Bahan Ajar Mapel Fisika "GERAK BENDA"

GERAK BENDA

Pernahkah Anda membayangkan bagaimana kalau dalam kehidupan ini tidak ada yang bergerak?. Dalam kehidupan sehari-hari sering kita mendengar kata “gerak” seperti mobil bergerak, gerakan penari, gerakan pelari, gerakan pemain ski es dan lain-lain. Suatu benda dikatakan bergerak bila kedudukannya berubah terhadap acuan tertentu. Misalnya anda duduk di tempat tunggu terminal dan melihat bus bergerak meninggalkan terminal. Terminal Anda tentukan sebagai acuan, maka bus dikatakan bergerak terhadap terminal. Penumpang bus tidak bergerak terhadap bus, karena kedudukan penumpang tersebut setiap saat tidak berubah terhadap bus. Setelah bus berjalan di jalan raya maka suatu saat bus akan berbelok ke kanan, berjalan lurus lagi, belok ke kiri, kemudian lurus lagi dan seterusnya. Jalan yang dilalui bus yang bergerak disebut “lintasan”. Lintasan dapat berbentuk lurus, melengkung, atau tak beraturan.

Dalam bab ini, kita akan berdiskusi dan belajar tentang gerak suatu benda tanpa memperhatikan gaya penyebabnya dan memperhatikan gaya penyebabnya benda tersebut bergerak serta menguraikan tentang gaya-gaya bekerja pada suatu benda. Dalam kinematika akan di bahas hubungan antara waktu, perpindahan, jarak, kecepatan serta percepatan benda tanpa melihat gaya penyebab gerak benda tersebut. Pembahasan kinematika gerak lurus ini juga meliputi benda yang bergerak lurus beraturan (GLB) dan benda yang bergerak lurus berubah beraturan (GLBB). Benda yang bergerak dengan kecepatan yang berubah-rubah secara beraturan, gerak benda jatuh bebas, benda dilempar vertikal ke bawah dan ke atas akan dibahas dalam GLBB

Tujuan Pembelajaran, setelah mempelajari gerak lurus ini kalian diharapkan mampu :

·   Mendefinisikan pengertian gerak

·   Membedakan jarak dan perpindahan

·   Membedakan kecepatan dan kelajuan

·   Menyimpulkan karakteristik gerak lurus beraturan (GLB) melalui percobaan dan pengukuran besaran-besaran terkait.

·   Menyimpulkan karakteristik gerak lurus berubah beraturan (GLBB) melalui percobaan dan pengukuran besaran-besaran terkait.

·   Menerapkan besaran-besaran fisika dalam GLB dan GLBB dalam bentuk persamaan dan menggunakannya dalam pemecahan masalah

A.    PENGERTIAN GERAK

Suatu benda dikatakan bergerak jika benda tersebut berubah kedudukannya setiap saat terhadap titik acuan (titik asalnya). Sebuah benda dikatakan bergerak lurus atau melengkung, jika lintasan berubahnya kedudukan dari titik asalnya berbentuk garis lurus atau melengkung. Sebagai contoh gerak jatuh bebas, gerak mobil di jalan yang lurus, gerak peluru yang ditembakkan dengan sudut tembak tertentu (gerak parabola) dan sebagainya.

Perhatikan pula orang yang berolah raga lari di jalan, ia bergerak terhadap batu di pinggir jalan maupun terhadap rumah-rumah dan pohon-pohon. Dengan demikian apakah yang dimaksud gerak ? Suatu benda dikatakan bergerak jika benda itu mengalami perubahan kedudukan terhadap titik tertentu sebagai acuan. Jadi jelaslah bahwa gerak  adalah perubahan  posisi atau  kedudukan terhadap suatu titik acuan tertentu.

Sekarang perhatikan orang yang berlari di mesin lari fitness atau kebugaran, Apakah ia mengalami perubahan kedudukan terhadap tiang pegangan di mesin tersebut. Ternyata tidak. Dalam fisika orang tersebut tidak dikatakan bergerak, karena tidak mengalami perubahan posisi atau kedudukan dalam selang waktu yang ditempuhnya.

Penempatan  kerangka acuan dalam peninjauan gerak merupakan  hal yang  sangat penting, mengingat  gerak dan diam itu  mengandung pengertian yang relatif. Sebagai contoh seorang yang duduk di dalam kereta api yang bergerak, dapat dikatakan  bahwa orang tersebut  diam  terhadap  bangku yang didudukinya dan terhadap kereta api tersebut. Namun orang tersebut  bergerak  relatif terhadap  stasiun maupun terhadap  pohon-pohon yang dilewatinya.

