PENENTUAN HUKUM II NEWTON DENGAN AIR TRACK DAN COMPUTER PHOTOGATE SYSTEM

OLEH: LUTVI DWI APRILIA (083184236) dan M. ZAINUDIN (083184239)Jurusan Fisika, FMIPA, UNESA.

AbstrakTelah dilakukan eksperimen mengenai Penentuan Hukum II Newton Menggunakan Air Track dan Computer Photogate System, yang bertujuan menyelidiki dan menentukan hukum II Newton dari gerak sebuah peluncur pada air track di bawah pengarh gaya konstan dengan menggunakan computer timing system. Metode yang digunakan adalah dengan merangkai alat seperti pada gambar percobaan dengan melakukan dua kali manipulasi yatu manipulasi massa beban penggantung dan massa glider. Dari percobaan yang telah kami lakukan, didapatkan nilai percepatan pada percobaan I tidak jauh berbeda dengan nilai percepatan hasil perhitungan. Dari percobaan yang telah kami lakukan dapat diketahui bahwa penambahan massa beban pengantung akan menambah gaya berat pada beban pengantung yang mengakibatkan percepatan sistem juga ikut bertambah dan hubungan antara perubahan gaya berat, beban penggantung sebanding lurus dengan perubahan percepatan pada sistem. Sebaliknya penambahan massa glider berbanding terbalik dengan percepatan sistem.

I. PENDAHULUANGaya merupakan suatu dorongan atau tarikan

yang diberikan pada suatu benda sehingga menyebabkan benda tersebut bergerak.

Hukum II Newton merupakan konsep penting untuk menjelaskan gerakan suatu benda di bawah pengaruh suatu gaya. Suatu benda bergerak secara linier sebesar P= m.v; dimana P=momentum, m=massa benda, v=kecepatan benda. Dari gerakan suatu benda tersebut merupakan hasil dari interaksinya dengan benda-benda di sekitarnya yang mengakibatkan perubahan gerakan, kecepatan dari benda dan menimbulkan perubahan momentumnya. Menurut Newton, laju perubahan momentum pada suatu partikel merupakan ukuran gaya yang bekerja pada benda tersebut. Jadi gaya yang bekerja pada benda itu sehubungan dengan momentumnya diberikan oleh

F=dPdt

dP = perubahan momentumdt = perubahan waktuF = gaya penggerak

F=d (m .v)

dt

F = mdvdt

F = m.aa = percepatan benda

Dari gambar di atas, diberlakukan hukum II NewtonTinjau benda 2

∑F = m.aw-T = m2.a

sehingga

a = m2

m1+m 2 . g

Perumusan di atas disebut sebagai hukum II Newton tentang gerak dan satuan yang diberikan untuk menyatakan besarnya gaya adalah Newton (N). Hukum II Newton berbunyi : “percepatan yang ditimbulkan oleh gaya yang bekerja pada suatu benda berbanding lurus dengan besarnya gaya yang bergerak tesebut serta mempunyai arah yang sama dan berbanding terbalik dengan massa kelembaman benda itu”.

Bila benda tersebut merupakan sistem massa yang dapat mempengaruhi suatu gerak sistem benda, maka akan banyak gaya ang ditimbulkan leh setiap bendanya, sehingga sistem massa tersebut akan memiliki gaya sebesar∑F=mt . a , dimana ∑F=resultan gaya yang ditimbulkan

mt =massa total sistem a =percepatan massa sistem

Rumusan MasalahDari latar belakang di atas dapat diambil rumusan masalah1)Bagaimana pengaruh pertambahan massa

glider terhadap besarnya percepatan glider?2)Bagaimana pengaruh pertambahan massa

beban penggantung terhadap besarnya percepatan glider?

m2

W

T

T

W

m1

N

Tujuan Percobaan1)Menyelidiki dan menentukan hukum II

Newton dari gerak sebuah peluncur pada air track di bawah pengaruh gaya konstan dengan menggunakan computer timing system.

