Pertemuan 5 · Bab 3 · Fisika 2 Satuan Kredit Semester · Program Studi Manajemen Proyek Konstruksi

Gaya, Hukum I Newton, dan Diagram Benda Bebas

Pertemuan 5 menjadi titik resmi pertama konsep gaya. Mahasiswa menggunakan kemampuan vektor dari Pertemuan 3–4 untuk mengenali gaya yang bekerja pada benda, memilih sistem, membuat Diagram Benda Bebas (Diagram Benda Bebas), dan menerapkan Hukum I Newton pada kondisi statis.

Gaya sebagai vektor W = mg Hukum I Newton ΣF = 0 Diagram Benda Bebas Berat · Normal · Tegangan · Gaya Gesek 340 menit Formatif 0%
Batas materi: Pertemuan 5 hanya membahas Hukum I Newton dan kondisi statis. Pembahasan difokuskan pada identifikasi gaya, Diagram Benda Bebas, serta keseimbangan translasi. Tegangan, normal, dan gaya gesek diperdalam pada Pertemuan 6.

Cara belajar Pertemuan 5

Pilih benda. Tentukan sistem yang akan dianalisis.
Daftar interaksi. Identifikasi gravitasi, permukaan, kabel, gaya gesek, atau gaya luar.
Gambar Diagram Benda Bebas. Ganti lingkungan dengan panah gaya yang bekerja pada sistem.
Pilih sumbu. Tetapkan +x dan +y secara konsisten.
Gunakan Hukum I Newton. Untuk keadaan statis, jumlah gaya pada setiap arah harus nol.
Audit. Periksa sumber gaya, arah, satuan, dan kewajaran hasil.
Siklus belajar: sistem → interaksi → gaya → Diagram Benda Bebas → sumbu → ΣF = 0 → interpretasi.
TUJUAN PEMBELAJARAN 1

Menjelaskan gaya sebagai interaksi dan besaran vektor

↑ Kembali ke Tujuan Belajar

Gaya adalah interaksi yang bekerja pada suatu benda. Karena gaya merupakan besaran vektor, setiap gaya harus mempunyai besar, arah, dan titik/garis kerja yang jelas.

F = Fₓ i + Fᵧ j

Untuk persoalan dua dimensi, gaya dapat diuraikan menjadi komponen x dan y menggunakan kemampuan vektor dari Pertemuan 3–4.

Setiap gaya harus mempunyai sumber interaksi BENDA N / T W f / P Tanyakan: “siapa/apa yang memberikan gaya ini pada benda?”
Aturan Diagram Benda Bebas: jangan menggambar panah gaya tanpa dapat menjelaskan sumber interaksinya.
Latihan Tujuan Pembelajaran 1

Sebuah balok berada di atas lantai. Sebutkan minimal dua interaksi yang bekerja pada balok.

Jawaban: interaksi gravitasi bumi menghasilkan berat; interaksi kontak lantai menghasilkan gaya normal.
TUJUAN PEMBELAJARAN 2

Membedakan massa, berat, dan jenis gaya umum

↑ Kembali ke Tujuan Belajar

2.1 Massa dan berat bukan hal yang sama

BesaranMaknaSatuan
Massa mBesaran materi/inersia benda.kg
Berat WGaya gravitasi yang bekerja pada benda.N
W = mg

Di dekat permukaan bumi, berat diarahkan vertikal ke bawah.

2.2 Jenis gaya yang digunakan pada Teknik Sipil dasar

Berat WVertikal ke bawah.
Normal NTegak lurus permukaan kontak.
Tegangan TSepanjang kabel/tali dan menarik sistem.
Gaya Gesek fSejajar permukaan dan melawan kecenderungan gerak relatif.

Besarnya gaya normal, tegangan, dan gaya gesek ditentukan dari kondisi fisik dan Diagram Benda Bebas; tidak boleh diasumsikan tanpa analisis.

