Gaya dan Dinamika Translasi

Tujuan Pembelajaran 2.1.A: Deskripsikan sifat-sifat dan interaksi suatu sistem.

• 2.1.A.1 Sifat-sifat sistem ditentukan oleh interaksi antara objek-objek di dalam sistem.
• 2.1.A.2 Jika sifat-sifat atau interaksi objek-objek penyusun di dalam sistem tidak penting dalam memodelkan perilaku sistem makroskopis, sistem itu sendiri dapat diperlakukan sebagai satu objek tunggal.
• 2.1.A.3 Sistem mungkin memungkinkan interaksi antara bagian-bagian penyusun sistem dengan lingkungan, yang dapat menghasilkan transfer energi atau massa.
• 2.1.A.4 Objek-objek individu di dalam sistem yang dipilih dapat berperilaku berbeda satu sama lain serta berbeda dari sistem secara keseluruhan.
• 2.1.A.5 Struktur internal sistem mempengaruhi analisis terhadap sistem tersebut.
• 2.1.A.6 Saat variabel eksternal dari sistem diubah, substruktur sistem mungkin berubah.

Tujuan Pembelajaran 2.1.B: Deskripsikan lokasi titik massa pusat sistem terkait dengan bagian-bagian penyusun sistem.

• 2.1.B.1 Untuk sistem dengan distribusi massa yang simetris, titik massa pusat terletak pada garis-garis simetri.
• 2.1.B.2 Lokasi titik massa pusat sistem sepanjang sumbu tertentu dapat dihitung menggunakan persamaan ⟦number⟧
  • Persamaan: $\vec{x}_{cm} = \dfrac{\sum m_i \vec{x}_i}{\sum m_i}$
• 2.1.B.3 Sistem dapat dimodelkan sebagai objek tunggal yang berlokasi di titik massa pusat sistem.

Pernyataan Batas: AP Physics 1 hanya mengharapkan siswa untuk menghitung titik massa pusat untuk sistem lima partikel atau kurang yang tersusun dalam konfigurasi dua dimensi atau untuk sistem yang sangat simetris.

Tujuan Pembelajaran 2.2.A: Deskripsikan gaya sebagai interaksi antara dua objek atau sistem.

• 2.2.A.1 Gaya adalah besaran vektor yang menggambarkan interaksi antara objek atau sistem.
  • 2.2.A.1.i Gaya yang diberikan pada suatu objek atau sistem selalu disebabkan oleh interaksi objek tersebut dengan objek atau sistem lain.
  • 2.2.A.1.ii Suatu objek atau sistem tidak dapat memberikan gaya bersih pada dirinya sendiri.
• 2.2.A.2 Gaya kontak menggambarkan interaksi objek atau sistem yang menyentuh objek atau sistem lain dan merupakan efek makroskopis dari gaya listrik antaratom.

Tujuan Pembelajaran 2.2.B: Deskripsikan gaya-gaya yang bekerja pada suatu objek atau sistem menggunakan diagram benda bebas.

• 2.2.B.1 Diagram benda bebas adalah alat yang berguna untuk memvisualisasikan gaya-gaya yang bekerja pada satu objek atau sistem dan untuk menentukan persamaan yang mewakili situasi fisik.
• 2.2.B.2 Diagram benda bebas dari suatu objek atau sistem menunjukkan setiap gaya yang diberikan pada objek tersebut oleh lingkungannya.
• 2.2.B.3 Gaya-gaya yang bekerja pada objek atau sistem direpresentasikan sebagai vektor yang bermula dari representasi titik massa pusat, seperti sebuah titik. Sebuah sistem diperlakukan seolah-olah seluruh massanya berlokasi di titik massa pusat.
• 2.2.B.4 Sistem koordinat dengan satu sumbu sejajar dengan arah percepatan objek atau sistem menyederhanakan translasi dari diagram benda bebas ke representasi aljabar. Sebagai contoh, dalam diagram benda bebas objek pada bidang miring, berguna untuk menetapkan satu sumbu sejajar dengan permukaan bidang miring.

