aksi, selalu ada reaksi yang sama besar dan berlawanan arah."

Secara matematis, ini sering ditulis sebagai:
Faksi = -Freaksi

Di mana tanda negatif menunjukkan arah yang berlawanan.

Ada beberapa poin krusial yang harus selalu diingat mengenai pasangan gaya aksi-reaksi:

1. Besar Sama, Arah Berlawanan: Kedua gaya memiliki magnitudo (besar) yang persis sama, tetapi arahnya saling berlawanan.
2. Bekerja pada Benda yang Berbeda: Ini adalah poin terpenting dan sering menjadi sumber kebingungan. Gaya aksi bekerja pada satu benda, sedangkan gaya reaksi bekerja pada benda lain yang berinteraksi. Karena bekerja pada benda yang berbeda, kedua gaya ini tidak pernah saling menghilangkan atau membatalkan efek satu sama lain.
3. Terjadi Secara Bersamaan: Gaya aksi dan reaksi muncul dan hilang secara bersamaan. Tidak ada yang mendahului yang lain.
4. Jenis Gaya yang Sama: Jika gaya aksi adalah gaya normal, maka gaya reaksinya juga gaya normal. Jika gaya aksi adalah gaya gravitasi, maka gaya reaksinya juga gaya gravitasi.

Miskonsepsi Umum:
Salah satu miskonsepsi paling umum adalah bahwa jika dua gaya sama besar dan berlawanan arah, benda akan tetap diam karena gaya-gaya tersebut "saling menghilangkan". Ini keliru karena, seperti yang disebutkan di atas, gaya aksi dan reaksi bekerja pada benda yang berbeda. Agar gaya-gaya saling menghilangkan, mereka harus bekerja pada benda yang sama.

Strategi Pemecahan Masalah Fisika

Untuk menyelesaikan soal-soal fisika, terutama yang melibatkan Hukum Newton, ikuti strategi umum ini:

1. Baca Soal dengan Cermat: Pahami apa yang diketahui, apa yang ditanyakan, dan kondisi-kondisi spesifik yang diberikan.
2. Gambar Diagram (Diagram Benda Bebas – FBD): Ini adalah langkah krusial. Gambarlah setiap benda yang terlibat dan semua gaya yang bekerja padanya. Tandai arah gaya dengan panah.
3. Identifikasi Pasangan Aksi-Reaksi: Untuk setiap interaksi, identifikasi pasangan gaya aksi-reaksi yang terlibat.
4. Terapkan Hukum Newton yang Relevan:
   • Jika benda dalam keadaan setimbang (diam atau bergerak dengan kecepatan konstan), gunakan Hukum I Newton (ΣF = 0).
   • Jika benda mengalami percepatan, gunakan Hukum II Newton (ΣF = ma).
   • Selalu gunakan Hukum III Newton untuk mengidentifikasi gaya-gaya interaksi antar benda.
5. Susun Persamaan dan Selesaikan: Masukkan nilai-nilai yang diketahui dan selesaikan untuk variabel yang tidak diketahui.
6. Periksa Satuan dan Kewajaran Jawaban: Pastikan satuan sesuai dan jawaban memiliki nilai yang masuk akal.

Contoh Soal Hukum III Newton

Mari kita selami beberapa contoh soal yang bervariasi untuk memperkuat pemahaman Anda.

Contoh Soal 1: Mendorong Dinding

Soal:
Seseorang mendorong dinding dengan gaya sebesar 100 N ke arah timur. Jelaskan dan identifikasi pasangan gaya aksi-reaksi yang terlibat dalam peristiwa ini.

Pembahasan:

1. Identifikasi Aksi: Gaya aksi adalah gaya yang diberikan oleh orang kepada dinding.

   • Aksi: Gaya dorong 100 N ke timur yang diberikan oleh orang pada dinding.

2. Identifikasi Reaksi: Menurut Hukum III Newton, akan ada gaya reaksi yang sama besar dan berlawanan arah.

   • Reaksi: Gaya dorong 100 N ke barat yang diberikan oleh dinding pada orang.

3. Penjelasan: Ketika seseorang mendorong dinding, dinding tersebut juga mendorong balik orang tersebut dengan gaya yang sama besar tetapi arahnya berlawanan. Inilah mengapa jika Anda mendorong dinding terlalu keras, Anda mungkin akan terdorong mundur. Kedua gaya ini, meskipun sama besar dan berlawanan arah, tidak saling menghilangkan karena gaya aksi bekerja pada dinding, sedangkan gaya reaksi bekerja pada orang. Dinding tidak bergerak karena gaya reaksi yang diberikan orang pada dinding tidak cukup untuk meruntuhkannya, sementara orang bisa bergerak karena gaya reaksi dari dinding mampu mengubah keadaan geraknya.