Kalkulator berat W = mg

Latihan Tujuan Pembelajaran 2

Massa benda 12 kg dan g = 9,81 m/s². Tentukan beratnya.

Jawaban: W = 12(9,81) = 117,72 N ke bawah.
TUJUAN PEMBELAJARAN 3

Menerapkan Hukum I Newton pada kondisi statis

↑ Kembali ke Tujuan Belajar

3.1 Pernyataan Hukum I Newton

Jika resultan gaya yang bekerja pada suatu benda sama dengan nol, benda mempertahankan keadaannya: tetap diam atau bergerak lurus dengan kecepatan konstan.

3.2 Fokus Teknik Sipil: benda diam

Dalam Pertemuan 5 kita menggunakan bagian keadaan diam. Untuk benda statis, resultan gaya pada setiap arah harus nol.

ΣF = 0
ΣFₓ = 0    dan    ΣFᵧ = 0
HorizontalGaya ke kanan dan kiri harus menghasilkan jumlah aljabar nol.
VertikalGaya ke atas dan ke bawah harus menghasilkan jumlah aljabar nol.
InterpretasiJika jumlah gaya tidak nol, kondisi statis yang diasumsikan tidak terpenuhi.

3.3 Contoh sederhana

Balok bermassa 30 kg diam di atas lantai horizontal tanpa gaya vertikal lain.

W = 30(9,81) = 294,3 N.

Karena balok diam: ΣFᵧ = 0.

N − W = 0 → N = 294,3 N
Pada kasus khusus ini N = W karena hanya ada N dan W pada arah vertikal.
Jangan menghafal N = W. Hubungan itu hanya berlaku jika Diagram Benda Bebas dan kondisi statis memang menghasilkan persamaan tersebut.
Latihan Tujuan Pembelajaran 3

Sebuah benda diam. Apa syarat resultan gaya menurut Hukum I Newton?

Jawaban: resultan gaya harus nol; dalam dua dimensi ditulis ΣFₓ = 0 dan ΣFᵧ = 0.
TUJUAN PEMBELAJARAN 4

Memilih benda/sistem dan sumbu analisis

↑ Kembali ke Tujuan Belajar

Sebelum menggambar Diagram Benda Bebas, tentukan benda atau sistem mana yang diisolasi. Diagram Benda Bebas berubah jika sistem yang dipilih berubah.

4.1 Pertanyaan sebelum menggambar

Apa sistemnya?
Balok, sambungan, beban, atau bagian struktur tertentu.
Apa yang berada di luar sistem?
Bumi, lantai, kabel, dinding, atau objek lain yang berinteraksi.
Arah sumbu?
Pilih sumbu yang membuat komponen gaya mudah dianalisis.
Apakah kondisi statis?
Jika ya, gunakan ΣFₓ = 0 dan ΣFᵧ = 0.

4.2 Bidang horizontal dan bidang miring

Pada bidang horizontal, sumbu x–y biasanya cukup. Pada bidang miring, sumbu sering dipilih sejajar dan tegak lurus bidang.

W∥ = mg sin θ    |    W⊥ = mg cos θ

Komponen berat pada bidang miring digunakan sebagai persiapan untuk pembahasan gaya normal dan gaya gesek yang lebih dalam pada Pertemuan 6.

Latihan Tujuan Pembelajaran 4

Untuk balok pada bidang miring, sumbu seperti apa yang biasanya mempermudah analisis?

Jawaban: satu sumbu sejajar bidang dan satu sumbu tegak lurus bidang.
TUJUAN PEMBELAJARAN 5

Menyusun Diagram Benda Bebas yang benar

↑ Kembali ke Tujuan Belajar

5.1 Prosedur Diagram Benda Bebas 8 langkah

Tentukan sistem.
Daftar semua interaksi eksternal.
Hapus lingkungan dari gambar sistem.
Ganti setiap interaksi dengan satu panah gaya.
Beri nama setiap gaya.
Pilih sumbu.
Uraikan gaya miring bila diperlukan.
Audit sumber, arah, dan kelengkapan gaya.
Situasi Fisik → Isolasi Benda → Diagram Benda Bebas balok di lantai → N W P / T Diagram Benda Bebas hanya menampilkan benda dan gaya eksternal yang bekerja padanya.

