HUKUM KETIGA NEWTON: APLIKASI, EKSPERIMEN DAN LATIHAN - FISIK - 2025

The hukum ketiga Newton , juga disebut aksi dan hukum reaksi menyatakan bahwa ketika sebuah exerts objek memaksa yang lain, yang exerts juga terakhir pada pertama kekuatan yang sama besarnya dan arah dan yang berlawanan arah.

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

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

Penjelasan dan rumus

Rumusan matematika Hukum Ketiga Newton sangat sederhana:

F ₁₂ = - F ₂₁

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

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

Pengamatan yang cermat terhadap hukum ketiga Newton menunjukkan perbedaan penting dengan dua yang pertama: ketika mereka memanggil satu objek, hukum ketiga mengacu pada dua objek yang berbeda.

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

Itulah sebabnya gaya aksi dan reaksi tidak saling meniadakan atau seimbang, meskipun memiliki besaran dan arah yang sama, tetapi berlawanan arah: keduanya diterapkan pada benda yang berbeda.

Aplikasi

Interaksi ball-ground

Berikut adalah penerapan sehari-hari dari interaksi yang terkait dengan Hukum Ketiga Newton: bola yang jatuh secara vertikal dan Bumi. Bola jatuh ke tanah karena bumi menggunakan gaya tarik yang disebut 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 atraktif di Bumi. Tentu saja bumi tetap tidak berubah, karena massanya jauh lebih besar daripada bola sehingga mengalami percepatan yang dapat diabaikan.

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

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

Rumus diambil dari contoh

Kembali ke pasangan benda bola - Bumi, memilih indeks P untuk bola dan T untuk bumi dan menerapkan hukum kedua Newton untuk setiap peserta dalam sistem ini, kami memperoleh:

_Menghasilkan F = m. untuk

Hukum ketiga menyatakan bahwa:

m _P a _P = - m _T a _T

a _P = 9,8 m / s ² diarahkan secara vertikal ke bawah. Karena pergerakan ini terjadi di sepanjang arah vertikal, notasi vektor (tebal) dapat diabaikan; dan memilih arah 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 untuk menerapkan hukum ketiga Newton. Roket yang ditunjukkan pada gambar di awal naik berkat penggerak 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. Tidak bekerja seperti itu.

Sama seperti roket memberikan gaya pada gas dan mengeluarkannya ke belakang, gas tersebut memberikan gaya pada roket, yang memiliki modulus yang sama, tetapi arahnya berlawanan. Gaya inilah yang memberi roket percepatan ke atas.

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

Perlu dicatat bahwa peluncuran roket air membutuhkan waktu dan 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 kekuatan dikaitkan dengan benda-benda yang bergerak, tetapi kenyataannya adalah bahwa benda yang tidak bergerak juga dapat menggunakan gaya. Skater didorong ke belakang berkat kekuatan yang diberikan dinding yang tidak bisa bergerak padanya.

Permukaan yang bersentuhan memberikan gaya kontak (normal) satu sama lain. Saat sebuah buku diletakkan di atas meja horizontal, ia menggunakan gaya vertikal yang disebut normal di atasnya. Di atas meja buku itu memberikan gaya vertikal dengan nilai numerik yang sama dan arah berlawanan.

Eksperimen untuk anak-anak: para skater

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

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

Pertimbangkan dua skater dengan massa yang sangat berbeda. Mereka berada di tengah-tengah gelanggang es dengan gesekan yang dapat diabaikan dan pada 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)

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

Rumus diterapkan dalam contoh ini

Hukum ketiga Newton menyatakan bahwa:

F ₁₂ = - F ₂₁

Artinya, gaya yang diberikan oleh skater 1 on 2 sama besarnya dengan yang diberikan oleh 2 on 1, dengan arah dan arah berlawanan yang sama. 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 sampai ₁ = -m ₂ sampai ₂

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

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

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

Latihan diselesaikan

Untuk menyelesaikan masalah di mana hukum Newton harus diterapkan, perlu untuk menggambar gaya yang bekerja pada benda dengan hati-hati. Gambar ini disebut "diagram benda-bebas" atau "diagram benda-terisolasi". Gaya yang diberikan benda pada benda lain tidak boleh ditampilkan dalam diagram ini.

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

a) Akselerasi yang diperoleh setiap skater berkat dorongan.

b) Kecepatan masing-masing saat mereka berpisah

Larutan

a) Ambil arah horizontal positif dari kiri ke kanan. Menerapkan hukum kedua Newton dengan nilai yang diberikan oleh pernyataan yang kita miliki:

F ₂₁ = m ₁ sampai ₁

Dari mana:

Untuk skater kedua:

b) Persamaan kinematik dari gerak bujursangkar yang dipercepat secara seragam digunakan untuk menghitung kecepatan yang dibawa ketika mereka terpisah:

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

v _f = pada

v _f1 = a ₁ t = -4 m / s ² . 0,40 dtk = -1,6 m / dtk

v _f2 = a ₂ t = +2,5 m / s ² . 0,40 dtk = +1 m / dtk

Hasil

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

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

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

Jumlah dari kedua perkaliannya adalah 0. Hasil kali massa dan kecepatan disebut momentum P. Ini adalah vektor dengan arah dan pengertian kecepatan yang sama. Ketika para skater sedang istirahat 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 dipertahankan.

Contoh hukum ketiga Newton dalam kehidupan sehari-hari

Berjalan

Jalan kaki adalah salah satu aktivitas sehari-hari yang bisa dilakukan. Jika diperhatikan dengan seksama, tindakan berjalan membutuhkan mendorong kaki ke tanah, sehingga mengembalikan gaya yang sama dan berlawanan pada kaki pejalan.

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

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

Pergerakan mobil

Di dalam mobil, roda mengerahkan tenaga di trotoar. Berkat reaksi trotoar, ia 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 atlet dengan sandaran kaki pada blok starter. Balok memberikan gaya normal sebagai reaksi terhadap dorongan yang diberikan atlet padanya. Hasil dari normal dan berat 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 pemadam

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

Untuk alasan yang sama, akan lebih mudah untuk mengikat perahu ke dermaga sebelum meninggalkannya, karena ketika mereka didorong untuk mencapai dermaga, perahu akan diberi gaya yang menjauhkannya dari dermaga.

Referensi

1. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Aplikasi. Edisi Keenam. Prentice Hall. 80 - 82.
2. Rex, A. 2011. Dasar-dasar Fisika. Pearson. 73 - 75.
3. Tipler, P. 2010. Fisika. Volume 1. Edisi ke-5. Pembalikan Editorial. 94 - 95.
4. Stern, D. 2002. Dari astronom hingga pesawat luar angkasa. Diambil dari: pwg.gsfc.nasa.gov.