Seberapa cepat Anda akan jatuh?
Bayangkan Anda akan melompat keluar dari pesawat yang terbang 10.000 kaki di atas tanah. Haruskah Anda membawa parasut? Tentu saja! Dengan parasut, Anda akan jatuh lebih lambat dan karena itu jauh lebih kecil kemungkinannya untuk terluka atau terbunuh saat Anda menyentuh tanah.
|
|
|
Parasut meningkatkan gaya ke atas yang diberikan udara pada Anda dan karenanya membuat Anda jatuh lebih lambat. |
Kecepatan Anda jatuh tergantung pada gaya yang bekerja pada Anda. Ada dua gaya utama yang bekerja pada benda yang jatuh. Bumi mengerahkan gaya gravitasi ke bawah, yang menyebabkan Anda mempercepat. Udara juga memberikan gaya ke atas pada Anda saat Anda melewatinya, yang cenderung memperlambat Anda. Meskipun gaya gravitasi konstan dan hanya bergantung pada berat Anda, hambatan udara yang naik bergantung pada banyak hal, termasuk seberapa cepat Anda bergerak serta ukuran dan bentuknya. Parasut sangat meningkatkan gaya ini, menyebabkan Anda jatuh lebih lambat.
Hukum kedua Newton
Isaac Newton menjelaskan hubungan antara gaya dan gerak dalam tiga hukum geraknya yang terkenal. Hukum kedua Newton tentang gerak mengatakan bahwa percepatan suatu benda berbanding lurus dengan gaya total yang diterapkan padanya dan berbanding terbalik dengan massanya. Anda dapat menggunakannya untuk memprediksi pergerakan suatu objek. Gaya total adalah jumlah vektor dari semua gaya yang bekerja pada objek.
Karena Anda mungkin tidak memiliki pesawat terbang dan parasut, di lab ini kami akan mencoba menggunakan hukum kedua Newton untuk memahami dan memprediksi gerakan jatuh dari dua benda yang sudah dikenal, bola dan cangkir plastik.
Mulai
Untuk memulai, temukan bola yang halus, seperti bola bisbol atau tenis, dan cangkir plastik. Gunakan timbangan atau timbangan untuk mencari massa (dalam kg) kedua benda. Anda juga membutuhkan stopwatch, tali panjang, dan penggaris atau meteran untuk mengukur jarak. Anda juga perlu menyewa pembantu!
Selanjutnya, temukan tempat yang relatif tinggi untuk menjatuhkan barang. Jendela atau balkon lantai dua akan bagus, tetapi Anda juga bisa berdiri di atas meja atau kursi.
Sebelum Anda menjatuhkan sesuatu, Anda perlu mengukur jarak jatuhnya benda tersebut. Pastikan Anda jatuh dari ketinggian yang sama setiap saat. Untuk mengukur tinggi, Anda dapat menjatuhkan senar dari tangan Anda ke tanah, lalu mengukur panjang senar (dalam meter) dengan penggaris atau tongkat meteran.
Bagian 1: Menjatuhkan bola
Karena bola itu halus dan bulat, udara tidak akan mengerahkan banyak tenaga saat jatuh. Oleh karena itu, gravitasi merupakan gaya utama yang menentukan pergerakan bola. Ini mirip dengan apa yang akan terjadi pada Anda saat pertama kali melompat keluar dari pesawat dan tidak menggunakan parasut Anda. Untuk memprediksi gerak bola, mulailah dengan diagram benda bebas, seperti di bawah ini, yang menunjukkan semua gaya yang bekerja pada bola.
|
|
Gaya gravitasi yang bekerja pada bola sama dengan massanya ( m ) dikalikan dengan percepatan gravitasi ( g = 9,8 m / s 2 ). Misalnya, jika bola Anda bermassa 0,1 kg, maka gaya gravitasi yang bekerja padanya adalah 0,98 N.