Hipotesis1)Massa glider mempengaruhi percepatan

system. Semakin besar massa glider maka percepatan sistem berkurang

Semakin besar massa beban enggantung maka percepatan sistem bertambah.

II. METODE PERCOBAANRancangan percobaan

Alat dan Bahan1. Computer photogate timing system2. Air track3. Seperangkat massa4. Benang nilon5. Air supply6. Katrol7. Printer8. Papan peluncur(glider)

Variabel-variabelVariabel-variabel yang digunakan dalam

eksperimen adalah:

Percobaan I :

1. Variabel manipulasi : massa penggantung (mp)Definisi operasional : massa beban yang digantung pada ujung tali peluncur yang nilainya telah ditentukan (mp1, m p2, ..., m p5)

2. Variabel respon : waktu (t1, t2, t3)Definisi operasional : waktu yang dibutuhkan peluncur pada photogate pertama (t1) dan melewati photogate kedua (t2)

3. Variabel kontrol : jarak peluncur (sg), massa glider (mg), panjang glider (lg)Definisi operasional : perlakuan yang dijaga tetap dalam proses pengambilan data

Langkah Percobaan

Merangkai air track seperti pada gambar percobaan. Selanjutnya mengukur panjang glider dan mencatat hasinya sebagai lg. Mengukur dan mencatat jarak antara photogate I dan photogate II (sp), dan jarak peluncur (sg). Memastikan LED sensor menyala saat glider melewati photogate sebelum beban mencapai dasar. Menentukan massa penggantung sebagai mp, dan massa glider bergerak melewati photogate I dan photogate II, kemudian mengukur waktu yang tercatat pada photogate. Mencatat hasil percobaan ke dalam tabel dan mengulangi percobaan dengan massa penggantung yang berbeda.

Percobaan II:

1. Variabel manipulasi : massa glider (mg)Definisi operasional : massa glider yang nilainya telah ditentukan (mg1, m g2, m g3, ....,m g5)

2. Variabel respon : waktu (t1, t2, t3)Definisi operasional : waktu yang dibutuhkan peluncur pada photogate pertama (t1) dan melewati photogate kedua (t2)

3. Variabel kontrol : jarak peluncur (sg), massa penggantung (mp), panjang glider (lg)Definisi operasional : perlakuan yang dijaga tetap dalam proses pengambilan data

Langkah PercobaanMerangkai air track seperti pada gambar

percobaan. Selanjutnya mengukur panjang glider dan mencatat hasilnya sebagai lg. Mengatur dan mencatat jarak antara photogate I dan photogate II (sp), dan jarak peluncur (sg). Memastikan LED sensor menyala saat glider melewati photogate sebelum beban mengantung mencapai dasar atau lantai. Menentukan massa penggantung sebagai mp, dan massa glider sebagai mg. Menentukan massa total glider (mg) dan memastikan penambahan massa pada glider terdistribusi secara sistematis. Kemudian melepaskan glider sehingga glider bergerak melewati photogate I dan photogate II kemudian mengulur waktu yang tercatat pada photogate. Mencatat hasil percobaan ke dalam tabel dan mengulangi percobaan dengan massa glider yang berbeda.

III. DATA DAN ANALISISData percobaan ITabel 1.a

No mp

(gr)t1

(s)t2

(s)t3

(s)v1

(m/s)v2

(m/s)apercobaan

(m/s2)ahitung

(m/s2)1.2.3.4.5.

4050607080

0,15750,13860,12870,12300,1182

0,06170,04380,04490,04950,0436

0,10940,10510,09570,08360,0805

0,63940,72130,77720,81290,8459

0,92720,95111,0451,1961,241

1,5081,3871,7012,5052,766

1,47481,38781,70462,50722,7639

Keterangan :1)Massa glider(mg)=183,1 gr2)Jarak glider(sg)=60 cm3)Panjang glider(lg)= 13 cm4)Jarak antar photogate=20 cm5)Jarak photogate I=40 cm6)Jarak photogate II=20 cm

Analisis dataPada percobaan I dilakukan dengan memanipulasi massa penggantung dan diperoleh waktu yang tercatat pada photogate I dan photogate II dan t1, t2, t3. t1 adalah waktu yang tercatat pada photogate I, t2 adalah waktu yang dibutuhkan glider menempuh jarak photogate I dan photogate II. Selain itu juga didapatkan v1

dan v2 yang tercatat pada photogate I dan photogate II sehingga diperoleh percepatan sistem (a) setiap penambahan massa penggantung, yaitu sebagai berkut : 1,508 m/s2; 1,387 m/s2; 1,701 m/s2; 2,505 m/s2; 2,766 m/s2

.

