• Gerak Melingkar

    Coba perhatikan benda-benda di sekeliling Anda. Benda-benda apa saja
    yang dapat bergerak melingkar? Mungkin Anda pernah melihat sebuah film
    yang diputar pada VCD atau DVD. Sebenarnya, kedua alat tersebut hanya
    berfungsi sebagai pemutar CD, sedangkan benda yang berputar pada VCD
    dan DVD tersebut adalah CD. Tahukah Anda mengapa CD tetap berada pada
    porosnya ketika berputar?
    Gerak melingkar dapat terjadi juga pada roller coaster sedang bergerak.
    Pernahkah Anda menaiki roller coaster? Jika Anda menaiki roller coaster yang
    sedang bergerak, Anda akan merasakan seolah-olah akan keluar atau
    terpental dari lintasan. Apakah yang menyebabkan hal tersebut. Untuk
    mengetahuinya, Anda harus memahami konsep tentang gerak melingkar.
    Oleh karena itu, Anda dapat mempelajari dan memahami konsep gerak
    melingkar pada bab ini.
    Pada bab ini, Anda akan diajak untuk dapat menerapkan konsep dan prinsip kinematika dan
    dinamika benda titik dengan cara menganalisis besaran Fisika pada gerak melingkar dengan
    laju konstan.
    4 B a b 4
    Sumber: www.realcoasters.com
    52 Praktis Belajar Fisika untuk Kelas X
    A Kecepatan Linear dan Kecepatan Anguler
    Sebuah benda dikatakan bergerak melingkar jika lintasan yang dilaluinya
    berbentuk lingkaran. Pada pelajaran sebelumnya, Anda telah belajar
    mengenai gerak lurus. Setiap benda yang bergerak selalu memiliki kecepatan,
    walaupun kecepatan yang dimiliki setiap benda berbeda-beda. Begitu pula
    dengan gerak melingkar, setiap benda yang bergerak melingkar memiliki
    dua kecepatan, yakni kecepatan linear dan kecepatan anguler. Kedua kecepatan
    ini tidaklah sama, akan tetapi penting dalam proses gerak melingkar.
    1. Kecepatan Linear
    Coba Anda perhatikan benda-benda yang bergerak melingkar. Apa
    yang menyebabkan benda tersebut berputar? Kecepatan apa saja yang
    dimiliki benda tersebut ketika berputar? Kecepatan yang dimiliki benda
    ketika bergerak melingkar dengan arah menyinggung lintasan putarannya
    disebut kecepatan linear. Kecepatan linear akan selalu menyinggung
    lintasan lingkaran yang memiliki panjang lintasan yang sama dengan keliling
    lingkaran.
    Δs = keliling lingkaran
    Δs = 2π r (4–1)
    dengan Δs adalah panjang lintasan yang ditempuh dan r adalah jari-jari
    lintasan yang berbentuk lingkaran.
    Sebuah benda bergerak melingkar pada sebuah lintasan yang memiliki diameter
    200 cm. Jika benda tersebut berputar sebanyak 1,5 kali putaran, tentukanlah jarak
    yang ditempuh benda tersebut.
    Jawab
    Diketahui: d = 200 cm = 2 m.
    Oleh karena jari-jari lingkaran adalah setengah dari panjang diameter maka
    r =
    1
    2 × 2 m = 1 m.
    Keliling sebuah lingkaran adalah 2π r sehingga jarak yang ditempuh oleh benda
    tersebut adalah 1,5 kali keliling lingkaran, yakni
    Δ s = 1,5 × ( 2π r )
    Δ s = 1,5 × 2 × 3,14 × 1 m
    Δ s = 9,42 m
    Jadi, jarak yang telah ditempuh benda tersebut adalah sejauh 9,42 m.
    Waktu yang ditempuh sebuah benda ketika bergerak melingkar dalam
    satu putaran penuh disebut periode, yang diberi lambang T dengan satuan
    sekon. Banyaknya lintasan yang dapat ditempuh dalam satu sekon disebut
    frekuensi, yang diberi lambang f dengan satuan hertz. Nama ini diambil
    dari salah seorang ilmuwan yang berjasa dalam ilmu Fisika, yakni Henrich
    Hertz (1857–1895). Hubungan antara periode dan frekuensi dapat dituliskan
    dalam persamaan berikut.
    f 1
    T
    = (4–2)
    Gambar 4.1
    Arah kecepatan linear dalam
    gerak melingkar.
    v
    v
    v
    v
    Contoh 4.1
    1. Apa yang menyebabkan
    benda dapat bergerak
    melingkar?
