3.1 · Forces and their effects

Gaya dan efeknya

Setiap dorongan, tarikan, dan pegangan di dunia adalah gaya — dan topik pertama OxfordAQA mengorganisir mereka: interaksi kontak dan non-kontak, skalar berbanding vektor, tiga hukum Newton, keselamatan kendaraan, serta ide-ide P-extension tentang momentum, kecepatan terminal, pusat massa, dan momen.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topik 3.1 (Versi 5.1, ujian 2018 ke atas). Pernyataan yang ditandai (P) hanya Paper-2; detail kertas ada dalam skema penilaian spesifikasi. Komponen spesimen yang tersimpan adalah 9203-92031 dan 9203-92032 — praktik spesimen dalam paket ini selalu diberi label sebagai demikian.

Gaya dan interaksinya

Benda berinteraksi melalui gaya medan non-kontak (gravitasi, elektrostatika, magnetisme) dan gaya kontak (gesekan, hambatan udara, tegangan, gaya kontak normal). Gesekan bekerja antara dua permukaan, menghambat gerakan dan dapat memanaskannya; hambatan udara adalah gesekan dengan fluida.

Skalar hanya memiliki besaran (jarak, kecepatan, waktu); vektor menambahkan arah (perpindahan, kecepatan, percepatan, gaya, momentum) dan dapat digambarkan sebagai anak panah. Berat adalah gaya gravitasi: $W = m \times g$.

Gaya dapat mengubah bentuk — meregangkan, membengkokkan, memampatkan. Distorsi elastis pulih; yang inelastis tidak (P). Pegas yang diregangkan menyimpan energi potensial elastis, dan di bawah batas proporsionalitas:

Praktik yang diperlukan: selidiki gaya terhadap perpanjangan pada pegas (gantungkan massa, buat grafik garis, gradien = k).

Contoh terpecahkan (konstanta pegas). Sebuah pegas memiliki panjang 12.0 cm tanpa beban dan 15.0 cm saat diberi beban 3.0 N. Pertambahan panjangnya adalah $15.0 - 12.0 = 3.0$ cm $= 0.030$ m, sehingga konstanta pegasnya $k = F/e = 3.0 \div 0.030 = 100$ N/m. Dengan beban 5.0 N (masih di bawah batas proporsionalitas), pertambahannya $e = 5.0 \div 100 = 0.050$ m, sehingga pegas tersebut menjadi panjang $12.0 + 5.0 = 17.0$ cm.

Gerakan dan hukum Newton

Kecepatan adalah gradien grafik jarak–waktu; kecepatan menambahkan arah: $v = s/t$ (dapat digunakan juga untuk kecepatan rata-rata). Percepatan adalah laju perubahan kecepatan: $a = \Delta v/t$ — dari gradien grafik kecepatan–waktu, yang luasnya memberikan jarak tempuh. Mengubah arah pada kecepatan konstan tetap merupakan percepatan.

• Hukum Pertama Newton: resultan gaya nol → diam tetap diam, gerak mempertahankan kecepatannya.
• Hukum Kedua Newton: $F = m \times a$ dalam arah resultan.
• Hukum Ketiga Newton: Benda yang berinteraksi saling memberikan gaya yang sama besar dan berlawanan arah.

Gaya resultan: gaya berlawanan atau sejajar dijumlahkan sepanjang garis; dua gaya sebidang digabungkan melalui gambar skala (dibuat sesuai skala, ujung ke ekor).

Contoh terpecahkan (resultan gaya dan $F = ma$). Mobil bermassa 1200 kg memiliki gaya penggerak 3000 N ke depan dan gaya hambat 600 N ke belakang. Gambarlah kedua anak panah pada mobil terlebih dahulu. Resultannya adalah $3000 - 600 = 2400$ N ke depan, sehingga $a = F/m = 2400 \div 1200 = 2.0$ m/s². Kemudian mobil bergerak dengan kecepatan konstan dengan gaya penggerak yang sama: gaya hambat sekarang harus 3000 N, karena resultannya nol.