Pernyataan Batas: AP Physics 1 hanya mengharapkan siswa untuk menggambarkan gaya-gaya yang bekerja pada objek, bukan komponen-komponen gayanya pada diagram benda bebas. Pada ujian AP Physics, gaya-gaya individu yang direpresentasikan pada diagram benda bebas harus digambar sebagai panah lurus individual, bermula dari titik dan menunjuk ke arah gaya. Gaya-gaya individu yang berada dalam arah yang sama harus digambar berdampingan, tidak tumpang tindih.

Tujuan Pembelajaran 2.3.A: Jelaskan interaksi dua benda menggunakan hukum ketiga Newton dan representasi pasangan gaya yang bekerja pada masing-masing benda.

• 2.3.A.1 Hukum ketiga Newton menggambarkan interaksi dua benda dalam hal pasangan gaya yang masing-masing exertkan pada yang lain.
  • Persamaan: $\vec{F}_{\text{A on B}} = -\vec{F}_{\text{B on A}}$
• 2.3.A.2 Interaksi antara benda-benda dalam suatu sistem (gaya internal) tidak memengaruhi gerak pusat massa sistem tersebut.
• 2.3.A.3 Tegangan adalah hasil makroskopis bersih dari gaya-gaya yang diberikan oleh segmen-segmen tali, kabel, rantai, atau sistem serupa kepada satu sama lain sebagai respons terhadap gaya eksternal.
  • 2.3.A.3.i Tali ideal memiliki massa yang dapat diabaikan dan tidak meregang ketika mengalami tegangan.
  • 2.3.A.3.ii Tegangan pada tali ideal adalah sama di semua titik di dalam tali tersebut.
  • 2.3.A.3.iii Pada tali dengan massa yang tidak dapat diabaikan, tegangan mungkin tidak sama di semua titik di dalam tali tersebut.
  • 2.3.A.3.iv Katrol ideal adalah katrol yang memiliki massa yang dapat diabaikan dan berputar pada sumbu melalui pusat massanya dengan gesekan yang dapat diabaikan.

Pernyataan Batasan: AP Physics 1 hanya mengharapkan siswa untuk menjelaskan tegangan secara kualitatif dalam tali, kabel, rantai, atau sistem serupa yang bermassa. Sebagai contoh, siswa mungkin mencatat bahwa tegangan pada rantai yang digantung lebih besar menuju bagian atas rantai.

Pernyataan Batasan: Interaksi antara benda atau sistem pada jarak terbatas pada gaya gravitasi dalam AP Physics 1. Dalam AP Physics 2, gaya gravitasi, listrik, dan magnet dapat dipertimbangkan.

Tujuan Pembelajaran 2.4.A: Jelaskan kondisi di mana kecepatan suatu sistem tetap konstan.

• 2.4.A.1 Resultan gaya pada suatu sistem adalah jumlah vektor dari semua gaya yang bekerja pada sistem tersebut.
• 2.4.A.2 Kesetimbangan translasi adalah konfigurasi gaya sedemikian rupa sehingga resultan gaya yang bekerja pada sistem adalah nol.
  • Persamaan Turunan: $\sum_i \vec{F}_i = 0$
• 2.4.A.3 Hukum pertama Newton menyatakan bahwa jika resultan gaya yang bekerja pada suatu sistem adalah nol, maka kecepatan sistem tersebut akan tetap konstan.
• 2.4.A.4 Gaya-gaya dapat seimbang dalam satu dimensi tetapi tidak seimbang dalam dimensi lain. Kecepatan sistem hanya akan berubah dalam arah gaya yang tidak seimbang.
• 2.4.A.5 Kerangka acuan inersial adalah kerangka dari mana pengamat akan memverifikasi hukum pertama gerak Newton.