Contoh Soal 2: Buku di Atas Meja

Soal:
Sebuah buku diletakkan di atas meja. Identifikasi semua pasangan gaya aksi-reaksi yang terkait dengan buku tersebut.

Pembahasan:

Dalam situasi ini, ada dua jenis interaksi utama yang melibatkan buku: interaksi dengan Bumi (melalui gravitasi) dan interaksi dengan meja (melalui gaya kontak/normal).

1. Interaksi antara Buku dan Bumi (Gaya Gravitasi):

   • Aksi: Gaya gravitasi Bumi yang menarik buku ke bawah (sering disebut berat buku, W_buku).
   • Reaksi: Gaya gravitasi buku yang menarik Bumi ke atas.
   • Catatan Penting: Banyak siswa keliru menganggap gaya normal sebagai reaksi dari gaya gravitasi. Ini salah! Gaya gravitasi (berat) adalah interaksi antara benda dan planet, sedangkan gaya normal adalah interaksi kontak antara dua permukaan.

2. Interaksi antara Buku dan Meja (Gaya Normal):

   • Aksi: Gaya yang diberikan oleh buku pada meja ke bawah (yaitu, buku menekan meja). Ini adalah gaya kontak yang besarnya sama dengan gaya normal.
   • Reaksi: Gaya normal yang diberikan oleh meja pada buku ke atas (N_meja_buku).
   • Penjelasan: Ketika buku diletakkan di atas meja, buku memberikan tekanan ke bawah pada meja. Sebagai balasannya, meja memberikan gaya ke atas pada buku, yang kita sebut gaya normal, mencegah buku jatuh menembus meja. Pasangan gaya ini adalah gaya kontak, bukan gaya gravitasi.

Ringkasan Pasangan Aksi-Reaksi:

• (Gaya gravitasi Bumi pada buku) dan (Gaya gravitasi buku pada Bumi)
• (Gaya buku pada meja) dan (Gaya meja pada buku / Gaya Normal)

Contoh Soal 3: Dua Balok yang Didorong di Permukaan Licin

Soal:
Dua balok, A (massa 2 kg) dan B (massa 3 kg), bersentuhan dan diletakkan di atas permukaan horizontal yang licin sempurna. Sebuah gaya dorong F = 20 N diberikan pada balok A seperti ditunjukkan pada gambar (asumsikan F mendorong A menuju B).
a. Hitung percepatan sistem balok.
b. Hitung gaya kontak antara balok A dan B.

Pembahasan:

a. Menghitung Percepatan Sistem:
Karena permukaan licin, kita dapat mengabaikan gaya gesek. Kita bisa memperlakukan kedua balok sebagai satu sistem tunggal karena mereka bergerak bersama dengan percepatan yang sama.

• Massa total sistem (M) = massa A (mA) + massa B (mB) = 2 kg + 3 kg = 5 kg
• Gaya total yang bekerja pada sistem (ΣF) = F = 20 N (karena gaya ini mendorong seluruh sistem)

Menggunakan Hukum II Newton (ΣF = Ma):
20 N = (5 kg) * a
a = 20 N / 5 kg
a = 4 m/s²

Jadi, percepatan kedua balok adalah 4 m/s².

b. Menghitung Gaya Kontak antara Balok A dan B:

Untuk menghitung gaya kontak, kita perlu menganalisis gaya-gaya yang bekerja pada masing-masing balok secara terpisah, menggunakan konsep gaya aksi-reaksi.

• Diagram Benda Bebas (FBD) untuk Balok B:
  Balok B hanya merasakan satu gaya horizontal yang menyebabkannya bergerak, yaitu gaya dorong dari balok A (kita sebut F_AB).
  Menurut Hukum II Newton pada balok B:
  ΣF_B = mB a
  F_AB = 3 kg 4 m/s²
  F_AB = 12 N

• Diagram Benda Bebas (FBD) untuk Balok A:
  Balok A merasakan dua gaya horizontal: gaya dorong F = 20 N, dan gaya reaksi dari balok B (kita sebut F_BA). Arah F_BA berlawanan dengan F_AB.
  Menurut Hukum II Newton pada balok A:
  ΣF_A = mA a
  F – F_BA = mA a
  20 N – F_BA = 2 kg * 4 m/s²
  20 N – F_BA = 8 N
  F_BA = 20 N – 8 N
  F_BA = 12 N

Verifikasi Hukum III Newton:
Kita menemukan bahwa F_AB = 12 N (gaya A pada B) dan F_BA = 12 N (gaya B pada A). Kedua gaya ini sama besar dan berlawanan arah (F_AB mendorong B ke kanan, F_BA mendorong A ke kiri). Ini mengkonfirmasi Hukum III Newton.

Jadi, gaya kontak antara balok A dan B adalah 12 N.