    2. Ketika Anda naik komidi
    putar, mengapa Anda tidak
    terlempar? Apa yang
    menyebabkan Anda dapat
    bertahan dalam sistem
    tersebut (komidi putar)?
    Soal Pramateri
    • Frekuensi
    • Kecepatan linear
    • Periode
    Kata Kunci
    r
    r
    r
    r
    Gerak Melingkar 53
    Dalam materi gerak lurus, pengertian kecepatan adalah perubahan
    perpindahan dalam selang waktu tertentu. Begitu pula dengan gerak
    melingkar yang dapat didefinisikan sebagai besarnya panjang lintasan
    yang ditempuh dalam selang waktu tertentu. Besarnya kecepatan linear
    disebut juga laju linear. Persamaan laju linear dalam gerak melingkar
    dapat dituliskan sebagai berikut.
    panjang lintasan
    Laju linear =
    selang waktu
    atau
    v = Δ
    Δ
    s
    t
    Dalam gerak melingkar, panjang lintasan diubah menjadi keliling
    lintasan dan selang waktu yang ditempuh diubah menjadi periode. Oleh
    karena itu persamaannya menjadi
    v 2 r
    T
    π
    = (4–3)
    Oleh karena
    1 f
    T
    = , Persamaan (4–3) dapat ditulis kembali menjadi
    v = 2π rf (4–4)
    Sebuah roda sepeda berputar sebanyak 10 kali putaran tiap 1 sekon dengan
    kecepatan linear 18 m/s. Tentukanlah panjang diameter roda sepeda tersebut.
    Jawab
    Diketahui: f = 10 hertz, dan
    v = 18 m/s.
    Dengan menggunakan Persamaan (4–4), diperoleh
    π
    π
    =
    =
    =
    × ×
    =
    2
    2
    18 m/s
    2 3,14 10 Hz
    0,287 m
    v rf
    r v
    f
    r
    r
    Oleh karena jari-jari sebuah lingkaran adalah setengah dari diameter maka
    r =
    1
    2 d
    d = 2 r
    d = 2 × 0,287 m
    d = 0,574 m = 5,74 cm
    Jadi, diameter roda sepeda tersebut adalah 5,74 cm.
    2. Kecepatan Anguler
    Perhatikan kembali sebuah benda yang bergerak melingkar seperti pada
    Gambar 4.2. Benda yang bergerak pada lintasannya akan membentuk sudut
    tertentu dari posisi awal benda diam. Perubahan sudut ini mengikuti arah
    gerak benda pada lintasan tersebut. Perubahan sudut gerak benda akan
    Gambar 4.2
    Arah kecepatan linear dan
    anguler dengan perubahan
    sudutθ .
    v
    v
    r ω
    θ
    Contoh 4.2
    Solusi
    Cerdas
    Sebuah roda yang berjari-jari
    50 cm berotasi dengan
    kecepatan sudut 900 rpm.
    Kelajuan tangensial sebuah
    titik pada tepi roda itu
    adalah ....
    a. 7,5π m/s
    b. 15π m/s
    c. 225 π m/s
    d. 350 π m/s
    e. 450π m/s
    Penyelesaian
    Kelajuan tangensial: v = 2π r
    = 900 rpm =
    900
    60 sekon
    = 15 put/sekon
    v = 2π × 15 put/sekon × 0,5 m
    v = 15π m/s
    Jawab: b
    Ebtanas 2000
    54 Praktis Belajar Fisika untuk Kelas X
    Solusi
    bernilai positif jika gerak benda berlawanan dengan arah putaran jam.
    Adapun perubahan sudut akan bernilai negatif jika arah gerak benda searah
    dengan arah putaran jam.
    Perubahan sudut dilambangkan dengan Δθ dan memiliki satuan radian.
    Biasanya, sering juga satuan perubahan sudut menggunakan derajat.
    Hubungan antara radian dan derajat dapat dituliskan sebagai berikut.