Karena tidak ada gaya lain yang bekerja pada bola saat jatuh, gaya total pada bola sama dengan gaya gravitasi, dan kita dapat menggunakan hukum kedua Newton untuk menentukan bahwa percepatan bola adalah -9,8 m/s2. Percepatan ini negatif karena gaya total diarahkan ke bawah dan bola dipercepat ke arah bawah.
|
|
Mengetahui percepatan ini, Anda dapat menghitung berapa lama waktu yang dibutuhkan bola untuk jatuh menggunakan beberapa kinematika dasar. Misalkan bola jatuh pada jarak -10 m dan memiliki kecepatan awal nol. Meskipun bola Anda juga harus mulai dengan kecepatan awal nol, mungkin bola tidak akan jatuh persis 10m, jadi pastikan untuk menggunakan pengukuran Anda yang sebenarnya saat melakukan perhitungan!
Ini adalah persamaan jarak. Karena kecepatan awal nol, istilah itu menghilang. Kita hanya perlu mengetahui jarak dan percepatan untuk mencari waktu benda jatuh.
|
|
Sekarang setelah Anda memperkirakan berapa lama waktu yang dibutuhkan bola untuk menyentuh tanah, cobalah dan lihat seberapa akurat prediksi Anda! Mintalah asisten Anda memegang stopwatch dan mengukur waktu yang tepat dari saat bola lepas dari tangan Anda hingga menyentuh tanah. Karena ini sulit untuk diukur dengan tepat, Anda pasti ingin melakukannya beberapa kali dan mencari waktu rata-rata.
Jadi, apakah prediksi Anda benar? Waktu Anda mungkin sedikit lebih lama dari yang kami perkirakan. Menurut Anda mengapa itu terjadi?
Ingatlah bahwa kita berasumsi TIDAK ADA gaya hambatan udara yang bekerja pada bola, tetapi pada kenyataannya, mungkin ada sedikit gaya udara yang menyebabkan bola berakselerasi sedikit lebih lambat daripada jika tidak ada gaya lain. .
Bagian 2: Menjatuhkan cangkir
Sedikit lebih rumit untuk memprediksi pergerakan cangkir, bukan? Karena bentuk dan massa cangkir, gaya udara yang bekerja padanya akan cukup besar. Karena kita tidak tahu persis apa gaya ini, mengapa tidak terlebih dahulu mengukur waktu yang dibutuhkan cangkir untuk jatuh, dan kemudian menggunakan informasi ini untuk menghitung gaya hambatan udara rata-rata yang bekerja pada cangkir?
Jatuhkan cangkir beberapa kali dari ketinggian yang sama saat Anda menjatuhkan bola, dan hitung berapa lama waktu yang dibutuhkan untuk jatuh setiap kali. Dari informasi ini, tentukan percepatan cangkir. Ingatlah bahwa percepatan ini harus KURANG DARI 9,8 m/s 2 .
Misalnya, misalkan cangkir memiliki massa yang sama dengan bola dan dijatuhkan lagi dari ketinggian 10 m dan jatuh selama 2,3 s. Ingat, dalam perhitungan Anda, gunakan pengukuran yang Anda buat dalam eksperimen Anda. Kita akan menggunakan persamaan jarak yang sama, tetapi kali ini kita akan menemukan percepatannya.
|
|
Sekarang gambarkan diagram benda bebas cangkir saat jatuh. Seharusnya ada DUA gaya yang bekerja pada cangkir. Anda dapat menggunakan diagram benda bebas untuk menulis persamaan Hukum Kedua Newton untuk mencari gaya yang harus diberikan udara pada cangkir.
|
|
Dari sini Anda dapat melihat bahwa udara mengerahkan gaya ke atas rata-rata 0,6 N saat cangkir jatuh. Sekarang coba dan temukan kekuatan di cangkir Anda!
Ringkasan Pelajaran
Hukum kedua Newton tentang gerak mengatakan bahwa percepatan suatu benda berbanding lurus dengan gaya total yang bekerja padanya dan berbanding terbalik dengan massanya. Di lab ini, kami dapat menggunakan hukum kedua untuk memprediksi gerakan benda jatuh.
