Gerak benda yang berfrekwensi melakukan Gerak Melingkar
Banyak dalam kehidupan sehari-hari,
kita dapat melihat benda-benda yang bergerak melingkar misalnya gerak
jarum jam, gerak roda mobil atau motor, putaran baling-baling
helicopter, kipas angin, putaran compact disk, rotasi bumi, gerak Roler
coaster dan lain-lain yang semuanya memiliki lintasan melingkar.
Secara sederhana, pengertian gerak
melingkar adalah gerak sebuah benda dengan lintasan berupa lingkaran.
Besaran-besaran Fisika yang terkait dengan gerak melingkar antara lain periode, frekuensi, posisi sudut, kecepatan sudut, dan percepatan sentripetal. Besaran-besaran inilah yang akan saya bahas selanjutnya didalam Gerak melingkar beraturan
Dalam materi yang saya berikan ini ada 2(dua) gerak melingkar yang akan dibahas, yaitu :- A. Gerak Melingkar Beraturan (GMB)
- B. Gerak Melingkar Berubah Beraturan (GMBB)
A. Gerak Melingkar Beraturan
Definisi :Gerak Melingkar Beraturan disingkat GMB adalah gerak suatu benda yang lintasannya berbentuk lingkaran dengan ciri-ciri : - Memilik kelajuan tetap, dengan kecepatan linier (v)yang berubah arah sesuai perubahan waktu.
- Besar dan arah vektor kecepatan sudutnya (ω) tetap, sehingga percepatan sudutnya (α)
sama dengan nol. - Besar percepatan sentripetalnya (as) tetap, dengan arah selalu menuju titik pusat
lingkaran. Istilah sentripetal adalah “yang mencari pusat”. Disebut juga dengan percepatan radial, karena mempunyai arah sepanjang radius, menuju pusat lingkaran
1. Frekuensi dan Periode
Benda dikatakan bergerak satu kali putaran penuh jika benda tersebut telah bergerak dari titik A sampai ke titik A lagi.
Frekuensi (f) adalah banyaknya putaran yang dilakukan benda tiap satuan waktuKeterangan:
f = frekuensi (Hz)
t = waktu (s)
n = jumlah putaran
Periode (T) adalah waktu yang diperlukan benda untuk melakukan satu kali putaran penuh dengan bentuk persamaan :
Keterangan:
T = periode (s)
t = waktu (s)
n = jumlah putaran
Hubungan T dengan f adalah:
Contoh soal :
Sebuah roda berputar 60 putaran dalam waktu 10 sekon. Hitung frekuensi dan periode roda tersebut!Penyelesaian:
Diketahui :
n (jumlah putaran) = 60
t = 10 s
maka :
f = 60/10 =6 Hz dan T = 10/60 = 1/6 detik
2. Perpindahan Sudut (θ)
Partikel berpindah dari posisi A ke B, partikel telah menempuh perpindahan sudut θ radian.Besar sudut θ (radian) didefinisikan sebagai :perbandingan antara jarak linier (s) dengan jari jari ditulis :
Keterangan :
θ = perpindahan sudut (rad)
S = jarak yang ditempuh (perpindahan ) benda (m)
R = jari-jari lingkaran (m)
Untuk 1 putaran = 360o = 2 π rad
sehingga 1 rad = 360o / 2 π = 360o / 6,28 = 57,3o
Contoh Soal :
Sebuah roda berjari jari 25 cm berputar,
sehingga jarak yang ditempuh oleh titik yang terletak di tepi roda
adalah 1 m. Hitung perpindahan sudutnya!
Penyelesaian:
Jadi perpindahan sudutnya adalah 4 rad
3. Kecepatan Linier dan Kecepatan Sudut
Hubungan antara kecepatan linier dan kecepatan sudut dapat dijelaskan sebagai berikut.
a. Kecepatan linier
Kecepatan linier adalah hasil bagi antara
perpindahan yang ditempuh benda dengan selang waktu tempuhnya. Benda
yang berputar satu putaran, lintasan yang ditempuh sama dengan keliling
lingkaran ( Δ s = 2 π r) dan waktu tempuh T sekon, maka kecepatan linier
dirumuskan sebagai berikut.
v = kecepatan linier (m/s)
r = jari jari lingkaran (m)
b. Kecepatan sudut
Kecepatan sudut adalah besar sudut yang ditempuh dalam selang waktu.Benda yang berputar satu putaran penuh menempuh sudut 360o = 2 rr rad dalam waktu
T sekon, maka berlaku :
Keterangan:
ω = kecepatan sudut = kecepatan anguler satuannya rad/s
satuan lain ω = rpm (putaran per menit
dan rps (putaran per sekon)
1 rpm = 1/60 rps dan 1 rps = 2π rad
Hubungan antara kecepatan linier (v) dan kecepatan sudut (ω) dinyatakan :
Contoh Soal :
Sebuah roda yang berjari jari 40 cm
berputar secara beraturan, dalam 10 sekon roda melakukan 4 kali putaran.
