Mendeskripsikan dan menjelaskan gerak
Fisika dimulai dengan gerakan. Bagian pertama ini membangun toolkit: grafik yang mendeskripsikan gerak, persamaan yang menghubungkan kecepatan, percepatan, dan jarak, gaya-gaya yang menyebabkan setiap perubahan, dan (P) momentum serta momen yang menjelaskan zona hancur dan balok seimbang.
Edexcel International GCSE Physics 4PH1, Bagian 1 (pernyataan 1.1–1.33P). Pernyataan berakhiran P adalah perluasan ilmu terpisah, diujikan di Kertas 2P; unit yang harus dipelajari meliputi newton (N) dan, (P), newton meter dan kg m/s.
Pergerakan dan posisi
Kecepatan rata-rata = jarak tempuh ÷ waktu yang dibutuhkan. Pada grafik jarak–waktu, gradien adalah kecepatan: garis miring lurus menunjukkan kecepatan tetap, kurva menunjukkan percepatan, garis datar berarti diam. Percepatan adalah perubahan kecepatan per detik:
Pada grafik kecepatan–waktu, gradien adalah percepatan dan area antara garis dan sumbu waktu adalah jarak yang ditempuh.
Cek terpecahkan. Sebuah mobil berakselerasi dari 4 m/s menjadi 16 m/s dalam 6 s: $a = (16 - 4)/6 = 2\ \mathrm{m/s^2}$. Jarak tempuh $= \frac{1}{2}(4 + 16) \times 6 = 60$ m.
Contoh terarah ($v^2 = u^2 + 2as$). Mobil bergerak dengan kecepatan 20 m/s mengerem dengan perlambatan 5.0 m/s². Berapa jarak yang ditempuh sebelum berhenti?
Mobil berhenti, jadi $v = 0$; melambat, jadi $a = -5.0\ \mathrm{m/s^2}$.
Pada 40 m/s (dua kali kecepatan), rem yang sama membutuhkan $\frac{1600}{10} = 160$ m: empat kali lebih jauh, karena kecepatan dikuadratkan.
Contoh terpecahkan (membaca grafik kecepatan–waktu). Lift mulai dari keadaan diam, berakselerasi secara konstan hingga 3.0 m/s dalam 2.0 s, bergerak dengan kecepatan 3.0 m/s selama 6.0 s, kemudian melambat secara konstan hingga berhenti dalam 2.0 s. Jarak = luas di bawah grafik = $\tfrac12(2.0)(3.0) + (6.0)(3.0) + \tfrac12(2.0)(3.0) = 3.0 + 18 + 3.0 = 24$ m. Percepatan pada awal adalah $3.0 \div 2.0 = 1.5\ \mathrm{m/s^2}$.
Gaya dan gerak
Gaya mengubah kecepatan, bentuk, atau arah benda. Gaya adalah vektor (besaran + arah); skalar seperti kecepatan hanya memiliki besaran. Sepanjang garis lurus, gaya-gaya ditambahkan: dua tarikan 5 N berlawanan dengan satu tarikan 8 N menghasilkan gaya resultan sebesar 2 N. Gesekan melawan geser relatif, atau kecenderungannya, antara permukaan yang bersentuhan. Gaya tak seimbang menyebabkan percepatan:
Contoh terarah. Mobil bermassa 1200 kg dengan gaya penggerak 3600 N melawan hambat udara 1200 N: resultan gaya $F = 2400$ N; percepatan $a = 2400/1200 = 2\ \mathrm{m/s^2}$. Berat pada gravitasi $g = 10$ N/kg: berat $W = 1200 \times 10 = 12\,000$ N.
Jarak berhenti = jarak berpikir + jarak pengereman. Jarak berpikir meningkat seiring kecepatan dan waktu reaksi (kelelahan, alkohol, telepon); jarak pengereman meningkat sebanding kuadrat kecepatan, massa, rem lemah, dan cengkeraman buruk (jalan basah atau licin, ban aus).
Contoh terpecahkan (jarak berpikir). Waktu reaksi pengemudi adalah 0.70 s dan mobil bergerak pada 25 m/s. Jarak berpikir = kecepatan × waktu reaksi = $25 \times 0.70 = 17.5$ m. Jika jarak pengereman pada kecepatan ini adalah 48 m, maka jarak berhenti adalah $17.5 + 48 = 65.5$ m, sekitar 66 m. Pengemudi yang lelah dengan waktu reaksi 1.4 s menambahkan lagi 17.5 m.
Mengabaikan gaya apung dalam model jatuh bebas ini, benda jatuh berakselerasi selama berat melebihi tahanan udara; seiring naiknya kecepatan, tahanan naik, resultan turun, hingga berat = tahanan udara — kecepatan terminal.
Gaya dan bentuk
Pegas meregang dengan beban. Di daerah linear awal, perpanjangan berbanding lurus dengan gaya — Hukum Hooke; melewati batas proporsionalitas, kurva melengkung. Perilaku elastis memulihkan bentuk asli saat gaya dilepaskan. Praktis: gantungkan massa pada pegas (atau karet gelang), buat grafik gaya terhadap perpanjangan.