Contoh terpecahkan (gambar skala). Mesin perahu mendorongnya ke timur dengan gaya 400 N sementara angin mendorongnya ke utara dengan gaya 300 N. Dengan skala 1 cm = 100 N, gambar panah sepanjang 4.0 cm ke timur, kemudian 3.0 cm ke utara dari ujung panah pertama. Panah resultan mengukur 5.0 cm, sehingga besarnya 500 N; penggaris busur menunjukkan sudut 37° di utara dari timur.

Contoh terpecahkan (membaca grafik kecepatan–waktu). Kereta mempercepat secara konstan dari diam menjadi 20 m/s dalam 40 s, lalu bergerak pada 20 m/s selama 20 s. Percepatan = gradien = $20 \div 40 = 0.50$ m/s². Jarak = luas: segitiga menghasilkan $\tfrac12 \times 40 \times 20 = 400$ m dan persegi panjang $20 \times 20 = 400$ m, sehingga 800 m dalam 60 s, dengan kecepatan rata-rata $800 \div 60 = 13$ m/s.

(P) Momentum, keselamatan, dan kecepatan terminal

Momentum terjaga ketika sistem yang dipilih memiliki resultan gaya eksternal nol; impuls eksternal yang dapat diabaikan selama tumbukan atau ledakan singkat memberikan total yang kira-kira tetap. Keselamatan mobil: airbag, sabuk pengaman, bar sisi benturan, zona hancur, bantalan tabrakan, permukaan bermain berlapis busa, dan helm sepeda semuanya memperpanjang waktu benturan, sehingga untuk perubahan momentum yang sama gayanya lebih kecil.

Contoh terpecahkan (P) (ledakan). Dua penari es, 60 kg dan 40 kg, berdiri diam dan mendorong menjauh. Momentum total nol sebelum, sehingga nol setelah. Jika 40 kg penari es bergerak menjauh pada 3.0 m/s, maka 60 kg penari es harus memiliki momentum $40 \times 3.0 = 120$ kg m/s ke arah berlawanan: $v = 120 \div 60 = 2.0$ m/s, ke arah berlawanan.

Contoh terpecahkan (P) (gaya dari perubahan momentum). Sepak bola 0.40 kg yang diam ditendang hingga 25 m/s; kaki menyentuhnya selama 0.010 s. $\Delta p = 0.40 \times 25 - 0 = 10$ kg m/s, sehingga $F = \Delta p/t = 10 \div 0.010 = 1000$ N.

Pada kecepatan konstan, gaya penggerak menyeimbangi gaya resistif. Jarak berhenti = jarak reaksi + jarak pengereman; waktu reaksi meningkat dengan kelelahan, gangguan, obat-obatan, dan alkohol; gaya pengereman harus meningkat seiring kecepatan, dan perlambatan besar dapat membuat rem kepanasan. Pengereman mengonversi energi kinetik kendaraan menjadi panas pada rem (usaha gesekan); jarak pengereman bertambah di jalan basah atau licin serta dengan rem atau ban yang sudah aus.

Benda yang jatuh melalui fluida mencapai kecepatan terminal ketika gaya hambat ditambah daya apung menyeimbangkan berat; mengabaikan daya apung menghasilkan gaya hambat = berat; payung meningkatkan gaya hambat untuk menurunkan kecepatan terminal, dan aliran laminar (bentuk hiu, desain mobil) mengurangi gaya hambat untuk menaikkan kecepatan maksimum.

(P) Pusat massa dan momen

Pusat massa adalah tempat massa benda dapat dianggap terkonsentrasi; benda yang tergantung bebas bersandar dengan pusat massanya berada di bawah titik gantungan, dan pusat massa benda simetris terletak pada sumbu simetrinya. Temukan untuk lembaran tidak beraturan dengan menggantungnya dari dua titik dan menarik garis plumb.