Sekarang orang tersebut berjalan-jalan di dalam kereta api searah dengan kecepatan  kereta. Dapat dikatakan bahwa orang  tersebut bergerak  relatif terhadap kereta, terhadap stasiun , terhadap  pohon, tetapi  orang tersebut diam terhadap buku yang  dipegangnya.

B.     POSISI, JARAK, DAN PERPINDAHAN

Gerak lurus adalah gerak yang lintasannya lurus. Lintasan adalah tempat kedudukan titik-titik yang dilalui oleh suatu benda yang bergerak. Suatu benda dikatakan bergerak jika kedudukannya setiap saat berubah terhadap titik acuan.  Kedudukan adalah letak suatu benda pada waktu tertentu diukur dari titik acuan tertentu. Perthatikan ilustrasi berikut ini!

Mobil bergerak dari P ke Q menempuh jarak 100 km, berarti mobil tersebut telah menempuh panjang lintasannya dihitung dari P (posisi awal) ke Q (posisi akhir) adalah sejauh 100 km. Dapat disimpulkan, jarak adalah merupakan panjang lintasan yang ditempuh oleh benda sepanjang gerakannya (jarak sama juga dengan besar dari perpindahan). Dari permasalahan di atas, mobil mengalami perubahan posisi dari P (awal/acuan) ke Q (akhir/tujuannya), sehingga dapat disimpulkan bahwa mobil telah melakukan perpindahan yaitu perubahan posisi suatu benda dari posisi awal (acuan) ke posisi akhirnya (tujuannya). Perpindahan dapat bernilai positif ataupun negatif bergantung pada arah geraknya. Perpindahan positif, jika arah geraknya ke kanan, negatif jika arah geraknya ke kiri.

Contoh Soal

Dari gambar di bawah ini, tentukan besarnya perpindahan yang dialami oleh benda, jika benda melakukan gerakan dari posisi:

a) x1 ke x2

b) x1 ke x3

 Penyelesaian:

a. Perpindahan dari x1 ke x2 = x2 - x1 = 7 - 2 = 5 (positif)

b. Perpindahan dari x1 ke x3 = x3 - x1 = -2 - ( +2 ) = -4 (negatif)

C.     KELAJUAN DAN KECEPATAN

          Dalam pembahasan gerak dikenal istilah kecepatan dan kelajuan. Pengertian kelajuan tidak sama dengan kecepatan. Kelajuan termasuk besaran skalar yang hanya memiliki besar saja.  Kecepatan termasuk besaran vektor yang di samping memiliki besar juga memiliki arah. Untuk waktu sesaat, besarnya kecepatan  sama dengan kelajuan (besarnya kecepatan sesaat = kelajuan sesaat). Dalam selang waktu relatif lama, dan arah gerakan mengalami perubahan, maka kita akan berbicara (sumber gambar www.otakku.com)  

mengenai kelajuan dan kecepatan rata-rata, sehingga kelajuan rata-rata berbeda dengan kecepatan rata-rata. Jika gerakan hanya terjadi sepanjang garis lurus, maka besarnya kecepatan sama dengan kelajuan.  Konsep kelajuan dan kecepatan dapat diliustrasikan dengan contoh real berikut.Jika kita perhatikan spidometer sebuah mobil yang sedang bergerak dan menyatakan bahwa mobil sedang bergerak 60 km/jam, maka yang dimaksudkan di situ adalah kelajuan mobil. Tetapi jika kita menyatakan mobil sedang bergerak 60 km/jam ke timur, maka yang dimaksudkan di situ adalah kecepatan mobil.

      Kelajuan adalah besaran yang tidak bergantung pada arah, sehingga kelajuan termasuk besaran skalar. Di samping itu, kelajuan juga termasuk besaran skalar yang nilainya selalu positif. Alat untuk mengukur kelajuan adalah spidometer. Spidometer selalu digunakan sebagai alat ukur lelajuan pada semua kendaraan bermotor.

      Kecepatan adalah besaran yang memiliki besar dan bergantung pada arah, sehingga kecepatan termasuk besaran vektor. Alat untuk mengukur kecepatan benda disebut velocimeter. Velocimeter merupakan spidometer jenis linier yang memiliki skala bergerak dari angka negatif hingga positif. Ketika mobil bergerak maju dengan kelajuan 60 km/jam, maka velocimeter akan menunjuk angka +60 km/jam. Jika mobil bergerak mundur dengan kelajuan 60 km/jam, maka velocimeter akan menunjuk angka –60 km/jam. Tanda positif (+) atau negatif (-) yang ditunjukkan oleh velocimeter berturut-turut menyatakan arah maju dan arah mundur gerakan mobil tersebut. Perlu diperhatikan bahwa, yang terukur tersebut adalah kelajuan dan kecepatan sesaat.

