SciSimulator
Kembali ke Eksperimen

Hukum Kedua Newton: Percepatan, Gaya, dan Massa Panduan

FisikaMenengahWaktu baca: 3 menit

Ikhtisar

Selidiki hubungan kuantitatif antara percepatan, gaya bersih, dan massa menggunakan metode kontrol variabel dan ticker timer untuk memverifikasi Hukum Kedua Newton F=maF = ma.

Latar Belakang

Pada tahun 1687, Isaac Newton pertama kali merinci secara sistematis tiga hukum gerak dalam karya pentingnya 'Principia Mathematica'. Hukum kedua mengungkapkan hubungan kuantitatif antara gaya, massa, dan percepatan, meletakkan dasar bagi mekanika klasik. Newton merangkum hukum universal ini yang berlaku untuk objek makroskopis berkecepatan rendah dengan mengamati fenomena seperti jatuhnya apel dan bulan yang mengorbit bumi, dikombinasikan dengan derivasi matematika. Eksperimen ini akan menggunakan ticker timer klasik untuk mengukur percepatan secara tepat menggunakan metode perbedaan berturut-turut dan memverifikasi hukum besar ini secara langsung.

Konsep Utama

Percepatan (aa)

a (m/s2)a \ (\text{m/s}^2)

Besaran fisik yang menggambarkan seberapa cepat kecepatan berubah. Semakin besar percepatan, semakin cepat kecepatan berubah. Dalam gerak lurus berubah beraturan, a=Δv/Δta = \Delta v / \Delta t.

Gaya (FF)

F (N)F \ (\text{N})

Interaksi antara benda, yang merupakan penyebab perubahan keadaan gerak benda. Gaya adalah vektor dengan besar dan arah.

Massa (mm)

m (kg)m \ (\text{kg})

Ukuran inersia suatu benda. Semakin besar massa, semakin sulit untuk mengubah keadaan geraknya (mempercepat atau memperlambat).

Metode Kontrol Variabel

Saat mempelajari masalah multi-variabel, pertahankan variabel lain konstan dan ubah hanya satu variabel untuk mengeksplorasi pengaruh variabel tersebut terhadap hasil.

Formula & Penurunan

Hukum Kedua Newton

F=maF = ma
Percepatan suatu benda berbanding lurus dengan gaya luar bersih yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya. Satuan gaya 'Newton' didefinisikan dari ini: gaya yang diperlukan untuk mempercepat benda 1kg1\text{kg} sebesar 1m/s21\text{m/s}^2 adalah 1N1\text{N}.

Percepatan dengan perbedaan berturut-turut

a=(x4+x5+x6)−(x1+x2+x3)9T2a = \frac{(x_4+x_5+x_6)-(x_1+x_2+x_3)}{9T^2}
Hitung percepatan menggunakan metode perbedaan berturut-turut dengan perpindahan antara 6 titik hitung yang berdekatan pada pita. TT adalah interval waktu antara titik hitung yang berdekatan (dalam eksperimen ini T=0.1sT = 0.1\text{s}). Metode ini memanfaatkan data sepenuhnya untuk mengurangi kesalahan yang tidak disengaja.

Langkah Eksperimen

  1. 1

    Menyelidiki hubungan antara percepatan dan gaya

    Pertahankan massa kereta M=0.5kgM = 0.5\text{kg} konstan. Atur gaya tarik FF menjadi 1.0N1.0\text{N}, 1.5N1.5\text{N}, 2.0N2.0\text{N}, dan 2.5N2.5\text{N} secara bergantian, lakukan eksperimen masing-masing, dan catat percepatannya. Amati: dengan massa konstan, bagaimana percepatan berubah dengan gaya tarik? (Petunjuk: Coba gambar grafik a-Fa\text{-}F)
  2. 2

    Menyelidiki hubungan antara percepatan dan massa

    Pertahankan gaya tarik F=1.0NF = 1.0\text{N} konstan. Atur massa kereta MM menjadi 0.5kg0.5\text{kg}, 1.0kg1.0\text{kg}, dan 1.5kg1.5\text{kg} secara bergantian, lakukan eksperimen masing-masing, dan catat percepatannya. Amati: dengan gaya konstan, bagaimana percepatan berubah dengan massa? (Petunjuk: Coba gambar grafik a-1/Ma\text{-}1/M)
  3. 3