Tujuan Pembelajaran 2.5.A: Jelaskan kondisi di mana kecepatan suatu sistem berubah.

• 2.5.A.1 Gaya-gaya yang tidak seimbang adalah konfigurasi gaya sedemikian rupa sehingga resultan gaya yang bekerja pada sistem tidak sama dengan nol.
• 2.5.A.2 Hukum kedua gerak Newton menyatakan bahwa percepatan pusat massa sistem memiliki besaran yang berbanding lurus dengan besaran resultan gaya yang bekerja pada sistem dan berada dalam arah yang sama dengan resultan gaya tersebut.
  • Persamaan: $\vec{a}_{\text{sys}} = \dfrac{\sum \vec{F}}{m_{\text{sys}}} = \dfrac{\vec{F}_{\text{net}}}{m_{\text{sys}}}$
• 2.5.A.3 Kecepatan pusat massa suatu sistem hanya akan berubah jika ada resultan gaya eksternal tak nol yang bekerja pada sistem tersebut.

Tujuan Pembelajaran 2.6.A: Jelaskan interaksi gravitasi antara dua benda atau sistem yang bermassa.

• 2.6.A.1 Hukum gravitasi universal Newton menggambarkan gaya gravitasi antara dua benda atau sistem sebagai berbanding lurus dengan masing-masing massanya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara pusat massa sistem tersebut.
  • Persamaan: $\left|\vec{F}_g\right| = G\dfrac{m_1 m_2}{r^2}$
  • 2.6.A.1.i Gaya gravitasi bersifat menarik.
  • 2.6.A.1.ii Gaya gravitasi selalu bekerja sepanjang garis yang menghubungkan pusat massa kedua sistem yang berinteraksi.
  • 2.6.A.1.iii Gaya gravitasi pada suatu sistem dapat dianggap bekerja pada pusat massa sistem tersebut.
• 2.6.A.2 Medan memodelkan efek gaya non-kontak yang bekerja pada objek di berbagai posisi di ruang.
  • 2.6.A.2.i Besaran medan gravitasi yang dihasilkan oleh sistem bermassa $M$ pada suatu titik di ruang sama dengan rasio gaya gravitasi yang diberikan sistem terhadap objek uji bermassa $m$ dibagi dengan massa objek uji tersebut.
    • Persamaan: $\left|\vec{g}\right| = \dfrac{\left|\vec{F}_g\right|}{m} = G\dfrac{M}{r^2}$
  • 2.6.A.2.ii Jika gaya gravitasi adalah satu-satunya gaya yang bekerja pada sebuah objek, percepatan objek yang diamati (dalam m/s$^2$) secara numerik sama dengan besaran kekuatan medan gravitasi (dalam N/kg) di lokasi tersebut.
• 2.6.A.3 Gaya gravitasi yang diberikan oleh tubuh astronomi terhadap objek kecil di dekatnya disebut berat.
  • Persamaan: $\text{Weight} = F_g = mg$

Tujuan Pembelajaran 2.6.B: Jelaskan situasi di mana gaya gravitasi dapat dianggap konstan.

• 2.6.B.1 Jika perubahan gaya gravitasi antara pusat massa dua sistem sangat kecil seiring dengan perubahan posisi relatif kedua sistem, maka gaya gravitasi dapat dianggap konstan di semua titik antara posisi awal dan akhir sistem.
• 2.6.B.2 Di dekat permukaan Bumi, kekuatan medan gravitasi adalah $g \approx 10 \text{ N/kg}$

Tujuan Pembelajaran 2.6.C: Jelaskan kondisi di mana besaran berat semu suatu sistem berbeda dari besaran gaya gravitasi yang bekerja pada sistem tersebut.

