Gaya

Jembatan, rem, tali bungee, planet dalam orbit: insinyur menganalisis semuanya dengan gaya. Referensi ini mencakup AQA GCSE Physics 8463, topik 4.5 Gaya — topik terbesar di Paper 2.

Bagaimana ujian memperlakukan topik ini:

• Kertas 2 (4.5–4.8) membawa topik ini, dan mungkin juga mengambil ide tentang energi dan listrik. Dukungan lembar persamaan bergantung pada seri ujian. Latih memilih persamaan, menyusunnya kembali, dan menggunakan satuan SI; periksa lembar yang disediakan untuk ujian Anda.
• Momen, tuas, roda gigi, dan tekanan fluida adalah hanya fisika. Menafsirkan grafik kecepatan terminal juga hanya fisika. Momentum adalah Tingkat Tinggi; perhitungan tumbukan dan perubahan momentum adalah hanya fisika.
• Diagram benda bebas, diagram vektor (gambar skala), dan peruraian gaya adalah hanya HT.
• Praktikum wajib: RP6 (gaya–perpanjangan pegas) dan RP7 (pengaruh gaya dan massa terhadap percepatan).

Skalar: hanya besaran — jarak, kelajuan, massa, energi. Vektor: besaran dan arah — perpindahan, kecepatan, gaya, berat, momentum. Vektor digambarkan sebagai anak panah: panjang = besaran, arah = arah.

Gaya adalah dorongan atau tarikan akibat interaksi dengan objek lain:

• gaya kontak (menyentuh): gesekan, hambat udara, tegangan, gaya kontak normal;
• gaya non-kontak (terpisah): gravitasi, elektrostatik, magnetik.

Gravitasi: berat adalah gaya pada suatu objek akibat gravitasi; bekerja pada pusat massa dan diukur dengan timbangan pegas terkalibrasi (newtonmeter):

• $W$ berat dalam N; $m$ massa dalam kg; $g$ kuat medan gravitasi dalam N/kg (diberikan, biasanya 9.8 di dekat Bumi).
• Berat dan massa berbanding lurus ($W \propto m$).

Gaya resultan: gaya tunggal yang menggantikan beberapa gaya dengan efek yang sama. Kolinear: jumlahkan gaya searah, kurangkan yang berlawanan. (HT) Gunakan diagram benda bebas (hanya gaya pada objek yang dipilih), uraikan gaya menjadi komponen tegak lurus, dan temukan resultan melalui gambar skala.

Contoh dikerjakan. Seseorang bermassa 65 kg berdiri di Mars di mana $g = 3.7$ N/kg.

*Diagram skala HT dengan magnitudo, arah, dan skala eksplisit.

Gambar skala contoh (HT; ditulis guru). Gunakan 1 cm untuk 10 N. Gambar 4.0 cm ke timur, lalu 3.0 cm ke utara. Resultan menghubungkan ekor pertama ke kepala terakhir: 5.0 cm mewakili 50 N, sekitar 37° di atas timur. Ekuilibrant memiliki besaran yang sama dalam arah berlawanan.

Tuntutan ujian. AQA Juni 2025 8463/2H Q05.5 menggunakan 240 N ke atas dan 200 N ke kiri. Segitiga skala atau jajar genjang memberikan sekitar 310 N, 40° dari sumbu vertikal (rentang resmi 300–320 N dan 38–42°). Diagram, arah panah, dan skala merupakan bagian dari metode.

Sebuah gaya melakukan usaha ketika menggerakkan titik aplikasinya sejauh jarak tertentu:

• $W$ usaha dalam J; $F$ gaya dalam N; $s$ jarak yang ditempuh sepanjang garis kerja gaya, dalam m.
• 1 J = 1 N·m: satu joule adalah usaha satu newton selama satu meter.
• Usaha yang dilakukan melawan gesekan meningkatkan suhu benda — energi berpindah ke penyimpanan termal.

Contoh terpecahkan. Seorang anak mendorong kereta dorong bayi 2.8 m dengan gaya horizontal 25 N.

Lebih dari satu gaya diperlukan untuk meregang, membengkokkan, atau memampatkan benda diam (gaya tunggal hanya akan menggerakkannya). Deformasi elastis pulih saat gaya dihilangkan; inelastis tidak.