Tentukan kecepatan linier dan kecepatan sudut roda tersebut?
Penyelesaian:
4. Percepatan Sentripetal (as) dan Gaya Sentripetal (Fs)
|
Persamaan percepatan sentripetal (as) ditulis :
Keterangan :
v = kecepatan linier (m/s)
ω = kecepatan sudut (rad/s)
R = jari jari lingkaran (m)
T = periode (s)
f = frekuensi (Hz)
ω = kecepatan sudut (rad/s)
R = jari jari lingkaran (m)
T = periode (s)
f = frekuensi (Hz)
Gaya sentripetal adalah gaya yang arahnya menuju titik pusat lingkaran
Keterangan :
F = gaya Sentripetal (N)
m= massa benda (kg)
v = kecepatan linier (m/s)
ω = kecepatan sudut (rad/s)
R = jari jari lingkaran (m)
m= massa benda (kg)
v = kecepatan linier (m/s)
ω = kecepatan sudut (rad/s)
R = jari jari lingkaran (m)
5. Hubungan Roda-roda
a. Untuk dua roda yang dihubungkan sepusat (satu poros), maka arah putaran dan kecepatan sudutnya sama
b. Untuk dua roda yang dihubungkan bersinggungan, arah putaran keduanya berlawanan dan kecepatan liniernya sama.
c. Untuk dua roda yang dihubungkan dengan tali atau rantai, arah putaran keduanya dan kelajuan tinier keduanya adalah sama.
Jika roda-roda I dan II pada gambar b dan
c diatas adalah roda-roda bergerigi, sehingga mengalami pemindahan
putaran roda gigi yang jumlah giginya berturut-turut n1 dan n2 dengan kecepatan sudutnya ω1, dan ω2 , maka dapat dirumuskan:
Contoh Soal :
Roda B dan C sepusat dan saling melekat.
Roda A dan roda B dihubungkan dengan rantai yang masing-masing roda
memiliki jari-jari RA = 20 cm, Rb = 15 cm, Rc = 40 cm. Jika roda C
berputar 120 rpm, maka tentukan kecepatan sudut roda A!
ω c = 120 putaran /menit = 120/60 put/s = 2 put/s = 2. 2π rad/s = 4π rad/s
Roda B dan C sepusat maka ω c = ω b = 4π rad/s
Roda A dan roda B dihubungkan dengan rantai, maka :
VA = VB
ωA . RA = ωB. RB
ωA. = ωB. RB/ RA
= 4π . 15/20
= 3π rad/s
Soal-Soal Latihan 1 :
1. Sebuah roda sepeda berputar seperti gambar berikut.
Katup ban tersebut dapat berputar 60 kali dalam 15 s. Maka periode dan frekuensi gerak katup tersebut adalah…
A. 15 sekon dan 15 Hz
B. 15 sekon dan 4 Hz
C. 4 sekon dan 4 Hz
D. 4 sekon dan ¼ Hz
E. ¼ sekon dan 4 Hz
Jawab : E.
2. Dari soal no. 1 dapat diketahui banyaknya putaran setelah t = 20 sekon adalah…
A. 120 putaran
B. 100 putaran
C. 80 putaran
D. 60 putaran
E. 40 putaran
Jawab : …
3. Rado memacu sepeda motornya pada lintasan yang berbentuk lingkaran
dalam waktu 1 jam. Dalam waktu tersebut, dengan lintasan yang memiliki
diameter 300 meter Rado telah melakukan 120 putaran. maka periode dan
frekuensi gerak sepeda motor Rado adalah…A. 30 sekon dan 1/30 Hz B. 60 sekon dan 1/60 Hz C. 80 sekon dan 1/80 Hz D. 120 sekon dan 1/120 Hz E. 200 sekon dan 1/200 Hz Jawab : … 4. Dari soal nomor 3, maka kecepatan linier yang dimiliki sepeda motor Rado adalah.. A. 5,0 π m/s B. 7,5 π m/s C. 10,0 π m/s D. 12,5 π m/s E. 15,0 π m/s Jawab : … 5. Suatu benda berputar dengan kecepatan sudut 10 rad/s. Kecepatanya linier suatu titik pada benda berjarak 0,5m dari sumbu putar adalah … A. 20 m/s B. 10,5 m/s C. 10 m/s D. 9,5 m/s E. 5,0 m/s Jawab : … 6. Sebuah benda melakukan 150 kali putaran selama 0,25 jam, besar periode putarannya adalah … A. 60 sekon B. 12 sekon C. 6 sekon D. 1/6 sekon E. 1/60 sekon Jawab : … 7. Jarum speedometer sebuah mobil menunjukkan angka 1200 rpm, ini berarti