Gesekan, hambat alir, dan kecepatan terminal
Diperkenalkan| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ | kecepatan terminal |
| air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ | hambatan udara |
| friction/ˈfrɪkʃn/ | gesekan |
| drag/dræɡ/ | hambatan |
| viscous/ˈvɪskəs/ | viskositas |
| fluid/ˈfluːɪd/ | fluida |
| upthrust/ˈʌpθrʌst/ | gaya apung |
| resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ | gaya resultan |
| thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ | energi termal |
| power/ˈpaʊə/ | daya |
Mengapa seorang penurun payung berhenti percepatnya
- Melompat dari pesawat berarti mengalami percepatan — tetapi tidak selamanya.
- Segera Anda jatuh dengan kecepatan tetap, yaitu kecepatan terminal, meskipun gravitasi masih menarik.
- Alasannya adalah hambatan udara yang bertambah seiring bertambahnya kecepatan.
Gesekan dan hambatan
- Gesekan bekerja antara dua permukaan padat, melawan gerakan meluncur.
- Hambatan (gaya viskos) adalah resistensi dari fluida — cairan atau gas.
Pasangan hukum Newton ketiga: R pada buku (naik) dan R-prime pada meja (turun)
Menghentikan mobil
Gesekanlah yang memperlambat mobil. Tetapkan kecepatan dan rem — mobil terus bergerak sementara pengemudi bereaksi, lalu gesekan memperlambatnya. Gandakan kecepatan dan perhatikan jarak pengereman menjadi empat kali lipat.
Manakah yang paling tepat menggambarkan gaya hambat alir (kental)?
Hambat alir adalah tahanan yang diberikan fluida (cairan atau gas) terhadap sesuatu yang bergerak melaluinya. Gesekan adalah kasus padat-ke-padat.
Hambatan bertambah seiring kecepatan
- Saat diam, tidak ada hambatan.
- Semakin cepat bergerak, semakin besar gaya hambat yang terjadi.
Grafik kecepatan-waktu untuk benda yang jatuh melalui udara
Gaya hambat alir pada benda jatuh bertambah seiring bertambahnya kecepatannya.
Ya — saat diam hambat alirnya nol, dan ia meningkat seiring kecepatan. Itulah yang akhirnya menyeimbangkan beratnya.
Tiga gaya pada bola yang jatuh dalam cairan
- Berat $W$ — arah turun, selalu konstan.
- Gaya apung $U$ — arah naik, sama pada setiap kecepatan (bergantung hanya pada cairan yang dipindahkan).
- Hambatan $F$ — arah naik, berlawanan dengan gerak, dan bertambah saat bola semakin cepat.
- Kebiasaan ujian: gambar setiap gaya sebagai anak panah berlabel dari bola, dan jangan tambahkan anak panah "gerak".
Diagram tubuh bebas hanya menampilkan gaya-gaya yang bekerja pada benda — konsep yang sama berlaku untuk bola yang jatuh
Bola baja jatuh melalui minyak. Gaya-gaya mana yang bekerja pada bola? Pilih semua yang berlaku.
Tiga gaya: berat ke bawah, gaya apung ke atas, dan hambat alir ke atas (berlawanan dengan gerak). Tidak ada gaya gerak terpisah — bola bergerak karena kecepatannya, bukan karena gaya mendorongnya maju.
Jatuh menuju kecepatan terminal
- Awal: hanya berat (dan gaya apung) yang bekerja, sehingga resultan gaya terbesar dan percepatan terbesar.
- Tengah: hambatan bertambah, resultan gaya mengecil, sehingga percepatan menurun.
- Akhir: gaya ke atas sama dengan berat → resultan gaya nol → kecepatan konstan.
Capai kecepatan terminal
Lompat dan lihat panang hambatan udara membesar hingga menyeimbangkan berat — lalu kecepatannya tetap. Buka payung terpal dan hambat alir yang jauh lebih besar menurunkan pendakian ke kecepatan terminal yang lambat dan aman.
Susun tahap-tahap jatuhnya benda melalui udara secara berurutan, sejak saat dilepaskan.
Hambat alir mulai dari nol dan meningkat seiring kecepatan hingga meniadakan berat, mengakhiri percepatan.
Pada kecepatan terminal, gaya hambat alir sama dengan ____.
Hambat alir = berat, sehingga resultan gayanya nol dan kecepatannya tetap.
Pada kecepatan terminal percepatan adalah nol — bukan kecepatannya. Benda masih bergerak, dan masih kehilangan ketinggian. Kesalahan umum dalam ujian adalah "gaya-gaya seimbang sehingga benda berhenti".