Di bawah batas proporsionalitas:

• $k$ konstanta pegas dalam N/m (pegas kaku → nilai $k$ besar); $e$ pertambahan panjang = panjang setelah diregangkan − panjang awal (atau pemampatan).
• Usaha pada pegas = energi elastis tersimpan (jika tidak mengalami deformasi inelastis).

Praktik wajib 6: gantungkan massa pada pegas, ukur pertambahan panjang untuk masing-masing (penggaris sejajar mata), buat grafik gaya terhadap pertambahan panjang. Bagian linear memiliki gradien $k$; melebihi batas proporsionalitas garis melengkung. Penalaran hukum Hooke: menggandakan gaya hanya menggandakan pertambahan panjang jika masih di bawah batas.

Contoh terpecahkan (AQA Juni 2025 Q02.7). Gaya sebesar 4.0 N menghasilkan peregangan 0.064 m. Pilih $F=ke$ di daerah proporsional, lalu susun ulang:

Grafik panjang total memiliki intersep bukan nol karena pegas tanpa beban memiliki panjang bukan nol. Kelengkungan menjauhi garis proporsional menunjukkan $F$ dan $e$ tidak lagi proporsional; lepaskan beban pegas untuk menguji deformasi permanen. Amankan stand, batasi beban, jaga penggaris tetap tegak lurus dan dekat, serta gunakan penunjuk setinggi mata.

• $M$ momen dalam N·m; $d$ adalah jarak tegak lurus dari titik tumpu ke garis kerja gaya.
• Keseimbangan: total momen searah jarum jam = total momen berlawanan arah jarum jam.

Tuas dan roda gigi mentransmisikan efek rotasi dari gaya. Lengan tuas yang lebih panjang menghasilkan momen yang lebih besar untuk gaya tegak lurus yang sama. Dalam pasangan roda gigi yang saling bergigi yang ideal, gigi-gigi memberikan gaya yang sama pada titik kontak: roda gigi penggerak yang lebih besar berputar lebih lambat dengan momen yang lebih besar. Roda gigi yang saling bergigi berputar dalam arah yang berlawanan.

Contoh terpecahkan. Pilih poros tumpu dan samakan momen searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam:

Untuk AQA Juni 2024 Q02.6, konversi jarak tegak lurus 7.5 cm menjadi 0.075 m: $M=Fd=2.0\ \text{N}\times0.075\ \text{m}=0.15\ \text{N\,m}$. Dalam pasangan roda gigi yang bersilang, gigi-giginya menghasilkan gaya dan torsi pada roda gigi lainnya; roda gigi bersebelahan berputar berlawanan arah.

• $p$ tekanan dalam Pa; $F$ gaya tegak lurus terhadap permukaan; $A$ luas penampang dalam m².
• (HT) $h$ tinggi kolom dalam m, $\rho$ densitas cairan dalam kg/m³. Tekanan meningkat seiring kedalaman dan densitas.
• Benda yang tenggelam mengalami tekanan yang lebih besar di bagian bawahnya daripada di bagian atasnya → resultan gaya apung. Melayang diam: gaya apung = berat. Jika berat melebihi gaya apung pada awalnya, benda yang dilepaskan akan dipercepat ke bawah; benda yang tenggelam kemudian dapat bergerak dengan kecepatan konstan ketika gaya apung ditambah gesekan udara/seair menyamai beratnya.
• Tekanan atmosfer menurun seiring ketinggian: semakin sedikit molekul udara di atas suatu permukaan saat naik, sehingga berat udara berkurang; atmosfer menjadi kurang padat seiring naiknya altitude.

Contoh terpecahkan (ditulis guru; HT). Kolom air setinggi 2.0 m memiliki massa jenis 1000 kg/m³; percepatan gravitasi $g=9.8$ N/kg. Tekanannya, tambahan terhadap tekanan di permukaan bebas, adalah:

Melayang diam memerlukan keseimbangan gaya penuh. Benda yang tenggelam dapat mencapai kecepatan konstan ketika gaya apung + gesekan = berat; tenggelam tidak selalu berarti dipercepat ke bawah.