• 2.6.C.1 Besaran berat semu suatu sistem adalah besaran gaya normal yang bekerja pada sistem tersebut.
• 2.6.C.2 Jika sistem sedang dipercepat, berat semu sistem tidak sama dengan besaran gaya gravitasi yang bekerja pada sistem.
• 2.6.C.3 Suatu sistem tampak tanpa berat ketika tidak ada gaya yang bekerja pada sistem atau ketika gaya gravitasi adalah satu-satunya gaya yang bekerja pada sistem.
• 2.6.C.4 Prinsip ekuivalensi menyatakan bahwa pengamat dalam kerangka acuan non-inersia tidak dapat membedakan antara berat semu suatu benda dan gaya gravitasi yang bekerja pada benda tersebut oleh medan gravitasi.

Tujuan Pembelajaran 2.6.D: Jelaskan massa inersia dan massa gravitasi.

• 2.6.D.1 Benda memiliki massa inersia, atau inersia, sebuah sifat yang menentukan seberapa besar gerak benda menahan perubahan ketika berinteraksi dengan benda lain.
• 2.6.D.2 Massa gravitasi berkaitan dengan gaya tarik-menarik antara dua sistem bermassa.
• 2.6.D.3 Massa inersia dan massa gravitasi telah diverifikasi secara eksperimental sebagai ekuivalen.

Tujuan Pembelajaran 2.7.A: Jelaskan gesekan kinetik antara dua permukaan

• 2.7.A.1 Gesekan kinetik terjadi ketika dua permukaan yang bersentuhan bergerak relatif satu sama lain.
  • 2.7.A.1.i Gaya gesekan kinetik diberikan dalam arah berlawanan dengan gerak setiap permukaan relatif terhadap permukaan lainnya.
  • 2.7.A.1.ii Besar gaya gesekan antara dua permukaan tidak bergantung pada luas area kontak permukaan.
• 2.7.A.2 Besar gaya gesekan kinetik yang bekerja pada suatu benda adalah hasil kali gaya normal yang diberikan permukaan pada benda dan koefisien gesekan kinetik.
  • Persamaan: $\left|\vec{F}_{f,k}\right| = \left|\mu_k \vec{F}_n\right|$
  • 2.7.A.2.i Koefisien gesekan kinetik bergantung pada sifat material permukaan yang bersentuhan.
  • 2.7.A.2.ii Gaya normal adalah komponen tegak lurus dari gaya yang diberikan pada suatu benda oleh permukaan tempat benda itu bersentuhan; arahnya menjauhi permukaan.

Tujuan Pembelajaran 2.7.B: Jelaskan gesekan statis antara dua permukaan.

• 2.7.B.1 Gesekan statis dapat terjadi antara permukaan yang bersentuhan dari dua benda yang tidak bergerak relatif satu sama lain.
• 2.7.B.2 Gesekan statis mengambil nilai dan arah yang diperlukan untuk mencegah benda tergelincir atau tergelinding di atas permukaan.
  • Persamaan: $\left|\vec{F}_{f,s}\right| \leq \left|\mu_s \vec{F}_n\right|$
  • 2.7.B.2.i Tergelincir dan tergelinding merujuk pada situasi di mana dua permukaan bergerak relatif satu sama lain.
  • 2.7.B.2.ii Terdapat nilai maksimum di mana gesekan statis akan mencegah benda tergelincir di atas suatu permukaan tertentu.
    • Persamaan: $F_{f,s,\max} = \mu_s F_n$
• 2.7.B.3 Koefisien gesekan statis biasanya lebih besar daripada koefisien gesekan kinetik untuk sepasang permukaan tertentu.

Tujuan Pembelajaran 2.8.A: Jelaskan gaya yang diberikan pada suatu benda oleh pegas ideal

• 2.8.A.1 Pegas ideal memiliki massa yang dapat diabaikan dan memberikan gaya yang sebanding dengan perubahan panjangnya相对于 panjang relaksasinya.
• 2.8.A.2 Besar gaya yang diberikan oleh pegas ideal pada suatu benda dinyatakan oleh hukum Hooke:
  • Persamaan: $\vec{F}_s = -k\Delta\vec{x}$
• 2.8.A.3 Gaya yang diberikan pada suatu benda oleh pegas selalu diarahkan menuju posisi kesetimbangan sistem benda-pegas.