5.2 Kesalahan Diagram Benda Bebas yang harus dihindari

Gaya tanpa sumberPanah digambar tanpa ada objek/medan yang memberikan interaksi.
Gaya hilangSalah satu interaksi nyata tidak digambar.
Besaran non-gayaKecepatan atau perpindahan digambar sebagai panah gaya.
Lingkungan masih digambarDiagram Benda Bebas seharusnya mengisolasi sistem.
Arah salahNormal tidak tegak lurus permukaan atau tegangan tidak sepanjang kabel.
Sumbu tidak konsistenTanda komponen berubah di tengah perhitungan.
Latihan Tujuan Pembelajaran 5

Pada Diagram Benda Bebas balok diam di lantai tanpa gaya lain, gaya apa saja yang wajib muncul?

Jawaban: berat W ke bawah dan normal N ke atas.
TUJUAN PEMBELAJARAN 6

Menyelesaikan dan mengaudit kasus statis teknik sipil

↑ Kembali ke Tujuan Belajar

6.1 Worked Example A — balok diam di lantai

Balok 20 kg diam di atas lantai horizontal. Tidak ada gaya vertikal lain.

W = 20(9,81) = 196,2 N.

ΣFᵧ = 0 → N − W = 0
N = 196,2 N.

6.2 Worked Example B — tarikan miring pada benda yang tetap diam

Balok 40 kg ditahan tetap diam sambil ditarik 100 N pada sudut 30° di atas horizontal.

Komponen vertikal tarikan: Tᵧ = 100 sin30° = 50 N.

Berat: W = 40(9,81) = 392,4 N.

ΣFᵧ = 0 → N + 50 − 392,4 = 0
N = 342,4 N. Tarikan ke atas mengurangi gaya normal.

6.3 Worked Example C — dua kabel simetris menopang beban

Beban W ditopang dua kabel identik, masing-masing membentuk sudut θ terhadap horizontal.

Karena sistem simetris, komponen horizontal tegangan saling membatalkan.

ΣFᵧ = 0 → 2T sin θ − W = 0
T = W / (2 sin θ)

Perhitungan sistem kabel dan tegangan secara lebih mendalam dilanjutkan pada Pertemuan 6.

6.4 Kalkulator kondisi statis

Kalkulator normal sederhana pada bidang horizontal

Fᵧ eksternal adalah jumlah gaya vertikal selain N dan W. Gunakan positif untuk gaya ke atas dan negatif untuk gaya ke bawah.

Validator keseimbangan gaya dua dimensi

Masukkan jumlah komponen gaya yang sudah Anda hitung berdasarkan Diagram Benda Bebas.

Kalkulator hanya untuk verifikasi. Diagram Benda Bebas dan persamaan keseimbangan harus tetap ditulis secara manual.
Latihan Tujuan Pembelajaran 6A — normal sederhana

Balok 25 kg diam di lantai tanpa gaya vertikal lain. Gunakan g = 9,81 m/s².

Jawaban: W = 245,25 N dan N = 245,25 N.
Latihan Tujuan Pembelajaran 6B — tarikan ke atas

Balok 30 kg diam. Sebuah gaya vertikal 40 N menarik ke atas. Tentukan N.

Jawaban: W = 294,3 N; N + 40 − 294,3 = 0; sehingga N = 254,3 N.

