Uploaded by Tugas Komala

Buku Aajar Komalasari

advertisement
PETA KONSEP
Gravitasi
Hukum Universal
Gravitasi
Membahas
Newton
Gaya
Membahas
Gravitasi
KuatMembahas
Medan
Gravitasi
Resultan Gaya
Gravitasi
Resultan Kuat
Medan Gravitasi
Yang mendasari
Terdiri dari
Hukum I
Kepler
Hukum
Kepler
Hukum II
Kepler
Tujuan pembelajaran:
Dapat mendeskripsikan dan menganalisis hal-hal yang mempengaruhi:
1.
2.
3.
4.
Hukum Universal Gravitasi Newton
Resultan Gaya Gravitasi
Kuat Medan Gravitasi
Hukum Kepler
Hukum III
Kepler
MOTIVASI
“Pergantian Siang dan Malam”
Setiap daerah di Bumi mengalami siang dan malam, dengan panjang siang dan malam yang berbedabeda. Saat salah satu belahan Bumi mengalami malam maka belahan Bumi lainnya mengalami siang.
Pergantian siang dan malam ini karena Bumi mengalami Rotasi. Namun, bagaimana Bumi dapat
mengalami rotasi?
Rotasi Bumi terjadi disebabkan oleh adanya gaya gravitasi antara Bumi dan Matahari. Gravitasi
matahari menarik bumi ke pusat matahari, sedang gaya gravitasi bumi tetap mempertahankan posisi
bumi, sehingga menghasilkan gaya sentrifugal yang membuat bumi berputar pada porosnya dan
mengelilingi matahari agar tidak tertarik ke pusat gravitasi matahari atau tetap berada pada orbitnya.
Sumber: wartawarga.gunadarma.ac.id informasi-pendidikan.com Id.Wikipedia.org
Prediction
Coba renungkan cerita berikut ini:
1. Maya adalah seorang siswa SMA sedang mempraktikkan fenomena gerak suatu benda
yang dilempar vertikal ke atas. Maya melakukan hal tersebut pada beberapa benda. Apa
yang terjadi dengan benda-benda tersebut? Apakah melayang-layang dan lepas dari
permukaan bumi? Coba prediksi jawabanmu!
2. NASA akan meluncurkan sebuah satelit bermassa 600 kg dengan target posisi di antara
Bumi dan Bulan. Bima dan Sakti ingin memprediksi letak satelit tersebut agar tidak
mengalami gaya gravitasi. Berikut diskusi mereka:
Bima: Posisi satelit tersebut lebih dekat ke pusat bumi agar resultan gravitasi nol.
Deni: Posisi satelit tersebut lebih dekat ke pusat Bulan agar resultan gravitasi nol.
Lalu bagaimana pendapat kalian? Coba prediksi jawabanmu!
3. Astronot di dalam sebuah satelit yang mengorbit Bumi dan berada 300 km di atas
permukaan Bumi merasa tidak mempunyai bobot. Benarkah kuat medan gravitasi pada
ketinggian ini dapat diabaikan? Coba prediksi jawabanmu!
Observation
Coba lakukan kegiatan berikut ini:
Kegiatan 1:
1. Ambilah 2 atau 3 benda yang berbeda, kemudian lemparkanlah benda-benda tersebut
secara vertikal ke atas. Ulangi langkah tersebut sebanyak 5x.
• Amati apa yang akan terjadi dengan benda-benda tersebut?
…………………………………………………………………………………..
• Apa penyebabnya?
…………………………………………………………………………………..
2. Buka website berikut untuk melakukan simulasi:
https://phet.colorado.edu/sims/html/gravity-force-lab/latest/gravity-forcelab_en.html
Setelah itu akan muncul seperti berikut:
•
Isilah tabel pengamatan berdasarkan hasil pengamatan pada simulasi:
-
Mengubah jarak benda dengan menggeser penggaris ke kiri dan kanan, diukur
dari titik pusat massa benda.
Mengubah massa benda dengan cara mengklik tanda “< “ dan “>” pada simulasi
(massa satu dan dua) untuk memperkecil atau memperbesar massa benda.