• Jarak (skalar): seberapa jauh. Pergeseran (vektor): jarak garis lurus dan arah.
• Kecepatan (skalar) — nilai tipikal: berjalan ≈ 1.5 m/s, berlari ≈ 3 m/s, bersepeda ≈ 6 m/s, bunyi di udara ≈ 330 m/s. Kecepatan vektor: kecepatan dalam arah tertentu.
• $s = vt$ (kecepatan konstan); kecepatan rata-rata = total jarak ÷ total waktu.
• Graf jarak–waktu: gradien = kecepatan; (HT) garis singgung memberikan kecepatan sesaat pada benda yang dipercepat.
• Percepatan: $a = \Delta v / t$, dalam m/s²; perlambatan berarti melambat. Dengan arah awal dipilih positif, percepatannya bernilai negatif. Perkirakan percepatan sehari-hari.
• Graf kecepatan–waktu: gradien = percepatan; (HT) area bertanda memberikan perpindahan. Tambahkan besaran area di atas dan di bawah nol untuk mencari jarak total. Jika kecepatan tetap positif, area juga memberikan jarak.
• Percepatan seragam: $v^2 - u^2 = 2as$. Jatuh bebas dekat Bumi: $a \approx 9.8$ m/s².

Contoh dikerjakan (grafik). Grafik v–t naik lurus dari 0 hingga 20 m/s dalam 8 s, kemudian tetap datar selama 12 s.

• Percepatan (gradien): $a=\Delta v/\Delta t=(20-0)/8=2.5$ m/s².
• (HT) Area dengan kecepatan positif: $s=s_1+s_2=\tfrac12\Delta t_1v+v\Delta t_2=\tfrac12\times8\times20+20\times12=320$ m.

Kecepatan terminal: benda yang jatuh dipercepat (berat > gesekan); seiring bertambahnya kecepatan, gesekan bertambah hingga resultan gaya = 0 — kecepatan konstan = kecepatan terminal. Penerjun payung: kecepatan terminal cepat sebelum payung terbuka, lambat setelahnya; interpretasikan bentuk kurva v–t.

Contoh tangen terpecahkan (HT; ditulis guru). Pada suatu saat yang ditentukan, garis singgung pada kurva jarak–waktu melewati (2 s, 3 m) dan (6 s, 15 m):

Ini adalah kecepatan sesaat pada titik singgung. Sebuah tali busur atas selang waktu memberikan laju rata-rata.

Tuntutan ujian. AQA Juni 2025 Q05.2 memberikan percepatan rata-rata 0.64 m/s² dari keadaan diam selama 2.5 menit. Konversi waktu menjadi 150 s, lalu:

Q05.3 memerlukan penjelasan kecepatan terminal yang terkait: kecepatan naik → hambatan naik → hambatan sama dengan berat → resultan dan percepatan menjadi nol. Saat payung terbungkus dibuka, hambatan awalnya melebihi berat: percepatan ke atas memperlambat pelompat parasut yang masih bergerak ke bawah.

• Hukum pertama: resultan gaya nol → benda diam tetap diam; benda bergerak mempertahankan kecepatan yang sama. Untuk gerak lurus beraturan, gaya penggerak = gaya hambat. (HT) Inersia: kecenderungan untuk mempertahankan keadaan gerak.
• Hukum kedua: $a \propto F$, $a \propto 1/m$, sehingga:

(HT) Massa inersia = gaya ÷ percepatan — penentangan terhadap perubahan kecepatan.

Praktik wajib 7: troli di lintasan — ubah gaya penggerak dengan mentransfer massa dari troli ke penyangga gantungnya, menjaga total massa bergerak tetap konstan. Untuk sistem gabungan troli–penyangga, gaya penggerak adalah berat penyangga ketika gesekan dapat diabaikan atau dikompensasi; tegangan tali pada troli adalah gaya yang berbeda. Kemudian jaga massa penyangga tetap dan tambahkan massa pada troli. Ukur percepatan menggunakan gerbang cahaya; plot $a$ terhadap gaya penggerak pada total massa tetap, atau $a$ terhadap $1/m$ di mana $m$ adalah total massa bergerak.

• Hukum ketiga: dua objek yang berinteraksi exert gaya yang sama besar dan berlawanan arah saling satu sama lain — jenis yang sama, arah berlawanan, pada objek berbeda.