Kelajuan rata-rata didefinisikan sebagai hasil bagi antara jarak total yang ditempuh dengan selang waktu untuk menempuhnya. Sebagai contoh, Budi bergerak lurus ke Timur dari A ke B pada jarak 10 m, kemudian ke Selatan dari B ke C pada jarak 15, dan ke Barat dari C ke D pada jarak 10 m dan akhirnya berhenti di D. Perjalanan si Budi menghabiskan waktu 10 detik. Kelajuan rata-    rata Budi dari A sampai ke D adalah (10 m + 15 m + 5 m) : 10 s = 3,5m/s.

Kecepatan rata-rata didefinisikan sebagai hasil bagi antara perpindahan dengan selang waktu untuk mencapai perpindahan tersebut. Gambar 2.1.5 melukiskan gerakan benda dari A ke B

      Dalam pembahasan gerak dikenal istilah kecepatan dan kelajuan. Kecepatan diartikan sebagai perpindahan yang ditempuh tiap satuan waktu, sedangkan kelajuan diartikan sebagai jarak yang ditempuh tiap satuan waktu. Kecepatan termasuk besaran vektor, sedangkan kelajuan merupakan besaran skalar.

  

Contoh :

Seorang siswa berjalan dengan lintasan segitiga ABC, seperti gambar . Selang waktu dari A ke C 10 sekon. Tentukan kelajuan dan Kecepatan siswa tersebut

Jawab :                                                                                                   

Diketahui  jarak AC = 7 m                                                

                  Selang waktu = 10 sekon                                               

                  Perpindahan AC = 5 m                                                

                                                                                           

D.    PERCEPATAN

            Benda yang bergerak dengan kecepatan yang tidak konstan akan mengalami perubahan kecepatan dalam selang waktu tertentu. Benda tersebut dikatakan mengalami percepatan.

Besarnya percepatan atau perlambatan (akselerasi) dapat ditentukan dengan membagi perubahan kecepatan dengan selang waktu yang ditempuh.

  

                                 

dimana a adalah percepatan dalam m/s² dan  Dv  adalah perubahan kecepatan dan Dt adalah selang waktu.

Contoh Soal

Seorang polisi mengejar penjahat mula –mula dari keadaan diam kemudian menambah kecepatannya menjadi 30 m/s dalam selang waktu 3 detik. Hitunglah percepatan benda ?

Jawab

Diketahui v_{o  =}   0  m/s  v_t = 30 m/s     t = 3 detik

                                                                                                                                               

                        

E.     GERAK LURUS

      Menurut lintasannya gerak dapat dibedakan menjadi berbagai macam misalnya gerak lurus, gerak parabola, gerak melingkar dan sebagainya.

Gerak suatu benda dalam lintasan lurus dinamakan gerak lurus. Sebuah mobil melaju di jalan raya yang lurus merupakan contoh gerak lurus. Seorang siswa berlari mengelilingi lapangan sepakbola juga merupakan contoh dari gerak lurus dengan empat segmen lintasan lurus yang berbeda pada saat menempuh sisi-sisi lapangan yang berbeda.

      Berdasarkan kelajuan yang ditempuhnya gerak lurus dapat dibedakan menjadi dua yaitu  Gerak Lurus Beraturan (GLB) dan Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB).

1. Gerak Lurus Beraturan

Dalam gerak lurus beraturan, benda menempuh jarak yang sama dalam selang waktu yang sama. Sebagai contoh, mobil yang melaju menempuh jarak 2 meter dalam waktu 1 detik, maka 1 detik berikutnya menempuh jarak 2 meter lagi, begitu seterusnya. Dengan kata lain perbandingan jarak dengan selang waktu selalu konstan, atau kecepatannya konstan. Dalam GLB kelajuan dan kecepatan hampir sulit dibedakan karena lintasannya yang lurus menyebabkan jarak dan perpindahan yang ditempuh besarnya sama.

