A.4 · Mekanika benda kaku

Lembar kerja ini mencakup topik HL terpilih untuk kurikulum yang pertama kali diassesmen pada 2025; ini bukan keseluruhan silabus.

Prasyarat: baca kuantitas dan satuan yang ditentukan, serta gunakan aritmatika dan kondisi model di bawah ini.

Contoh-contoh ini orisinal dan fiksi: mereka bukan pengukuran nyata atau investigasi mahasiswa sungguhan.

Apa yang akan menjelaskan observasi ini?

• Pintu lebih mudah dibuka ketika didorong dekat tepi luarnya. Besaran gaya saja tidak menentukan efek pemutaran.

Bangun modelnya

• Torsi bergantung pada gaya dan jarak tegak lurus terhadap poros.
• Momen inersia menggambarkan tahanan terhadap percepatan sudut dan bergantung pada distribusi massa terhadap sumbu yang ditentukan.
• torsi: Efek putaran terhadap suatu sumbu.
• momen inersia: Tahanan terhadap percepatan sudut terhadap sumbu tertentu.

Pilih bukti yang dapat mengujinya

• Untuk benda kaku terhadap sumbu tetap, total torsi sama dengan momen inersia dikali percepatan sudut.
• Energi kinetik rotasi bergantung pada kuadrat kecepatan sudut.
• Momentum sudut kekal ketika total torsi eksternal nol.

Di laboratorium: Gambarlah titik tumpu, arah gaya, dan lengan tuas tegak lurus. Jangan gunakan jarak miring dari titik tumpu ke titik gaya kecuali tegak lurus terhadap gaya. Untuk eksperimen, pastikan bagian berputar terlindungi dan beban terpasang aman.

Bekerja dari kuantitas yang diketahui

• Diketahui: Gaya 10 N tegak lurus bekerja 0.30 m dari sebuah sumbu.
• Torsi = gaya × jarak tegak lurus = 10×0.30 = 3.0 N m.
• Jika momen inersia adalah 0.60 kg meter persegi, percepatan sudut = torsi/inersia = 3.0/0.60 = 5.0 radian per detik persegi.

Giliran Anda: Gaya 12 N bekerja secara tegak lurus 0.25 m dari titik tumpu. Hitunglah torsi.

Periksa kesimpulan dan batasannya

• Torsi memiliki satuan N m tetapi merupakan efek putaran, bukan penyimpan energi.
• Momen inersia berubah jika massa yang sama bergerak lebih jauh dari sumbu.

Tidak benar: Momen inersia hanya bergantung pada total massa, tidak pada distribusinya. Momen inersia bergantung pada bagaimana massa didistribusikan relatif terhadap sumbu: total massa yang sama yang berada lebih jauh dari sumbu menghasilkan momen inersia yang lebih besar. Dengan torsi eksternal yang dapat diabaikan, seorang penari es berputar lebih cepat saat lengannya ditarik ke dalam karena momen inersia yang lebih kecil harus disertai dengan kecepatan sudut yang lebih besar.

Kunci:

• Torsi bergantung pada gaya dan jarak tegak lurus dari sumbu.
• Untuk benda kaku terhadap sumbu tetap, total torsi sama dengan momen inersia dikali percepatan sudut.
• Perhatikan: torsi memiliki satuan N m tetapi merupakan efek putaran, bukan penyimpan energi.

Tulis dari torsi 8 newton meter

• Gaya 20 N bekerja secara tegak lurus 0.40 m dari titik tumpu.
• Tentukan torsi. Momen inersia bergantung pada bagaimana massa didistribusikan.

Tulis dari momentum sudut yang kekal

• Seorang penari berputar dengan inersia 4.0 kg m² pada kecepatan 3.0 rad s⁻¹ dan menarik lengannya, mengurangi inersia menjadi setengah yaitu 2.0 kg m².
• L = Iω kekal: 4.0 × 3.0 = 2.0 × ω, sehingga ω = 6.0 rad s⁻¹ — inersia setengah, laju dua kali lipat.

Tulis dari timbangan seimbang

• Anak berat 300 N duduk 2.0 m di kiri poros; dewasa berat 600 N duduk di kanan.
• Torsi seimbang: 300 × 2.0 = 600 × d, sehingga d = 1.0 m — momen sama besar dan berlawanan arah, bukan gaya yang sama.