    π
    sudut putaran (dalam derajat)
    1 rad =
    2
    Untuk satu putaran penuh,
    π
    1 rad= 360° =57,3°
    2
    Besarnya perubahan sudut ( Δθ ) dalam selang waktu ( Δt ) tertentu
    disebut kelajuan anguler atau kelajuan sudut. Kelajuan anguler ini dilambangkan
    dengan ω dan memiliki satuan rad/s. Besarnya kelajuan anguler
    dapat ditulis sebagai berikut.
    Kelajuan anguler = perubahan sudut
    selang waktu
    atau
    ω = Δθ
    Δt (4–5)
    Dalam melakukan satu putaran penuh, sudut yang ditempuh adalah
    360° atau 2π rad dalam waktu T sekon, dengan T adalah periode. Dari
    Persamaan (4–5), dapat ditulis kembali menjadi
    2
    T
    ω = π (4–6)
    Dari pembahasan sebelumnya, Anda telah mengetahui bahwa frekuensi
    f 1
    T
    = sehingga Persamaan (4–6) menjadi
    ω = 2π f (4–7)
    Sebuah benda yang berada di ujung sebuah CD melakukan gerak melingkar dengan
    besar sudut yang ditempuh adalah
    3
    4 putaran dalam waktu 1 sekon. Tentukanlah
    kelajuan sudut dari benda tersebut.
    Jawab
    Diketahui: f =
    3
    4 /s = 0,75 hertz.
    Dengan menggunakan Persamaan (4–7), diperoleh
    4,71 rad/s
    ω π
    ω
    ω
    =
    = × ×
    =
    2
    2 3,14 0,75 hertz
    f
    Besarnya nilai tersebut menunjukkan nilai kelajuan anguler dalam
    3
    4 putaran.
    Cerdas
    Perhatikan pernyataanpernyataan
    tentang gerak
    melingkar beraturan berikut.
    (1) kecepatan sudut
    sebanding dengan
    frekuensi
    (2) kecepatan linear
    sebanding dengan
    kecepatan sudut
    (3) kecepatan sudut
    sebanding dengan periode
    Pernyataan yang benar adalah
    nomor ....
    a. (1)
    b. (1) dan (2)
    c. (2)
    d. (2) dan (3)
    e. (3)
    Penyelesaian
    Perhatikan persamaanpersamaan
    berikut.
    π π
    ω
    ω π π
    =
    =
    = =
    2
    2
    2
    v r r
    v r
    Jadi jawaban yang sesuai
    adalah nomor (1) dan (2).
    Jawab: b
    Ebtanas 1999
    Contoh 4.3
    Gerak Melingkar 55
    Jika Anda perhatikan Persamaan (4–6) dan (4–7), terdapat hubungan
    antara laju linear (v) dengan kelajuan anguler (ω ). Jika persamaan-persamaan
    laju linear dan laju anguler ditulis kembali, akan diperoleh persamaan baru
    seperti berikut.
    v π
    ω π
    =
    =
    2
    2
    fr
    f
    sehingga hubungan antara laju linear (v) dan laju anguler (ω ) dapat ditulis
    menjadi
    v = ω r (4–8)
    dengan: v = laju linear (m/s),
    ω = laju anguler (rad/s), dan
    r = jari-jari lintasan (m).
    Sebuah partikel bergerak melingkar dengan kelajuan 4 m/s dan jari-jari lintasannya
    0,5 m. Tentukanlah kelajuan angulernya.
    Jawab
    Diketahui: v = 4 m/s, dan
    r = 0,5 m.
    Dengan menggunakan Persamaan (4–8), diperoleh
    8 rad/s
    v
    v
    ω
    ω
    ω
    =
    =
    = 4 m/s =
    0,5 m
    r
    r
    Contoh 4.4
    Sudut yang ditempuh oleh sebuah
    benda untuk bergerak melingkar
    sama dengan panjang lintasan
    (busur) yang dilalui dibagi dengan
    jari-jari lintasan θ = s
    r .
    Perlu Anda
    Ketahui
    • Kecepatan anguler
    • Sudut putaran
    Kata Kunci
    v1
    v2
    P1 Δθ
    Δx
    r
    a
    P1 P2
    Δθ
    Δv
    v1 v2
    b
    Gambar 4.3
    Vektor kecepatan sebuah benda
    untuk selang waktu yang sangat
    kecil, perubahan kecepatan
    Δv hampir tegak lurus pada v
    dan mengarah ke pusat
    lingkaran.