Contoh terpecahkan (hukum ketiga dalam situasi kesetimbangan). Sebuah buku dengan berat 4.0 N bersandar pada meja.

• Gaya-gaya pada buku: beratnya, 4.0 N ke bawah (Bumi menarik buku), dan gaya kontak normal, 4.0 N ke atas (meja mendorong buku). Mereka seimbang karena buku berada dalam kesetimbangan: itulah hukum pertama, resultan gaya nol.
• Kedua gaya ini bukan pasangan hukum ketiga. Keduanya bekerja pada objek yang sama, dan merupakan jenis gaya yang berbeda (satu gravitasi, satu kontak).
• Pasangan nyata: meja mendorong buku ke atas (1) dan buku mendorong meja ke bawah dengan 4.0 N (2); Bumi menarik buku ke bawah (3) dan buku menarik Bumi ke atas dengan 4.0 N (4).

Uji pasangan yang diklaim: jenis gaya yang sama, besar yang sama, arah berlawanan, bekerja pada dua objek berbeda.

Contoh ketidakpastian berkerja (AQA Jun 2024 Soalan05.4). Tiga pecutan ialah 1.36, 1.39 dan 1.33 m/s². Julat ialah 0.06 m/s²; menggunakan separuh julat, laporkan ketidakpastian ±0.03 m/s². Pengulangan mendedahkan sebaran; purata mengurangkan variasi rawak tetapi tidak menghapuskan ralat kalibrasi bersama.

Dari keadaan diam di bawah percepatan seragam, percepatan juga dapat ditemukan dari jarak dan waktu: kecepatan rata-rata adalah $s/t$, kecepatan akhir adalah dua kali kecepatan rata-rata, dan percepatan adalah kecepatan akhir dibagi waktu. Nyatakan asumsi keadaan diam/percepatan seragam.

Jarak berhenti = jarak reaksi + jarak pengereman.

• Jarak Berpikir (reaksi) = masa tindak balas × kelajuan. Masa tindak balas 0.2–0.9 s biasanya; terjejas oleh keletihan, ubat-ubatan, alkohol, gangguan. Ukur ia: lepaskan pembaris antara jari pasangan — jarak jatuh → masa daripada $s = \tfrac12 at^2$ (atau jam elektronik).
• Jarak pengereman: meningkat seiring kecepatan (untuk gaya pengereman tertentu); jalan basah atau licin, rem atau ban aus memperpanjang jarak ini.
• Fisika pengereman: gesekan antara rem dan roda melakukan usaha pada penyimpanan energi kinetik; suhu rem meningkat; kecepatan lebih tinggi atau waktu berhenti lebih pendek → gaya yang dibutuhkan lebih besar → perlambatan lebih besar → rem kepanasan, kehilangan kendali. (HT) Perkirakan gaya perlambatan dengan $F = ma$.

Contoh terpecahkan. Mobil 1500 kg mengerem dari 30 m/s hingga berhenti dalam 60 m.

• Pilih gerakan awal sebagai positif. Dari $v^2-u^2=2as$, $a=(v^2-u^2)/(2s)=(0-30^2)/(2\times60)=-7.5$ m/s².
• Magnitud daya brek: $|F|=m|a|=1500\times7.5=11250\approx11000$ N, berlawanan dengan gerakan awal.

Contoh soalan berkerja (AQA Jun 2025 Q06.3). Kereta 1400 kg melambat secara seragam dari 18 m/s kepada berhenti selama 24 m pemberhentikan. Pilih arah awal sebagai positif:

Gaya memiliki besaran 9450 N, berlawanan dengan gerak awal. Jangan masukkan jarak berpikir ke dalam persamaan pengereman.

• $p$ momentum dalam kg m/s (vektor); kekekalan: dalam sistem tertutup, total momentum sebelum = total momentum setelah suatu peristiwa (tabrakan).
• $F = m\Delta v/\Delta t$: gaya = laju perubahan momentum (ini adalah $F = ma$ yang dinyatakan ulang).
• Fitur keselamatan dijelaskan dengannya: kantung udara, sabuk pengaman, matras tabrakan, helm sepeda, area bermain berbusa — semua meningkatkan waktu di mana perubahan momentum terjadi, sehingga $\Delta v/\Delta t$ turun dan gaya juga turun.