No
Jarak benda
5 meter
5 meter
Massa 1
Massa 2
𝑀1 × π‘€2
Gaya Gravitasi (F)
5 meter
No
Jarak benda
Massa 1
Massa 2
𝑀1 × π‘€2
Gaya Gravitasi (F)
5 meter
6 meter
7 meter
-
Semakin
besar
massa
benda
maka,
semakin
.............................................Gaya gravitasi.
Semakin besar jarak benda, semakin ................................................. Gaya
gravitasi.
Berdasarkan kesimpulan diatas, rumuskanlah hukum Newton tentang gravitasi
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………….
3. Jika massa benda yang dilempar oleh kalian adalah 2 kg maka berapakah besar gaya
gravitasi yang dialami oleh benda tersebut? Carilah data besar massa Bumi dan jari-jari
Bumi melalui berbagai sumber!
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
……………………………………………..
Kegiatan 2:
1. Buka website berikut ini:
https://www.edumedia-sciences.com/en/media/646-earth-moon-gravitational-field
2. Klik field lines hingga muncul tanda ceklis
3. Dari simulasi tersebut, banyaknya garis-garis panah menunjukkan besarnya kuat medan
gravitasi. Dengan membandingkan kuat medan gravitasi Bumi dan Bulan, bagaimana
hubungan antara massa benda dengan kuat medan gravitasi?
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
4. Bagaimanakah hubungan antara kuat medan gravitasi dengan massa dan jarak benda
uji?
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
5. Berdasarkan masalah pada tahap prediction, berapakah besar kuat medan gravitasi yang
dialami astronot tersebut?
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Expalanation
Hukum Gravitasi Newton
Pernahkah anda berfikir, mengapa bulan tidak jatuh ke bumi atau meninggalkan
bumi? Mengapa jika ada benda yang dilepaskan akan jatuh ke bawah dan mengapa
satelit tidak jatuh? Lebih jauh anda dapat berfikir tentang gerak pada Tata Surya kita,
planet-planet dapat bergerak dengan teraturnya.
Senada dengan pemikiran-pemikiran di atas, Hukum gravitasi universal yang
dirumuskan oleh Newton, diawali dengan beberapa pemahaman dan pengamatan
empiris yang telah dilakukan oleh ilmuwan-ilmuwan sebelumnya. Newton pada saat
melihat buah apel jatuh juga berfikir yang sama. Mengapa apel bisa jatuh? Kemudian
Newton dapat menjelaskan bahwa bulan juga mendapatkan pengaruh yang sama seperti
buah apel itu.
A. Hukum Gravitasi Universal
Banyak filsuf
Yunani
kuno, seperti Aristoteles, percaya
bahwa halhal jatuh karena 'tempat alami' mereka di tanah. Hal yang lebih berat, jelas, jatuh lebih
cepat
dari hal-hal
yang ringan
karena batu jatuh lebih
cepat
dari
pada bulu, misalnya. Mereka percaya bahwa bulan harus terbuat dari bahan yang
sangat ringan untuk itu tidak jatuh ke bumi. Jelas, Yunani lain memiliki ide yang
berbeda, tapi ini adalah pandangan yang diterima pada saat itu.
Bertahun tahun kemudian baru diketahui bahwa ada gaya yang mempengaruhi
bulan sehingga tidak jatuh kebumi. Seorang ilmuwan bernama Newton mengusulkan
tentang teori gravitasi universal. Menurut Newton jika ada dua benda bermassa
didekatkan maka antara keduanya itu akan timbul gaya gravitasi atau gaya tarik
menarik antar massa. Besar gaya gravitasi ini sesuai dengan Hukum Newton yang
bunyinya sebagai berikut.
“Semua benda di alam akan menarik benda lain dengan gaya yang besarnya
sebanding dengan hasil kali massa partikel tersebut dan berbanding terbalik dengan
kuadrat jaraknya”
Secara matematis hukum Newton tentang gravitasi tersebut dapat dirumuskan
sebagai berikut:
π‘€π‘š
𝐹=𝐺 2
𝑅
dengan:
F = gaya gravitasi (Newton)
M, m = massa kedua benda (kg)
R = jarak antara benda (Meter)
G = konstanta gravitasi (6,67 x 10−4 π‘π‘š2 𝐾𝑔−2 )
Gaya gravitasi inilah yang membuat bulan tidak jatuh kebumi atau bumi tidak
jatuh kebulan, karena masing-masing dari mereka mempunyai gravitasi. Gaya
gravitasi ini juga yang mengakibatkan planet-planet sehingga berada tetap di sistem
tata surya, meskipun planet-planet tersebut terus bergerak. Newton menyimpulkan
bahwa gaya tarik menarik tadi berlaku secara universal untuk sembarang benda. Gaya
tadi kemudian dinamai sebagai gaya gravitasi.