Dari data yang diperoleh pada percobaan I dapat dicari nilai percepatannya (a) secara perhitungan dengan persamaan sebagai berikut :

a = v2 – v1

t 12

+t 2+t 32

dan didapatkan nilai percepatan hasil perhitungan tidak jauh berbeda dengan nilai hasil percobaan. Dari data yang diperoleh pada percobaan I dapat dicari percepatan (a) secara perhitungan, yaitu sebagai berikut : 1,4748 m/s2; 1,3878 m/s2;1,7046 m/s2; 2,5072 m/s2; 2,7639 m/s2. Secara teori, semakin besar nilai massa penggantung, maka percepatan sistem bertambah. Tetapi, pada data yang kedua, mengalami penurunan pada percobaan sistem sebesar 0,121 m/s2 saat massa penggantung bertambah. Bila nilai percepatan hasil percobaan dan hasil perhitngan diplot dalam grafik dengan data perubahan massa penggantung akan diperoleh.

Grafik 1.a

Analisis grafik 1.aBerdasarkan grafik di atas terlihat bahwa

semakin besar massa beban penggantung akan semakin besar percepatan sistem. Beban massa penggantung dimanipulasi sebesar 10 gram sehigga didapatkan grafik linier terhadap percepatan dengan linieritas grafik sebesar 85,4% atau percepatan dengan linier grafik sebesar R2=0,854 . Karena nilai percepatan dari hasil percobaan tidak jauh berbeda dengan hasil perhitungan sehingga garis liniernya saat diplot/ digabungkan saling berhimpitan. Garis linier untuk hasil percobaan diperoleh y=0,036x-0,207 dan hasil perhitungan persamaan garisnnya diperoleh y=0,037x-0,25. Dan gradiennya m=0,03. Dari hasil tersebut, didapatkan nilai taraf ketelitian sebesar 85,4 % dan taraf ketidakpastian 14,6 %. Selain dilakukan analisis terhadap percepatan sistem, selanjutnya akan dilakukan analisis terhadap pengaruh pada gaya berat penggantung. Berikut tabel data gaya berat beban penggantung dari hasil perhitungan dengan persamaan ;mp . g = (mp + mg) aFp = mp . gdengan g = 9,8 m/s2

Tabel 1.bNo mp

(gram)mg

(gram)ahitung

(m/s2)Fp

(N)1.2.3.4.5.

4050607080

183,1183,1183,1183,1183,1

1,47481,38781,70462,50722,7639

0,3920,490,5880,6860,784

Grafik 1.b

35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 850

0.5

1

1.5

2

2.5

3

f(x) = 0.036981 x − 0.251299999999999R² = 0.868848554505896f(x) = 0.03634 x − 0.206999999999999R² = 0.854490509468532

GRAFIK HUBUNGAN MASSA BEBAN PENGGANTUNG DENGAN PERCEPATAN

hasil per-cobaanLinear (hasil percobaan)

hasil perhi-tungan

Linear (hasil perhitungan)

MASSA PENGGANTUNG (gr)

PER

CEPA

TAN

(m/s

2)

0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.850

0.5

1

1.5

2

2.5

3

f(x) = 3.70816326530613 x − 0.207000000000007R² = 0.854490509468533

GRAFIK HUBUNGAN GAYA BEBAN PENG-GANTUNG DENGAN PERCEPATAN

GAYA VS PERCEPATAN

Linear (GAYA VS PERCEPATAN)