Dapat dirumuskan  untuk GLB, bahwa :               

                                      

   dimana s adalah jarak dalam meter, t adalah waktu dalam sekon, dan v adalah kecepatan dalam m/s. Pada gerak lurus beraturan pertambahan jarak (s) yang ditempuh terhadap waktu (t) dan kecepatan (v) terhadap waktu (t)

contohnya : kereta listrik bawah tanah yang ada di negara maju, hanya memerlukan waktu beberapa detik untuk mencapai kecepatan konstan dalam jangka waktu lama. Gerak lurus beraturan kereta itu akan berakhir sewaktu kereta mulai direm saat memasuki stasiun pemberhentian

Untuk menyelidiki gerak suatu benda dapat digunakan dengan suatu alat yang dinamakan ticker timer atau pewaktu ketik. Alat ini dilengkapi pemukul yang dapat bergetar sesuai dengan frekuensi listrik PLN, yaitu 50 Hz atau sebanyak 50 kali ketikan dalam satu detik. Dalam satu ketikan diperlukan waktu 0,02 detik. Alat ticker timer dilengkapi dengan trolly atau mobil-mobilan  yang dapat bergerak, papan luncur dan pita rekaman. Dari pita rekaman akan terlihat jenis gerak benda.

Benda bergerak lurus beraturan (GLB) akan menghasilkan tanda ketikan/ketukan yang jaraknya selalu sama dalam selang waktu tertentu seperti pada gambar.

 Untuk memahami benda yang bergerak lurus beraturan, lakukanlah aktivitas berikut ini secara kelompok dan diskusikan hasilnya.

            Contoh :

Sebuah mobil sedan dan truk bergerak dengan arah berlawanan.masing-masing dengan kecepatan tetap 72 km/jam dan 36 km/jam. Hitung kapan dan dimana mobil sedan berpapasan jika jarak kedua mobil mula-mula  berjarak 27 km.

            Diketahui:  V sedan = V_S = 72 km/jam , V truk = V_T = 36 km/jam

                                    Jarak sedan ke truk = 27 km

            Ditanya :  t _S = ….?(waktu sedan berpapasan dengan truk)

                             S_{S = …….}?(jarak tempuh sedan ketika berpapasan dengan truk)

Jawab :

            S_S + S_T = (ketika sedan berpapasan dengan truk)

            V_S t + V_T t = 27 km

            72 t + 36 t = 27

           

            t = 15 menit setelah sedan berjalan

            S_S = V_S t = 72. 0,25 = 18 km

Mobil sedan berpapasan dengan truk setelah 15 menit dan berjalan 15 km.

2. Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB)

        Untuk benda yang bergerak lurus berubah beraturan (GLBB) dipercepat akan menghasilkan tanda ketukan yang jaraknya semakin besar dan perubahannya secara teratur, dan sebaliknya apabila dihasilkan tanda ketikan semakin kecil berarti benda melakukan GLLB diperlambat. Perhatikan contoh rekaman pita ketikan berikut ini.

Benda dari A ke B melakukan GLB, dari titik B sampai titik C mengalami GLBB dipercepat, sedangkan dari C ke D mengalami GLBB diperlambat.

Penerapan  GLBB dalam kehidupan sehari-hari

            Benda yang mengalami gerak lurus berubah beraturan memiliki kecepatan yang berubah seiring dengan perubahan waktu. Dengan demikian dalam selang waktu yang sama,  perubahan jarak yang dicapai benda tidak sama. Bila perubahan jarak yang dicapai semakin bertambah besar, berarti kecepatan benda semakin bertambah pula. Gerak semacam itu dinamakan gerak lurus berubah beraturan dipercepat. Sebaliknya jika perubahan jarak yang dicapai semakin berkurang, berarti kecepatan benda semakin lambat, maka gerak demikian disebut dengan gerak lurus berubah beraturan diperlambat.

Kecepatan akhir pada saat tertentu  berbeda dengan kecepatan awal pada saat t = 0 yaitu saat peninjauan gerak dilakukan.

Persamaan untuk menentukan kecepatan akhir , jarak yang ditempuh, dan hubungan antara kecepatan akhir dengan jarak, serta grafik hubungan v - t dapat dinyatakan sebagai berikut.

        _t = v_o + at

      s  = v_o t + ½ at²

      v_t² = v_o² + 2as                                               

 

Hampir semua gerak yang dijumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah gerak lurus berubah beraturan.  Namun demikian ada juga yang kombinasi antara GLB dan GLBB secara berselang-seling.

Aplikasi dari GLBB diantaranya adalah

·         Gerak seorang penerjun payung

·         Gerak mobil dalam balapan mobil

·         Gerak Jatuh Bebas

·         Gerak benda dilempar vertikal ke atas

·         Gerak benda dilempar vertikal ke bawah.