B. Resultan Gaya Gravitasi
Resultan gaya gravitasi adalah besar gaya gravitasi total yang dialami oleh suatu
benda akibat gaya tarik dari benda-benda di dekatnya. Misal benda A berada di antara
benda B dan benda C, maka resultan gaya gravitasi yang dialami oleh benda A adalah
jumlah dari gaya gravitasi yang diberikan oleh benda B dan gaya gravitasi yang
diberikan oleh benda C. Resultan gaya gravitasi mengikuti prinsip penjumlahan vektor
sehingga kita harus memperhatikan arah gaya yang dialami benda. Ada beberapa
kondisi yang paling umum dalam pembahasan resultan gaya gravitasi, yaitu tiga benda
segaris, tiga benda pada sudut segitiga, tiga benda pada sudut persegi, dan sebagainya.
Resultan Gaya Gravitasi yang Dialami Oleh Benda
Bagaimana menentuan resultan gaya gravitasi yang dialami oleh sebuah benda jika
benda tersebut berada pada satu garis dengan dua benda lainnya. Sebagai contoh kita hanya
akan menggunakan tiga benda. Untuk jumlah benda atau titik yang lebih banyak, prinsipnya
sama saja yaitu berdasarkan penjumlahan vektor.
Benda Berada di Sebelah Kiri
Jika tiga benda A, B, dan C berada pada satu garis dan terpisah pada jarak
tertentu seperti terlihat pada gambar di atas.
Untuk menentukan resultan gaya gravitasi yang dialami oleh benda A, maka
sebagai alat bantu kita dapat menggambarkan arah gaya gravitasi yang dialami oleh
benda A akibat benda B dan benda C. Berikut ilustrasi arah gaya yang dialami oleh
benda A.
Dari gambar di atas dapat kita lihat bahwa benda B menarik benda A dengan
arah gaya ke kanan. Begitupula benda C menarik benda A dengan arah yang sama
yaitu ke kanan. Itu artinya gaya yang diberikan benda B dan C kepada benda A searah.
Gaya tarik menarik antara A dan B:
FAB = mA.mB
G
RAB2
Gaya tarik menarik antara A dan C:
FAC = G
mA.mC
RAC2
Karena searah, maka resultan gayanya adalah:
⇒ FA = FAB + FAC
⇒ FA = G.(mA.mB)/RAB2 + G.(mA.mC)/RAC2
Karena gaya tarik dari benda B dan benda C sama-sama ke kanan, maka arah
resultan gaya gravitasi yang dialami oleh benda A juga ke kanan.
Benda Berada di Bagian Tengah
Pada contoh gambar di atas, benda yang berada di tengah adalah benda B.
Resultan gaya gravitasi yang dialami oleh benda B dapat dilhat dari gambar arah gayagayanya sebagai berikut:
Dari gambar di atas, dapat kita lihat bahwa benda A menarik benda B dengan
arah gaya ke kiri sedangkan benda C menarik benda B dengan arah gaya ke kanan. Itu
artinya, gaya yang diberikan oleh benda A berlawanan arah dengan gaya yang
diberikan oleh benda C. Gaya tarik menarik antara B dan A:
FBA = FAB = G
mA.mB
RAB2
Gaya tarik menarik antara B dan C:
FBC = G
mB.mC
RBC2
Karena berlawanan arah, maka resultan gayanya adalah:
⇒ FB = FBA − FBC
⇒ FB = G.(mA.mB)/RAB2 − G.(mB.mC)/RBC2
Arah resultan gaya gravitasi yang dialami oleh benda B bergantung pada besar
gaya yang diberikan oleh benda A dan benda C. Jika gaya tarik dari benda C lebih
kuat dari benda A maka arah resultan gaya yang dialami benda B adalah ke kanan.
Sebaliknya,
jika
gaya
tarik
benda
A
lebih
kuat,
arahnya
ke
Benda Berada di Sebelah Kanan
Untuk benda C yang berada di sebelah kanan, maka garis arah gaya yang
bekerja pada benda C dapat dilihat dari gambar berikut ini.