    B Percepatan Sentripetal
    Pada bab sebelumnya Anda telah belajar mengenai percepatan rata-rata.
    Percepatan rata-rata dapat didefinisikan sebagai perubahan kecepatan dalam
    selang waktu tertentu. Ketika Anda belajar mengenai gerak lurus beraturan,
    percepatan yang dialami sebuah benda sama dengan nol. Apakah di dalam
    gerak melingkar beraturan juga berlaku seperti halnya gerak lurus beraturan?
    Jawabannya adalah tidak. Mengapa? Coba Anda perhatikan Gambar 4.3.
    Apakah Anda masih mengingat rumus dari percepatan sesaat pada bab
    sebelumnya? Percepatan sesaat sebuah benda dituliskan dalam bentuk limit
    seperti berikut ini.
    0
    lim
    t
    a
    Δ → t
    = Δ
    Δ
    v atau Δ =
    Δ
    a
    t
    v
    Dari persamaan tersebut dapat dilihat bahwa percepatan sesaat (a) searah
    dengan perubahan kecepatan (Δv) . Jika Δt →0 perubahan kecepatan (Δv)
    akan tegak lurus terhadap kecepatan v1 dan v2 sehingga percepatan sesaat
    haruslah tegak lurus juga dengan kecepatan v1 dan v2. Jika dibandingkan sisi
    pada gambar a dengan gambar b diperoleh
    1
    x
    r
    Δ Δ =
    v
    v
    1 x
    r
    Δv = v Δ
    56 Praktis Belajar Fisika untuk Kelas X
    Jika kedua persamaan (baik di sebelah kiri maupun sebelah kanan) dibagi
    dengan Δt akan diperoleh
    a 1 x
    t r t
    Δ Δ = =
    Δ Δ
    v v
    Pada konsep kecepatan sesaat, nilai percepatan adalah limit dari
    persamaan tersebut dan jika ditulis ulang akan diperoleh
    1
    0
    1
    0
    lim
    lim
    t
    t
    a x
    r t
    a x
    r t
    Δ →
    Δ →
    = Δ
    Δ
    = Δ
    Δ
    v
    v
    dengan menganggap titik P1 semakin dekat dengan P2 maka
    2
    s a = v
    r (4–9)
    Percepatan yang tegak lurus terhadap kecepatan yang menyinggung
    lingkaran ini disebut percepatan sentripetal. Percepatan sentripetal arahnya
    selalu menuju pusat lingkaran. Jika Anda masih ingat hubungan antara
    kecepatan linear dan kecepatan sudut, persamaan kecepatan sentripetal dapat
    ditulis dalam bentuk lain, yaitu
    as = ω2r (4–10)
    Sebuah bola yang memiliki jari-jari 2 cm berputar dalam bidang lingkaran
    horizontal. Satu kali putaran dapat ditempuh bola selama 2 s. Tentukanlah
    percepatan sentripetalnya.
    Jawab
    Diketahui: r = 2 cm = 0,02 m, dan
    T = 2 s.
    v =
    2 r
    T
    π
    =
    2 (0,02 m)
    2 s
    π
    = 0,0628 m/s
    as =
    2
    r
    v
    =
    (0,0628 m/s)2
    0,02 m
    as = 0,917 m/s2
    Jadi, percepatan sentripetal yang dialami bola adalah 0,197 m/s2.
    Contoh 4.5
    Kerjakanlah di dalam buku latihan Anda.
    1. Tentukanlah percepatan sebuah benda yang bergerak
    melingkar dengan jari-jari lintasan 3 m dan
    kelajuan 9 m/s.
    2. Percepatan sentripetal maksimum yang dialami
    sebuah motor balap adalah 10 m/s2. Lintasan yang
    dilaluinya berupa lingkaran yang memiliki jari-jari
    5 m. Tentukanlah kelajuan maksimum motor balap
    tersebut.