Contoh soal: kecepatan terminal dalam minyak
Sebuah bola baja kecil dengan berat $0.050\ \text{N}$ jatuh melalui minyak. Gaya apung padanya adalah $0.010\ \text{N}$, dan hambatan adalah $F = kv$ dengan $k = 0.080\ \dfrac{\text{N s}}{\text{m}}$. Tentukan kecepatan terminal.
- Pada kecepatan terminal resultan gaya adalah nol: $W = U + F$.
- Maka $F = 0.050 - 0.010 = 0.040\ \text{N}$.
- Maka $kv = 0.040$, menghasilkan $v = \dfrac{0.040}{0.080} = 0.50\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$.
- Cek: dalam cairan, mengabaikan gaya apung menghasilkan $v = 0.63\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$ — jawaban salah, dan nilai hilang.
Bola dengan berat $0.12\ \text{N}$ jatuh melalui cairan. Gaya apungnya $0.030\ \text{N}$ dan hambat alirnya $F = kv$ dengan $k = 0.30\ \dfrac{\text{N s}}{\text{m}}$. Berapa kecepatannya terminal, dalam m/s?
Pada kecepatan terminal $W = U + kv$, sehingga $kv = 0.12 - 0.030 = 0.090\ \text{N}$ dan $v = \dfrac{0.090}{0.30} = 0.30\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$.
Energi pada kecepatan terminal
- Energi kinetik kini konstan, tetapi benda terus kehilangan ketinggian.
- Energi potensial gravitasi yang hilang ini berubah terutama menjadi energi termal fluida — bukan menjadi kecepatan tambahan.
Saat payung terpal jatuh pada kecepatan terminal, energi potensial gravitasi yang hilang berubah terutama menjadi:
Energi kinetiknya konstan, jadi PE jatuh tidak bisa menjadi KE — ia memanaskan udara (dan payung terpal) melalui hambat alir.
Berlayar dengan kecepatan konstan
- Mobil dengan kecepatan stabil memiliki resultan gaya nol: gaya penggerak = total tahanan.
- Pada lereng, gaya penggerak juga harus menyeimbangkan komponen berat sepanjang lereng, $W\sin\theta$.
- Kecepatan lebih tinggi berarti hambatan lebih besar, sehingga butuh gaya penggerak lebih besar — dan daya lebih besar, karena $P = Fv$.
Di lereng, gaya penggerak melawan hambatan dan sebagian dari berat
Mobil yang melaju dengan kecepatan stabil lebih tinggi membutuhkan daya lebih besar karena hambat alirnya lebih besar.
Kecepatan lebih tinggi → hambat alir lebih besar → gaya penggerak yang lebih besar diperlukan → daya lebih besar (daya = gaya × kecepatan).
Contoh soal: daya menanjak lereng
Mobil bermassa $1200\ \text{kg}$ menaiki lereng dengan kemiringan $5.0^\circ$ dengan kecepatan stabil $25\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$. Total gaya tahanan adalah $900\ \text{N}$. Hitung daya output berguna mesin.
- Kecepatan stabil → gaya penggerak $D$ menyeimbangkan semua gaya yang menarik ke belakang.
- Komponen berat ke bawah lereng: $mg\sin\theta = 1200 \times 9.81 \times \sin 5.0^\circ = 1030\ \text{N}$.
- Maka $D = 900 + 1030 = 1930\ \text{N}$.
- Daya: $P = Dv = 1930 \times 25 = 4.8 \times 10^{4}\ \text{W}$ (sekitar $48\ \text{kW}$).
- Cek: menggunakan $mg$ alih-alih $mg\sin\theta$ akan menghasilkan gaya penggerak lebih besar dari seluruh berat mobil — mustahil pada lereng landai.
Truk menanjak di lereng dengan kecepatan stabil $20\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$. Total gaya resistifnya $2000\ \text{N}$ dan komponen beratnya sepanjang lereng $3000\ \text{N}$. Berapa daya output berguna yang dihasilkan mesin, dalam kW?
Kecepatan stabil, sehingga gaya penggerak $2000 + 3000 = 5000\ \text{N}$. Daya $P = Fv = 5000 \times 20 = 1.0 \times 10^{5}\ \text{W} = 100\ \text{kW}$.
Anda telah memahaminya
- hambatan bertambah seiring kecepatan; gesekan terjadi antar padat, hambatan berasal dari fluida
- kecepatan terminal: gaya ke atas (hambatan + gaya apung) = berat, sehingga resultan gaya nol dan kecepatan konstan — percepatan nol, bukan gerak nol
- Energi potensial gravitasi yang hilang menjadi energi termal fluida, bukan energi kinetik
- kecepatan stabil di lereng: gaya penggerak = tahanan + $W\sin\theta$, dan $P = Fv$