Dari gambar dapat dilihat bahwa arah gaya yang diberikan oleh benda A searah
dengan arah gaya yang diberikan oleh benda B, yaitu sama-sama ke kiri.
Gaya tarik menarik antara C dan A:
mA.mC
FCA = FAC = G
RAC2
Gaya tarik menarik antara C dan B:
mB.mC
FCB = FBC = G
RBC2
Karena searah, maka resultan gayanya adalah:
kiri.
⇒ FC = FCA − FCB
⇒ FC = G.(mA.mC)/RAC2 − G.(mB.mC)/RBC2
Karena kedua gaya yang dialami oleh benda C sama-sama ke kiri, maka arah resultan gaya
gravitasi yang dialami oleh benda C juga ke kiri.
C. Medan Gravitasi
Konsep gaya gravitasi, dimana dua benda yang terpisah dan tidak saling sentuh
dapat memeberikan pengaruh satu sama lain, merupakan konsep yang sulit dipahami
bagi ilmuwan fisika klasik dahulu. Bagi mereka semua gaya harus melalui persentuhan,
minimal harus ada perataranya. Karena itu terkait dengan gaya gravitasi, mereka
memperkenalkan konsep medan gravitasi. Jadi pada ruang di sekitar sebuah benda yang
bermassa m akan timbul medan gravitasi.
Setiap benda menghasilkan medan gravitasi pada ruang disekitarnya. Coba
perhatikan ilustrasi diatas menunjukkan bahwa disekitar bumi terdapat kuat medan
gravitasi. Kuat medan gravitasi ini akan mempengaruhi benda benda yang berada
disekitarnya. Arah kuat medan gravitasi selalu menuju ke pusat benda. Kuat medan
gravitas dirumuskan sebagai berikut:
𝑔=
𝐹
π‘š
π‘š
=𝐺 2=𝐺 2
π‘š
𝑅
𝑅
Berdasarkan rumus umum untuk g, jika g’ adalah percepatan gravitasi pada
jarak a dari pusat bumi , dengan a > R seperti gambar di bawah ini:
Jika kuat medan gravitasi dengan jarak dibandingkan maka dapat diperoleh
grafik seperti berikut:
D. Hukum Kepler
Sebelum Newton menjelaskan tentang hukum gravitasi, gerak-gerak planet
pada tata surya kita telah dijelaskan oleh Kepler. Newton telah menunjukkan bahwa
secara umum jika suatu benda bergerak dipengaruhi oleh gaya sentral (gaya yang selalu
mengarah ke pusat gaya), maka lintasan benda tersebut kemudian berbentuk elips,
parabola, atau hiperbolik. Jalur atau orbit elips disebut orbit tertutup, sedangkan orbit
hiperbola dan parabola dikatakan untuk orbit terbuka. Contoh gaya sentral adalah gaya
gravitasi. Penjelasan Kepler ini kemudian dikenal sebagai hukum Kepler. Hukum ini
ada tiga yaitu:
1. Hukum I Kepler
Pada hukum persamaannya, Kepler menjelaskan tentang bentuk lingkaran orbit
planet. Bunyi hukum ini sebagai berikut.
“Lintasan setiap planet mengelilingi matahari merupakan sebuah elips dengan
matahari terletak pada salah satu titik fokusnya.”
Gambaran orbit planet sesuai hukum I Kepler dapat dilihat seperti pada Gambar
berikut.
2. Hukum II Kepler
Hukum kedua Kepler menjelaskan tentang kecepatan orbit planet. Bagaimana
kecepatan orbit planet tersebut? Perhatikan penjelasan berikut. “Setiap planet
bergerak sedemikian sehingga suatu garis khayal yang ditarik dari matahari ke
planet tersebut mencakup daerah dengan luas yang sama dalam waktu yang sama.”
Pada gambar diatas diperlihatkan contoh orbit planet terhadap matahari. Jarijari orbit dan kecepatan sudut planet pada orbit yang berbentuk elips akan selalu
bervariasi. Planet akan bergerak lebih cepat ketika berada dekat dengan matahari,
kemudian akan bergerak lebih lambat ketika berjarak jauh dari matahari. Hukum II
Kepler menyatakan bahwa luasan area (biru) nilainya konstan dimanapun planet
berada pada orbitnya diukur berdasarkan interval waktu yang sama.