kecepatan sudut perputaran mesin mobil tersebut adalah… A. 20 rad/s B. 20 π rad/s C. 40 rad/s D. 40 π rad/s E. 60 π rad/s Jawab : … 8. Sebuah sepeda motor berbelok mengelilingi suatu lintasan melingkar dengan diameter 40 m dengan kelajuan tetap 10 m/s. Percepatan sentripetal sepeda motor adalah … A. nol B. 5 m/s2 menuju pusat C. 5 m/s2 menjauhi pusat D. 10 m/s2 menuju pusat E. 10 m/s2 menjauhi pusat Jawab: … 9. Suatu percobaan gerak melingkar beraturan yang dilakukan sekelompok siswa diperoleh data seperti tabel di bawah ini :
B. 15 π2ms-2 C. 10 π2 ms– 2 D. 5,0 π 2 ms-2 E. 2,5 π 2 ms-2 Jawab : … 10. Dua buah roda dihubungkan dengan sebuah rantai Roda A berjari-jari 10 cm dan roda B berjari-jari 20 cm. Jika roda A berputar dengan kecepatan sudut 8 rad/s, kecepatan sudut roda B adalah . . . . A. 16 rad/s B. 12 rad/s C. 8 rad/s D. 6 rad/s E. 4 rad/s Jawab : … 11. Roda B dan C sepusat dan saling melekat. Roda A dan roda B dihubungkan dengan rantai yang masing-masing roda memiliki jari-jari Ra = 25 cm, Rb = 20 cm, Rc = 45 cm. Jika roda C berputar 150 rpm, maka kecepatan sudut roda A adalah… A. 4π rad/s B. 8π rad/s C. 10π rad/s D. 20π rad/s E. 25π rad/s Jawab : … 12. Dari soal nomor 11, maka kecepatan linier Roda A adalah : A. 1,5 π m/s B. 1,25π m/s C. 1,0π m/s D. 0,75 π m/s E. 0,50 π m/s Jawab. … |
B. Gerak Melingkar Berubah Beraturan |
Definisi :
Gerak Melingkar Berubah Beraturan disingkat GMBB adalah gerak suatu benda dengan bentuk lintasan melingkar dengan ciri-ciri :
- 1. Besar percepatan sudut/anguler (α) konstan. Jika perecepatan anguler (α) benda searah dengan perubahan kecepatan anguler maka gerak putaran benda semakin cepat, dan gerak putaran benda semakin lambat bila percepatan anguler berlawanan arah dengan perubahan kecepatan anguler benda.
- 2. Memiliki percepatan tangensial (at). Pada gerak melingkar beraturan (GMB) hanya memiliki percepatan sentripetal, tetapi tidak mempunyai percepatan tangensial (at) = 0 ).
- 1. Percepatan Sentripetal (as)
2. Percepatan Anguler (α)
3. Percepatan Tangensial (at)
4. Percepatan total (a total)
1. Percepatan Sentripetal (as) |
Percepatan sentripetal (as)
adalah percepatan yang selalu dimiliki suatu benda yang bergerak
melingkar dengan arah menuju titik pust lingkaran dan tegak lurus
terhadap kecepatan linier (v). Pada gerak melingkar beraturan (GMB),
walaupun ada percepatan sentripetal (as), besar kecepatan liniernya tidak berubah. Dalam hal ini, peranan percepatan sentripetal (as) adalah mengubah arah kecepatan linear (v) benda, sehingga benda tersebut dapat menempuh gerak melingkar. Istilah sentripetal adalah “yang mencari pusat”. Disebut juga dengan percepatan radial, karena mempunyai arah sepanjang radius, menuju pusat lingkaran. Persamaan percepatan sentripetal (as) dapat ditulis :
Keterangan :
- as = percepatan sentripetal (m/s2)
- v = kelajuan linier (m/s)
- ω = kecepatan sudut (rad/s)
- R = jari-jari lintasan benda (m)
2. Percepatan Anguler / Sudut (α) |
Pada GMBB, besar kecepatan sudut
yang dimiliki suatu benda tidaklah tetap. Misalnya, gerak Gerinda yang
berputar, kemudian mesinnya dimatikan, maka geraknya akan mengalami
penurunan kecepatan sudutnya hingga berhenti. Perubahan kecepatan sudut
tiap satu satuan waktu inilah yang dinamakan percepatan sudut.