Benda seimbang memiliki total momen searah jarum jam dan berlawanan jarum jam yang sama; tuas adalah pengali gaya. Jika garis kerja berat jatuh di luar dasar, momen resultan akan menjatuhkan benda (kendaraan, mainan penyeimbang).

Contoh terpecahkan (P) (menyeimbangkan ayunan). Seorang anak berbobot 300 N duduk 2.0 m di sebelah kiri titik tumpu: momen berlawanan jarum jam $= 300 \times 2.0 = 600$ N m. Anak berbobot 400 N menyaibangkannya pada jarak $d = 600 \div 400 = 1.5$ m ke kanan. Anak yang lebih berat duduk lebih dekat ke titik tumpu.

*Balok yang stabil menjaga garis beratnya tetap di dalam dasar; balok miring dengan garis berat di luar akan tumbang.

Kesalahan umum

• Menggunakan panjang pegas alih-alih regangan dalam $F = ke$. Kurangi panjang awal, dan ubah cm ke m.
• Menggunakan satu gaya dalam $F = ma$ ketika beberapa bekerja. Temukan resultan gaya terlebih dahulu.
• Mengatakan benda bergerak harus memiliki resultan gaya padanya. Pada kecepatan stabil, gaya-gaya seimbang (Hukum I Newton).
• Memikirkan dua gaya dalam Hukum III Newton saling menghilangkan. Mereka bekerja pada benda yang berbeda, sehingga tidak pernah saling menghilangkan.
• Menjumlahkan dua gaya tegak lurus sebagai angka (400 N + 300 N = 700 N). Gunakan gambar skala; resultannya adalah 500 N.
• (P) Melupakan bahwa momentum memiliki arah. Benda yang bergerak berlawanan memiliki momentum negatif.
• (P) Mengukur jarak momen dari ujung balok. Ukur dari titik tumpu, tegak lurus terhadap gaya.

Periksa diri Anda

1. Berikan satu contoh masing-masing gaya kontak dan gaya non-kontak.
2. Manakah dari berikut ini yang merupakan vektor: kecepatan, perpindahan, waktu, gaya?
3. Nyatakan persamaan pegas dan nama konstantanya.
4. Nyatakan tiga hukum Newton dalam satu kalimat masing-masing.
5. Sebuah mobil 900 kg dipercepat pada 2 m/s². Hitung resultan gaya.
6. Sebutkan dua faktor yang memperpanjang jarak reaksi dan dua yang memperpanjang jarak pengereman.
7. (P) Jelaskan bagaimana zona hancur melindungi penumpang, menggunakan F = Δp/t.
8. (P) Mengapa penerjun payung mencapai kecepatan terminal yang lebih rendah setelah membuka payung?
9. (P) Di mana letak pusat massa benda simetris?
10. (P) Gaya 250 N bekerja 0.4 m dari poros. Hitung momen gaya tersebut.

Jawaban: 1 kontak — gesekan/tegangan/hambatan udara/normal; non-kontak — gravitasi/elektrostatik/magnetik; 2 perpindahan dan gaya; 3 $F = ke$, konstanta pegas (N/m); 4 pertama — tidak ada resultan gaya, tidak ada perubahan kecepatan; kedua — $F = ma$ sepanjang resultan; ketiga — gaya interaksi sama besar dan berlawanan arah; 5 $F = 900 \times 2 = 1800$ N; 6 berpikir — kelelahan, gangguan, obat-obatan/alkohol; pengereman — jalan basah/es, rem atau ban aus (dua dari masing-masing); 7 (P) waktu tabrakan lebih lama, sehingga untuk $\Delta p$ yang sama, gaya $F = \Delta p/t$ lebih kecil; 8 (P) hambatan jauh lebih besar, sehingga hambatan menyeimbangkan berat pada kecepatan lebih rendah; 9 (P) pada sumbu simetrinya; 10 (P) $M = 250 \times 0.4 = 100$ N m.