Contoh terpecahkan. Mobil 1000 kg bergerak dengan 20 m/s menabrak penghalang dan berhenti dalam 0.25 s.

• Besaran perubahan momentum: $|\Delta p| = m|\Delta v| = 1000 \times 20 = 20\,000$ kg m/s.
• Besar gaya rata-rata: $|\bar F| = |\Delta p| / \Delta t = 20\,000/0.25 = 80\,000$ N, berlawanan dengan gerak. Dengan zona hancur ($\Delta t = 0.50$ s), besar gaya rata-rata berkurang menjadi setengahnya menjadi 40 000 N untuk perubahan momentum yang sama.

Contoh tabrakan terpecahkan (lembar 5.9). Kereta dorong bermassa 2.0 kg bergerak ke kanan pada kecepatan 3.0 m/s dan menempel pada kereta dorong diam bermassa 1.0 kg. Dengan impuls horizontal eksternal yang dapat diabaikan, ambil arah kanan sebagai positif:

Kekekalan momentum tidak memerlukan kekekalan energi kinetik. Untuk pantulan, pertahankan kecepatan bertanda: bola bermassa 0.16 kg berubah dari +12 menjadi −8.0 m/s, sehingga $\Delta p=m(v-u)=-3.2$ kg m/s. Selama 0.020 s, gaya rata-rata adalah $\bar F=\Delta p/\Delta t=-160$ N (160 N ke kiri). Dinding mengalami gaya rata-rata yang sama besar dan berlawanan arah.

Penjelasan airbag (AQA Juni 2025 Q06.2). Untuk pengemudi yang sama dan perubahan momentum yang sama, airbag memperpanjang waktu berhenti, mengurangi laju perubahan momentum dan gaya rata-rata. Hal ini mengurangi risiko cedera; namun tidak menjamin tabrakan tanpa bahaya.

• Klasifikasikan skalar/vektor, kontak/tidak langsung; hitung $W = mg$; temukan resultan kolinear; (HT) gambar diagram bebas-benda dan diagram skala untuk resultan.
• $W = Fs$ dengan cerita perpindahan energi; $F = ke$, $E_e = \tfrac12 ke^2$; RP6 dengan gradien = $k$.
• (fisika saja) Torsi seimbang; tuas dan transmisi menukar gaya untuk jarak; $p = F/A$, (HT) $p = h\rho g$; daya apung dan mengapung; tekanan atmosfer vs ketinggian.
• Jarak vs perpindahan; kecepatan tipikal; baca grafik d–t dan v–t (gradien, tangen, luas); $v^2 - u^2 = 2as$; cerita kecepatan terminal.
• Tiga hukum Newton beserta contohnya; metode dan grafik RP7.
• Jarak berhenti terbagi; pengukuran waktu reaksi; energi pengereman dan bahaya perlambatan.
• (HT) $p = mv$, kekekalan dalam tabrakan, $F = m\Delta v/\Delta t$, fitur keselamatan melalui $\Delta t$ yang lebih lama.

Kesalahan umum

• Memberikan berat dalam kilogram. Massa adalah kg; berat adalah gaya dalam N, $W = mg$.
• Menggunakan jarak yang salah untuk momen. Gunakan jarak tegak lurus dari titik tumpu ke garis gaya, dalam meter.
• Membaca fitur yang salah dari grafik gerak. Gradien jarak–waktu = kecepatan; gradien kecepatan–waktu = percepatan; area di bawah kecepatan–waktu = jarak.
• Mengatakan resultan gaya nol berarti benda diam. Benda juga dapat bergerak dengan kecepatan konstan.
• Memasang pasangan hukum ketiga Newton pada objek yang sama. Dua gaya bekerja pada objek berbeda, sehingga tidak pernah saling meniadakan.
• Memasukkan panjang regangan ke dalam $F = ke$. Gunakan perpanjangan, dan hanya pada daerah proporsional.
• Mencampuradukkan kedua bagian jarak berhenti. Kelelahan, obat-obatan, dan gangguan memperpanjang jarak berpikir; jalan basah atau licin serta ban atau rem aus memperpanjang jarak pengereman.
• Mengabaikan arah dalam momentum. Pilih arah positif; kecepatan ke arah lain adalah negatif.