    Menganalisis pita ticker

    Amati distribusi titik hitung pada pita ticker. Ambil 1 titik hitung setiap 5 titik, dan interval waktu antara titik hitung yang berdekatan adalah T=0.1sT = 0.1\text{s}. Ukur jarak antara titik hitung yang berdekatan x1,x2,...,x6x_1, x_2, ..., x_6. Pikirkan: Mengapa jarak antara titik hitung yang berdekatan menjadi semakin besar? Jenis gerakan apa yang ditunjukkan oleh kereta ini?
  4. 4

    Memperkenalkan gesekan

    Sesuaikan koefisien gesekan dari 00 menjadi 0.10.1 atau lebih tinggi. Ulangi eksperimen pada Langkah 1 dan amati penyimpangan percepatan yang diukur dari nilai teoretis. Pikirkan: Apa perbedaan antara percepatan yang diukur secara eksperimental dan nilai teoretis? Bagaimana menjelaskan perbedaan ini? Bagaimana cara 'menyeimbangkan gesekan' dalam eksperimen yang sebenarnya?

Hasil Pembelajaran

  • Mendeskripsikan dengan akurat isi dan signifikansi fisik dari Hukum Kedua Newton
  • Menguasai penerapan metode kontrol variabel dalam eksperimen fisika
  • Menggunakan metode perbedaan berturut-turut dengan mahir untuk memproses data pita dan menghitung percepatan
  • Memahami kesimpulan eksperimental dari a∝Fa \propto F (massa konstan) dan a∝1/ma \propto 1/m (gaya konstan)
  • Menganalisis sumber kesalahan eksperimental dan mengusulkan langkah-langkah perbaikan

Aplikasi Nyata

  • Performa akselerasi mobil: Memberikan dorongan yang lebih besar dari mesin atau mengurangi massa bodi dapat meningkatkan performa akselerasi. Mobil balap F1 menggunakan bodi serat karbon justru untuk mengurangi massa.
  • Peluncuran roket: Pembakaran bahan bakar roket memberikan dorongan. Saat bahan bakar dikonsumsi dan massa berkurang, percepatan terus meningkat dengan dorongan konstan.
  • Mulai lift: Ketika lift berakselerasi ke atas dari posisi diam, perasaan 'kelebihan berat badan' yang dialami orang adalah manifestasi dari gaya luar bersih.
  • Airbag: Mengurangi gaya dampak dengan memperpanjang waktu tabrakan pada dasarnya menggunakan deformasi F=maF = ma, F=m⋅Δv/ΔtF = m \cdot \Delta v / \Delta t.
  • Pelatihan olahraga: Percepatan awal pelari cepat berhubungan langsung dengan gaya tendangan tanah dan berat badan, yang juga merupakan dasar ilmiah untuk pengendalian berat badan.

Kesalahpahaman Umum

Salah
Gaya adalah penyebab mempertahankan gerak benda
Benar
Gaya adalah penyebab perubahan keadaan gerak benda, bukan mempertahankannya. Ketika suatu benda tidak dikenai gaya, ia akan mempertahankan gerak lurus beraturan atau tetap diam (Hukum Pertama Newton).
Salah
Percepatan berbanding lurus dengan kecepatan; semakin besar kecepatan, semakin besar percepatan
Benar
Tidak ada hubungan langsung antara percepatan dan kecepatan. Sebuah benda dapat memiliki kecepatan tinggi tetapi percepatan nol (gerak seragam), atau kecepatan nol tetapi percepatan tinggi (saat mulai).
Salah
Benda yang lebih berat jatuh lebih cepat
Benar
Dalam ruang hampa (mengabaikan hambatan udara), benda dengan massa berbeda jatuh dengan percepatan yang sama. Meskipun gravitasi F=mgF = mg sebanding dengan massa, karena a=F/m=ga = F/m = g, percepatan tidak bergantung pada massa.

Bacaan Lebih Lanjut

Siap untuk memulai?

Sekarang setelah Anda memahami dasar-dasarnya, mulailah eksperimen interaktif!

Mulai EksperimenMulai Kuis