3. Hukum III Kepler
Pada hukum ketiganya Kepler menjelaskan tentang periode revolusi planet.
Periode revolusi planet ini dikaitkan dengan jari-jari orbit rata-ratanya. Perhatikan
penjelasan berikut.
“Kuadrat periode planet mengitari matahari sebanding dengan pangkat tiga
rata-rata planet dari matahari.”
Hubungan di atas dapat dirumuskan secara matematis seperti persamaan
berikut.
π‘»πŸ 𝟐
π‘ΉπŸ πŸ‘
( ) =( )
π‘»πŸ
π‘ΉπŸ
Elaboration
Penerapan hukum kepler adalah pada fenomena aberasi bintang. Pada faktanya posisi
bintang selalu berada tetap pada suatu titik dilangit, tetapi pada pengamatan astronomi,
ditemulan bahwa posisi bintang mengalami pergeseran dari titik awalnya, pergeseran tersebut
tidak terlalu besar, tetapi cukup membuktikan bahwa memang sebenarnya bumilah yang
bergerak mengelilingi matahari. Selain itu ada beberapa penerapan lain, yaitu:
1. Gaya Gravitasi
Terjun Payung
Pada saat seseorang melakukan terjun payung, maka saat keluar dari pesawat terbang,
kepadanya berlaku gaya gravitasi yang menyebabkan penerjun payung bergerak ke
bawah
2. Medan Gravitasi
Medan gravitasi dapat didefinisikan sebagai “Ruang di sekitar satu benda bermassa di
mana benda bermassa lainnya dalam ruang itu akan mengalami gaya gravitasi,
penerapannya adalah letak dari satelit bumi yang ada pada medan gravitasi agar satelit
tidak jatuh ke bumi sebagai benda yang mempunyai gaya gravitasi yang kuat
3. Hukum Kepler
Penerapan hukum kepler adalah pada fenomena aberasi bintang. Pada faktanya posisi
bintang selalu berada tetap pada suatu titik dilangit, tetapi pada pengamatan astronomi,
ditemulan bahwa posisi bintang mengalami pergeseran dari titik awalnya, pergeseran
tersebut tidak terlalu besar, tetapi cukup membuktikan bahwa memang sebenarnya
bumilah yang bergerak mengelilingi matahari.
Write
Tuliskan kesimpulan dari pembahasan materi ”Hukum Gravitasi Newton” pada buku tugas!
Evaluation
1. Tentukan arah dan besar gaya gravitasi pada benda I, II dan III berikut ini:
2. Hitunglah gaya gravitasi pada 2 benda yang terpisah sejauh 5 m dan masing – masing
massanya 4 Kg dan 5 kg.
3. Waktu yang diperlukan oleh bumi untuk mengelilingi matahari yaitu 1 tahun dan
jarak rata-rata antara bumi dengan pusat tata surya nya yaitu 1,5 x 1011 m. Bila
diketahui ternyata periode orbit planet venus adalah 0,615 tahun, berapa jarak antara
matahari dengan venus?
4. Dua buah benda masing-masing massanya 7 kg dan 4 kg, terpisah pada jarak 120 cm.
Hitung gaya grafitasi antara kedua benda tersebut.
5. Asumsikan jarak bulan ke Bumi adalah 3,84×108 meter dan periode bulan
mengelilingi Bumi adalah 2,5×10106 6 s. Hitung massa Bumi!
DAFTAR PUSTAKA
Abdullah, Mikrajudin. 2016. Fisika Dasar 1. Kampus Ganesha
Kanginan, Marthen. 2017. Fisika Untuk SMA/MA Kelas XI. Cimahi : Erlangga.
Pujianto. 20113. Fisika SMA Kelas X. Klaten: PT. Intan Pariwara
https://www.edutafsi.com/2016/12/menentukan-resultan-gayagravitasi.html#:~:text=Edutafsi.
com%20%2D%20Resultan%20gaya%20gravitasi,dari%20benda%2Dbenda%20di
%20dekatnya
https://sumber.belajar.kemdikbud.go.id/repos/FileUpload/Gravitasi%20Newton-SH/Topik2.html#:~:text=Medan%20gravitasi%20yaitu%20daerah%20yang,sering%20diseb
ut%20dengan%20percepatan%20gravitasi
Download