Contoh terpecahkan. Pegas panjangnya 8.0 cm tanpa beban. Dengan beban 2.0 N, panjangnya menjadi 10.5 cm. Ekstensi $= 10.5 - 8.0 = 2.5$ cm. Jika mematuhi Hukum Hooke, beban 4.0 N memberikan ekstensi dua kali lipatnya, yaitu 5.0 cm, sehingga pegas menjadi panjang $8.0 + 5.0 = 13.0$ cm, bukan $2 \times 10.5 = 21$ cm.
Momentum dan momen (P)
Momentum (kg m/s) kekal jika resultan gaya eksternal pada sistem yang dipilih adalah nol; selama tumbukan singkat, impuls eksternal yang dapat diabaikan membuat total sebelum ≈ total setelah.
Contoh terpecahkan (P). Sebuah mobil 1200 kg bergerak dengan kecepatan 15 m/s menabrak mobil diam bermassa 800 kg, lalu keduanya bergerak bersama. Total momentum sebelum tabrakan $= 1200 \times 15 + 800 \times 0 = 18\,000$ kg m/s. Setelahnya, massa gabungan adalah 2000 kg, sehingga $v = 18\,000 \div 2000 = 9.0$ m/s.
Jika tumbukan berlangsung selama 0.15 s, gaya pada mobil 800 kg adalah $F = \dfrac{mv - mu}{t} = \dfrac{800 \times 9.0 - 0}{0.15} = 48\,000$ N. Zona hancur yang memperpanjang durasi menjadi 0.30 s akan mengurangi setengah gaya tersebut. Fitur keselamatan bekerja dengan memperpanjang durasi tumbukan, sehingga untuk perubahan momentum yang sama, gayanya menjadi lebih kecil — zona hancur, sabuk pengaman, kantung udara. Hukum ketiga Newton: setiap aksi memiliki reaksi yang sama besar dan berlawanan arah.
Momen = gaya × jarak tegak lurus dari titik tumpu. Balok seimbang ketika momen searah jarum jam = momen berlawanan arah jarum jam; berat suatu benda bekerja melalui pusat gravitasinya.
Cek contoh. Dua anak (300 N pada 0.4 m, 200 N pada 0.6 m dari titik tumpu) di ayunan: momen searah jarum jam $200 \times 0.6 = 120$ N m; momen berlawanan arah jarum jam $300 \times 0.4 = 120$ N m — seimbang.
Kesalahan umum
- Menggunakan $v^2 = u^2 + 2as$ dengan $a$ positif saat benda melambat. Deselerasi masuk sebagai percepatan negatif.
- Menggandakan panjang pegas alih-alih ekstensinya ketika beban digandakan. Hanya ekstensi yang berbanding lurus dengan gaya.
- Menyatakan tidak ada gaya yang bekerja pada pelesat udara pada kecepatan terminal. Berat dan tahanan udara keduanya bekerja; mereka sama besar, sehingga resultan gayanya nol.
- Melupakan bahwa kecepatan memiliki arah dalam soal momentum. Jika dua benda bergerak saling mendek, berikan salah satu velocity tanda minus.
- Mengukur jarak momen sepanjang balok ke gaya yang tidak tegak lurus. Gunakan jarak tegak lurus dari titik tumpu ke garis kerja gaya.
- Berpikir bahwa alkohol atau kelelahan meningkatkan jarak pengereman. Mereka memperpanjang waktu reaksi, sehingga jarak berpikir.
Periksa diri Anda
- Apa yang ditunjukkan oleh kemiringan grafik jarak-waktu dan grafik kecepatan-waktu?
- Seorang pesepeda menempuh 900 m dalam 3 menit. Hitung kecepatan rata-rata dalam m/s.
- Hitung akselerasi dari 30 m/s hingga berhenti dalam 5 s.
- Nyatakan persamaan yang menghubungkan gaya tidak seimbang, massa, dan akselerasi, beserta satuannya.
- Sebutkan dua faktor yang memperpanjang jarak berpikir dan dua faktor yang memperpanjang jarak pengereman.
- Jelaskan, dalam istilah gaya, mengapa seorang peluncur payung mencapai kecepatan terminal.
- Nyatakan Hukum Hooke.
- (P) Pelari bermassa 60 kg pada kecepatan 8 m/s: hitung momentum.
- (P) Jelaskan bagaimana zona hancur melindungi penumpang.
- (P) Berapakah momen dari gaya 50 N yang bekerja pada jarak 0.3 m dari poros?
Jawaban: 1 kecepatan; percepatan (dan area di bawah garis kecepatan-waktu adalah jarak); 2 $900/180 = 5$ m/s; 3 $a = (0 - 30)/5 = -6\ \mathrm{m/s^2}$ (perlambatan 6 m/s²); 4 F = ma, dengan F dalam newton; 5 reaksi — kecepatan lebih tinggi, waktu reaksi lebih lama; pengereman — kecepatan lebih tinggi (kecepatan²), massa, rem/ban buruk, jalan basah atau licin; 6 hambat udara meningkat seiring kecepatan hingga setara dengan berat — resultan dan percepatan mencapai nol, sehingga kecepatan konstan; 7 ekstensi sebanding dengan gaya, hingga batas proporsionalitas; 8 (P) $p = 60 \times 8 = 480\ \mathrm{kg\,m/s}$; 9 (P) mobil meremuk, memperpanjang waktu tabrakan; gaya = perubahan momentum waktu, jadi waktu lebih lama berarti gaya lebih kecil pada penumpang; 10 (P) $50 \times 0.3 = 15$ N m.