Contoh Soal 4: Seseorang Mengangkat Kotak

Soal:
Seorang pekerja mengangkat sebuah kotak bermassa 10 kg dengan percepatan ke atas sebesar 2 m/s².
a. Berapa gaya yang diberikan pekerja pada kotak?
b. Berapa gaya yang diberikan kotak pada pekerja? (Gunakan g = 10 m/s²)

Pembahasan:

a. Gaya yang Diberikan Pekerja pada Kotak:

1. Identifikasi Gaya pada Kotak:

   • Gaya ke atas yang diberikan pekerja pada kotak (F_pekerja_kotak).
   • Gaya gravitasi (berat) kotak ke bawah (W_kotak = m_kotak * g).

2. Gambar FBD untuk Kotak:

   • Panah ke atas: F_pekerja_kotak
   • Panah ke bawah: W_kotak

3. Terapkan Hukum II Newton: Karena kotak bergerak dengan percepatan ke atas, arah positif kita ambil ke atas.
   ΣF_y = m_kotak a
   F_pekerja_kotak – W_kotak = m_kotak a
   F_pekerja_kotak – (10 kg 10 m/s²) = 10 kg 2 m/s²
   F_pekerja_kotak – 100 N = 20 N
   F_pekerja_kotak = 20 N + 100 N
   F_pekerja_kotak = 120 N

Jadi, gaya yang diberikan pekerja pada kotak adalah 120 N ke atas.

b. Gaya yang Diberikan Kotak pada Pekerja:

Menurut Hukum III Newton, gaya yang diberikan kotak pada pekerja adalah pasangan aksi-reaksi dari gaya yang diberikan pekerja pada kotak.

• Aksi: Gaya 120 N ke atas yang diberikan pekerja pada kotak.
• Reaksi: Gaya 120 N ke bawah yang diberikan kotak pada pekerja.

Jadi, gaya yang diberikan kotak pada pekerja adalah 120 N ke bawah. Pekerja merasakan kotak "lebih berat" daripada massa sebenarnya karena harus menahan beratnya dan memberikan gaya tambahan untuk mempercepatnya ke atas.

Contoh Soal 5: Roket Meluncur

Soal:
Jelaskan prinsip kerja peluncuran roket menggunakan Hukum III Newton.

Pembahasan:

Prinsip kerja roket adalah salah satu contoh paling gamblang dari aplikasi Hukum III Newton.

1. Aksi: Roket membakar bahan bakar di ruang pembakaran, menghasilkan gas panas bertekanan tinggi. Gas-gas ini kemudian didorong keluar (diekspulsi) melalui nosel roket dengan kecepatan sangat tinggi ke arah belakang (bawah). Ini adalah gaya aksi yang diberikan roket pada gas buang.

2. Reaksi: Menurut Hukum III Newton, gas buang yang diekspulsi tersebut akan memberikan gaya reaksi yang sama besar tetapi berlawanan arah pada roket. Jadi, gas buang mendorong roket ke arah depan (atas). Ini adalah gaya reaksi yang diberikan gas buang pada roket.

3. Penjelasan: Semakin banyak massa gas yang dikeluarkan per detik dan semakin tinggi kecepatan gas tersebut, semakin besar gaya dorong (thrust) yang dihasilkan pada roket. Gaya dorong inilah yang menyebabkan roket dapat meluncur ke angkasa, bahkan mengatasi gaya gravitasi Bumi. Penting untuk dipahami bahwa roket tidak "mendorong" udara di sekitarnya; ia mendorong gasnya sendiri. Inilah mengapa roket bisa bekerja di ruang hampa udara.

Kesimpulan

Hukum III Newton adalah konsep fundamental yang menjelaskan bagaimana gaya selalu muncul berpasangan. "Untuk setiap aksi, selalu ada reaksi yang sama besar dan berlawanan arah." Kunci untuk memahami hukum ini adalah selalu mengingat bahwa pasangan gaya aksi-reaksi bekerja pada dua benda yang berbeda, sehingga mereka tidak pernah saling menghilangkan.

Melalui contoh-contoh soal mulai dari yang konseptual seperti mendorong dinding, interaksi buku di meja, hingga aplikasi perhitungan pada balok yang didorong dan benda yang diangkat, serta prinsip kerja roket, diharapkan Anda dapat melihat betapa fundamentalnya Hukum III Newton dalam menjelaskan berbagai fenomena di sekitar kita.

Praktik adalah kunci dalam fisika. Cobalah untuk mengidentifikasi pasangan gaya aksi-reaksi dalam aktivitas sehari-hari Anda, seperti saat Anda berjalan, melompat, atau bahkan hanya duduk di kursi. Semakin sering Anda melatih diri untuk melihat interaksi ini, semakin kuat pemahaman Anda tentang Hukum Gerak Newton dan dunia fisika secara keseluruhan. Teruslah belajar dan bereksplorasi!

Perkiraan Kata: +/- 1200 kata.