Rangkuman Pertemuan 5 — Gaya, Hukum I Newton, dan Diagram Benda Bebas

Hubungan utama

BeratW = mg
Kondisi statisΣF = 0
Arah xΣFₓ = 0
Arah yΣFᵧ = 0

Arah gaya umum

Wke bawah
Ntegak lurus permukaan
Tsepanjang kabel
fsejajar permukaan
Kalimat kunci Pertemuan 5: pilih sistem → identifikasi interaksi → gambar Diagram Benda Bebas → pilih sumbu → gunakan Hukum I Newton untuk kondisi statis → pastikan jumlah gaya pada setiap arah nol.

Cek konsep cepat

PernyataanKeputusanAlasan
Jika benda diam dan tetap statis, resultan gaya harus nol.BenarSesuai penerapan Hukum I Newton pada kondisi statis.
Normal selalu sama dengan berat.SalahNilai normal bergantung pada semua gaya pada arah normal.
Gaya normal selalu tegak lurus permukaan kontak.BenarItulah karakter arah gaya normal.
Tegangan kabel bekerja sepanjang arah kabel.BenarArah tegangan mengikuti kabel.
Diagram Benda Bebas boleh memuat perpindahan sebagai panah gaya.SalahDiagram Benda Bebas hanya memuat gaya eksternal pada sistem.
Persamaan keseimbangan sebaiknya ditulis sebelum Diagram Benda Bebas.SalahDiagram Benda Bebas dibuat lebih dahulu agar tidak ada gaya yang hilang atau salah arah.

Beban belajar sesuai Rencana Pembelajaran Semester

Tatap muka / terbimbing100 menit
Penugasan terstruktur120 menit
Belajar mandiri120 menit
Total Pertemuan 5340 menit
MetodeDemonstrasi, think-pair-share, latihan menyusun Diagram Benda Bebas
ModalitasBauran
PenilaianFormatif 0%

Tugas belajar Pertemuan 5

Penugasan terstruktur — 120 menit

Pilih empat situasi statis: benda di lantai, benda ditarik miring tetapi tetap diam, beban tergantung kabel, dan benda pada bidang miring. Untuk setiap situasi: tentukan sistem, daftar interaksi, gambar Diagram Benda Bebas, pilih sumbu, lalu tulis ΣFₓ = 0 dan ΣFᵧ = 0.

Belajar mandiri — 120 menit

Buat satu halaman peta konsep: sistem → interaksi → gaya → Diagram Benda Bebas → sumbu → ΣF = 0 → validasi.

Evidence yang harus dihasilkan

  • benda/sistem yang dianalisis dinyatakan jelas;
  • daftar interaksi eksternal;
  • Diagram Benda Bebas dengan arah dan nama gaya;
  • sumbu analisis;
  • komponen gaya bila diperlukan;
  • persamaan ΣFₓ = 0 dan/atau ΣFᵧ = 0;
  • hasil numerik dengan satuan yang benar;
  • interpretasi singkat mengapa kondisi tersebut statis.

Checklist penguasaan Pertemuan 5

0 dari 10 indikator tercapai0%

Checklist ini hanya tersimpan pada browser/perangkat dan bukan progres atau nilai resmi sistem perkuliahan.

Jembatan ke Pertemuan 6

Pertemuan 5 membangun kemampuan mengidentifikasi gaya, menggambar Diagram Benda Bebas, dan menerapkan kondisi statis. Pertemuan 6 memperdalam tiga gaya kontak yang sering muncul pada konstruksi: tegangan, normal, dan gaya gesek.

Pertemuan 5: Gaya + Hukum I Newton + Diagram Benda Bebas    →    Pertemuan 6: Tegangan + Normal + Gaya Gesek
Diagram Benda Bebas yang benar menjadi fondasi Pertemuan 6. Karena itu mahasiswa harus sudah mampu menentukan sumber dan arah setiap gaya tanpa mengandalkan hafalan.
Fisika 2 Satuan Kredit Semester · Program Studi Sarjana Terapan Manajemen Proyek Konstruksi · Politeknik Negeri Ambon
Pertemuan 5 — Gaya, Hukum I Newton, dan Diagram Benda Bebas