Tujuan Pembelajaran 2.9.A: Jelaskan gerak benda yang menempuh lintasan melingkar.

• 2.9.A.1 Percepatan sentripetal adalah komponen percepatan benda yang diarahkan ke pusat lintasan melingkarnya.
  • 2.9.A.1.i Besar percepatan sentripetal untuk benda yang bergerak dalam lintasan melingkar adalah rasio kuadrat kecepatan tangensial benda terhadap jari-jari lintasan melingkar.
    • Persamaan: $a_c = \dfrac{v^2}{r}$
  • 2.9.A.1.ii Percepatan sentripetal diarahkan menuju pusat lintasan melingkar benda.
• 2.9.A.2 Percepatan sentripetal dapat disebabkan oleh satu gaya, lebih dari satu gaya, atau komponen-komponen gaya yang bekerja pada benda dalam gerak melingkar.
  • 2.9.A.2.i Di bagian atas lintasan lingkaran vertikal, benda memerlukan kecepatan minimum untuk mempertahankan gerak melingkar. Pada titik ini, dan dengan kecepatan minimum ini, gaya gravitasi merupakan satu-satunya gaya yang menyebabkan percepatan sentripetal.
    • Persamaan: $v = \sqrt{gr}$
  • 2.9.A.2.ii Komponen gaya gesekan statis dan gaya normal dapat berkontribusi pada resultan gaya yang menghasilkan percepatan sentripetal bagi benda yang bergerak dalam lingkaran di atas bidang miring.
  • 2.9.A.2.iii Komponen tegangan tali berkontribusi pada resultan gaya yang menghasilkan percepatan sentripetal yang dialami oleh pendulum konus.
• 2.9.A.3 Percepatan tangensial adalah laju perubahan kecepatan benda dan diarahkan menyinggung lintasan melingkar benda.
• 2.9.A.4 Resultan percepatan benda yang bergerak dalam lingkaran adalah jumlah vektor dari percepatan sentripetal dan percepatan tangensial.
• 2.9.A.5 Rotasi (revolusi) benda yang menempuh lintasan melingkar dengan kecepatan konstan (gerak melingkar beraturan) dapat dijelaskan menggunakan periode dan frekuensi.
  • 2.9.A.5.i Waktu untuk menyelesaikan satu lintasan melingkar penuh, satu putaran penuh, atau satu siklus penuh gerakan osilatif didefinisikan sebagai periode, $T$.
  • 2.9.A.5.ii Laju penyelesaian rotasi oleh benda didefinisikan sebagai frekuensi, $f$.
    • Persamaan: $T = \dfrac{1}{f}$
  • 2.9.A.5.iii Untuk benda yang bergerak dengan kecepatan konstan dalam lintasan melingkar, periode diberikan oleh persamaan turunan
    • Persamaan: $T = \dfrac{2\pi r}{v}$

Tujuan Pembelajaran 2.9.B: Jelaskan orbit melingkar menggunakan hukum ketiga Kepler.

• 2.9.B.1 Untuk satelit dalam orbit melingkar di sekitar benda pusat, percepatan sentripetal satelit hanya disebabkan oleh tarikan gravitasi. Periode dan jari-jari orbit melingkar berkaitan dengan massa benda pusat.
  • Persamaan: $T^2 = \dfrac{4\pi^2}{GM} R^3$

Pernyataan Batasan: AP Physics 1 hanya mengharapkan siswa menganalisis secara kuantitatif tikungan miring yang tidak memerlukan gesekan untuk mempertahankan gerak melingkar beraturan. Analisis situasi di mana gesekan diperlukan pada tikungan miring terbatas pada deskripsi kualitatif.

Pernyataan Batas: AP Physics 1 tidak mengharapkan siswa mengetahui hukum pertama atau kedua Kepler tentang gerak planet.