    3. Jika Anda memutarkan sebuah benda yang terikat
    dengan tali yang memiliki panjang 1 m, berapa
    putaran permenit yang harus Anda buat supaya
    percepatan yang menuju pusat lingkaran sama
    dengan percepatan gravitasi (g = 10 m/s2)
    Soal Penguasaan Materi 4.1
    Gerak Melingkar 57
    Sebuah partikel bergerak melingkar beraturan dengan posisi sudut awal 5 rad. Jika
    partikel bergerak dengan kecepatan sudut 10 rad/s, tentukanlah posisi sudut
    akhir pada saat t = 5 s.
    Jawab
    Diketahui: 0 θ = 5 rad,
    ω = 10 rad/s, dan
    t = 5 s.
    0
    5 rad + 10 rad/s × 5 s
    55 rad
    θ θ ωt
    θ
    θ
    = +
    =
    =
    Jadi, posisi sudut akhir partikel adalah 55 rad.
    Contoh 4.6
    Helikopter
    Helikopter memiliki mesin yang
    membuat bilahnya berputar
    beraturan. Begitu bilah
    berputar beraturan, mesin
    mendorong udara ke bawah
    sehingga membuat helikopter
    terangkat ke atas. Dengan
    memiringkan bilahnya, pilot
    dapat membuat helikopter
    lepas landas, melayang, atau
    mendarat. Untuk bergerak
    maju, bilah harus dimiringkan
    sehingga bilah mendorong
    sebagian udara ke belakang
    sekaligus ke bawah. Biasanya,
    helikopter memiliki rotor kecil
    di ekornya. Rotor ini dipakai
    untuk menghentikan pesawat
    berputar beraturan ke arah
    yang berlawanan dari rotor
    utama.
    Sumber: O ord Ensiklopedi
    Pela ar, 1995
    Misalkan, Anda mengendarai sepeda motor pada suatu lintasan yang
    berbentuk lingkaran, seperti pada bundaran HI, Jakarta. Kelajuan yang terbaca
    pada speedometer Anda menunjukkan nilai 10 km/jam. Sekalipun nilai yang terbaca
    pada speedometer Anda tidak berubah, Anda merasakan ada sesuatu yang
    mendorong Anda ke luar lintasan, tetapi Anda masih tetap berada pada lintasan
    tersebut. Mengapa bisa demikian? Diskusikanlah bersama teman Anda. Laporkan
    hasil diskusi Anda kepada guru Anda dan presentasikan di depan kelas.
    Kerjakanlah
    J e l a j a h
    F i s i k a
    C Gerak Melingkar Beraturan
    Pada bab sebelumnya, yakni bab gerak dalam satu dimensi atau disebut
    juga sebagai gerak lurus, terdapat gerak lurus beraturan (GLB) dan gerak
    lurus berubah beraturan (GLBB) begitu pula dalam gerak melingkar terdapat
    gerak melingkar beraturan (GMB) dan gerak melingkar berubah
    beraturan (GMBB). Pada bab ini hanya dibahas gerak melingkar beraturan
    (GMB), sedangkan gerak melingkar berubah beraturan akan Anda pelajari
    di Kelas XI.
    Gerak melingkar beraturan (GMB) dapat dianalogikan seperti gerak
    lurus beraturan (GLB) di mana kecepatan ω sudut sama dengan kecepatan
    sesaat.
    perpindahan sudut
    selang waktu
    ω =
    t
    ω = Δθ
    Δ
    dengan
    x
    r
    Δθ = Δ
    Δ
    Jadi, 0
    0 t t
    θ θ
    ω

    =

    Oleh karena t0 = 0 maka
    0 ωt =θ −θ
    0 θ =θ +ωt (4–11)
    dan ω = konstan.
    58 Praktis Belajar Fisika untuk Kelas X
    1. Sebuah benda dapat dikatakan bergerak melingkar
    jika lintasan yang dilewatinya berbentuk lingkaran.
    2. Kecepatan yang diberikan kepada benda ketika
    bergerak melingkar, dalam arah tangensial, disebut
    kecepatan linear.
    3. Kecepatan anguler adalah perubahan sudut (Δθ )
    dalam selang waktu (Δt) tertentu.
    4. Hubungan antara kecepatan linear dan kecepatan
    anguler dapat dituliskan sebagai berikut.
    v =ω r

0 komentar:

Posting Komentar