GAYA BERAT PENGGANTUNG (N)

PERC

EPA

TAN

(m/s

2)

Analisis grafikGrafik 1.b memiliki karakteristik yang sama

seperti grafik 1.a. Karena setiap penambahan gaya berat beban penggantung percepatannyapun juga ikut bertambah. Perubahan percepatan yang ditunjukkan pada gerak 1.b berbanding lurus dengan perubahan gaya berat beban penggantung. dari grafik 1.b didapatkan nilai R2 sebesar 0,854 dengan kelinieran grafik sebesar R2=0,854. Dimana R menunjukkan nilai linieritas grafik. Dan diperoleh persamaan garis sebagai berikut: y = 3.708x - 0.207. Dari data tersebut, didapatkan nilai taraf ketelitian 85,4% dan taraf ketidakpastian 14,6%.

DATA PERCOBAAN IITabel II.a

Keterangan:1)Massa penggantung (mp) = 35 gram2)Jarak glider (sg) = 60 cm3)Panjang glider(lg) = 13 cm4)Jarak antar photogate = 20 cm5)Jarak photogate I = 40 cm6)Jarak photogate II = 20 cm

Analisis dataPada percobaan kedua ini dengan

memanipulasi massa glider (mg) dan massa penggantung dibuat konstan bertujuan untuk mengetahui pengaruh pertambahan massa glider terhadap percepatan glider. Diperoleh data yang tercatat pada photogate I dan photogate II yaitu t1, t2, t3. t1 adalah waktu yang tercatat pada photogate I. t2 adalah waktu yang dibutuhkan glider menempuh jarak photogate I dan photogate II. Selain itu juga, v1,v2 dan a yang tercatat pada photogate I dan photogate II. Sehingga diperoleh percepatan sistem (a) setiap perubahan massa glider, yaitu 0,9841 m/s2; 0,9555 m/s2; 0,8823 m/s2; 0,8805 m/s2, 0,8124 m/s2. Dari data yang diperoleh pada percobaan II dapat dicari nilai percepatan (a) secara perhitungan dengan persamaan :

a = v2 – v1

t 12

+t 2+t 32

dan didapatkan nilai percepatan hasil perhitungan yang terlampir tidak jauh berbeda dengan nilai hasil percobaan. Dari data yang diperoleh pada percobaan I dapat dicari nilai percepatan (a)

secara perhitungan, yaitu 0,9839 m/s2; 0,9554 m/s2; 0,8824 m/s2; 0,8813 m/s2; dan 0,8127 m/s2.Dari data tabel tampak bahwa terjadi perubahan nilai percepatan sistem semakin kecil setiap penambahan massa beban glider.

Pada percobaan II ini nilai gaya berat dikerjakan oleh tiga sistem massa yaitu massa penggantung, massa glider, dan massa tali. Penjumlahan tiga sistem massa tersebut merupakan nilai dari massa total. Dari data di atas dapat diketahui bahwa nilai percepatan glider berbanding terbalik dnegan nilai massa glider. Sehingga, semakin besar nilai penambahan massa glider, maka nilai percepatan glider akan menurun. Dimana massa penggantung dibuat tetap maka gaya berat yang bekerja juga tetap. Karena massa sistem meningkat, sedangkan gaya yang bekerja bernilai tetap maka percepatan akan menurun. Hal ini dapat diketahui dari perumusan hukum II Newton, yaitu :

F= ∑m.a Mp.g = (mp + mg)a

a= 1

mtot

bila nilai percepatan hasil percobaan II dan hasil perhitungan dibuat grafik, maka akan bisa dibandingkan melalui grafik dengan data perubahan massa glider akan diperoleh sebagai berikut :

Analisis grafik Grafik percobaan II menunjukkan grafik

hubungan antara perubahan massa glider terhadap percepatan sistem. Bila percobaan II ini massa beban penggantung dibuat tetap dan memanipulasi massa glider, maka data yang diperoleh pada grafik tampak berbanding terbalik. Grafik percobaan II yang diperoleh merupakan grafik linier dengan linieritas grafik sebesar 94,7% dan percepatan dengan linier grafik sebesar R2=0,947. Karena nilai percepatan dari hasil percobaan tidak jauh berbeda dengan hasil perhitungan sehingga garis liniernya jika

240 250 260 270 280 2900

0.20.40.60.8

11.2

f(x) = − 0.00416499999999998 x + 1.99895149999999R² = 0.945878016633977f(x) = − 0.00417799999999998 x + 2.00225179999999R² = 0.947530730167719

GRAFIK HUBUNGAN MASSA BEBAN GLIDER DENGAN PERCEPATAN

hasil percobaanLinear (hasil percobaan)Linear (hasil percobaan)hasil perhitunganLinear (hasil perhi -tungan)

MASSA GLIDER (gr)

PERC

EPAT

AN (m

/s)

No mg

(gr)t1

(s)t2

(s)t3

(s)v1

(m/s)v2

(m/s)apercobaan

(m/s2)ahitung

(m/s2)1.2.3.4.5.

243,1253,1263,1273,1283,1

0,18780,19030,19700,20490,2127

0,07770,07870,08380,08850,0899

0,13060,13250,13720,13940,1452

0,53250,52540,50710,48810,4703

0,76560,75480,72910,71760,6888

0,98410,95550,88230,88050,8127

0,98390,95540,88240,88130,8127

digabungkanakan saling berimpitan. Garis linier untuk hasil percobaan diperoleh y = -0.004x + 2.002 dan hasil perhitungan persamaan garisnnya diperoleh y = -0.004x + 1.999. Dan gradiennya m=-0,004. Untuk nilai gradien (m) bertanda negatif menunjukkan grafik miring ke kiri.

Dari hasil tersebut, maka didapatkan nilai taraf ketelitian sebear 94,7% dan nilai ketidakpastian 5,3 %.DISKUSIPercobaan I

Pada grafik 1.a dan grafik 1.b, memiliki karakteristik yang sama dimana kelinierannya sebesar 95,4%. Hal ini disebabkan karena semakin besar massa beban penggantung yang diberikan maka semakin besar pula gaya berat yang diberikan oleh penggantung, dan percepatannya juga semakin bertambah saat massa beban penggantung diperbesar. Sehingga didapatkan grafik dengan gradien positif (kemiringan ke arah kanan) dan percepatan berbanding lurus dengan gaya yang ditimbulkan.

Secara teori, semakin besar nilai massa penggantung maka percepatan sistem bertambah. Tetapi, pada data kedua mengalami penurunan pada percepatan sistem sebesar 0,21 m/s2 saat massa beban penggantung bertambah. Hak ini dikarenakan kurang cepatnya dalam memindahkan glider ke start awal peluncuran sehingga berpengaruh dengan percepatan yang diperoleh, pengaruh gaya luar (gesekan udara), gravitasi, serta jarak antar photogate yang bergeser.

Percobaan IIPada percobaan II dilakukan dengan

memanipulasi massa glider. Didapatkan hubungan antara percepatan sistem berbanding terbalik dengan penambahan massa glider sehingga grafik percobaan II didapatkan grafik dengan gradien negatif atau kemiringan grafik ke arah kiri.

KESIMPULANDari percobaan yang telah kami lakukan dapat

disimpulkan bahwa penambahan massa beban penggantung akan menambah gaya berat pada beban penggantung yang mengakibatkan percepatan sistem juga ikut bertambah, dan hubungan antara perubahan gaya berat beban penggantung berbanding lurus dengan perubahan percepatan pada sistem. Sebaliknya penambahan massa glider berbanding terbalik dengan percepatan sistem.

DAFTAR PUSTAKAGiancoli.2001. Fisika edisi kelima jilid I. Jakarta: ErlanggaHalliday dan Resnick.1987.Fisika Jilid I edisi

kelima. Jakarta: ErlanggaZemansky, Sears.1986.Fisika untuk Universitas

jilid I. Bandung: Bina Cipta.