Gbr. mesin gerinda tangan. capture gbr dari http://darikami.perkakasku.com
Percepatan Sudut (α)
didefinikan sebagai perubahan kecepatan sudut (∆ω) dalam selang waktu
(∆t) sehingga persamaan Percepatan Sudut (α) dapat ditulis :
Keterangan :- α = percepatan sudut/anguler (rad/s2)
- ∆ω = ω2 – ω1 = perubahan kecepatan sudut (rad/s)
- ∆t = t2 – t1 = selang waktu (s)
3. Percepatan Tangensial (at) |
Semua benda bergerak melingkar selalu memiliki percepatan sentripetal (as), tetapi belum tentu memiliki percepatan tangensial (at). Percepatan tangensial (at) didefinisikan sebagai perubahan kecepatan linier (∆v) dalam selang waktu (∆t). Arah vektor percepatan tangensial (at)
adalah sama dengan arah kecepatan linier (v) dan menyinggung sisi tepi
lingkaran tegak lurus dengan arah vektor percepatan sentripetal (as).
Percepatan tangensial (at)
atau percepatan linier ini berperan mengubah kecepatan linear benda.
Benda yang bergerak melingkar beraturan (GMB) hanya memiliki percepatan
sentripetal (as) tetapi tidak mempunyai percepatan tangensial (at)=0
). Dalam GMBB, kecepatan linearnya dapat berubah secara beraturan
akibat adanya suatu gaya yang disebut gaya tangensial. Gaya ini
mengakibatkan adanya percepatan tangensial (at) yang arahnya berimpit dengan kecepatan linier.
Persamaan percepatan tangensial (at) dapat ditulis :
Hubungan antara percepatan sudut (α) dengan percepatan tangensial (at) dinyatakan dengan persamaan berikut:
Keterangan :- v = kecepatan linier (m/s)
- ∆v = v2 –v1 = perubahan kecepatan linier (m/s)
- ω = kecepatan sudut (rad/s)
- ∆ω = ω2 – ω1 = perubahan kecepatan sudut (rad/s)
- ∆t = t2 – t1 = selang waktu (s)
- at = percepatan tangensial
- α = percepatan sudut/anguler (rad/s2)
- R = jari-jari lingkaran
4. Percepatan Total (a) |
Dalam gerak melingkar berubah beraturan (GMBB), percepatan tangensial (at) mempunyai arah yag sama dengan vektor kecepatan linier (v) yang tegak lurus dengan percepatan sentripetal (as). Dengan demikian percepatan tangensial (at) tegak lurus dengan percepatan sentripetal (as). Arah vektor kedua percepatan tersebut dapat dilihat pada gambar dibawah ini
Dari gambar diperoleh persamaan Percepatan total benda dititik P yang melakukan GMBB, yaitu Resultan vector dari percepatan tangensial (at) dan percepatan sentripetal (as).
Dengan arah vektor resultan :
Keterangan:
- a= percepatan total (m/s2)
- as= percepatan sentripetal (m/s2)
- at= percepatan tangensial (m/s2)
Dalam Modul sebelumnya mengenai Gerak
lurus berubah beraturan (GLBB), maka persamaan Gerak Melingkar Berubah
Beraturan (GMBB) analog dengan GLBB
Keterangan :- Θ = perpindahan sudut (rad)
- ωo = kecepatan sudut awal (rad/s)
- ωt = kecepatan sudut setelah t sekon (rad/s)
- α = percepatan sudut (rad/s2)
- t = waktu (s)
Contoh soal GLBB |
Tentukan :
a. Percepatan sudut roda,br/>
b. Jarak yang telah ditempuh roda dari mulai bergerak sampai berhenti ,br/>
Pembahasan :
Diketahui :
- ωo = 50 rad/s
- ωt = 0 rad/s
- t = 5 s
- R = 20 cm= 0,2 m
- a. α
- b. x
- b. θ = ωo .t + ½ α. t2
- = 50. 5 + ½. ( -10 ). 52 = 250 – 125 = 125 rad
- X = θ. R 2
- = 125. 0,2 = 25 m
Tentukan :
kecepatan sudut (ωt )baling-baling pada saat t = 4 sekon.
Pembahasan :
Diketahui :
Ditanya : kecepatan sudut (ωt) setelah 2 sekon
Jawab :
Kecepatan sudut setelah 2 sekon
- ωt = ωo + α.t
- ωt = 0 + 2.5
- ωt = 10 rad/
Tentukan :
- a. Besar percepatan total
b. Sudut yang dibentuk percepatan total terhadap arah radial
Diketahui : R = 0,5 m t = 5 s dan ωt = 15,0 rad/s
Ditanya : (a). a dan (b). θ
Jawab :
soal Pesawat tempur :
Sebuah pesawat tempur terbang dari sebuah pangkalan angkatan darat pada arah 30O
timur dari utara sejauh 100 km, kemudian berbelok kearah timur sejauh
40√3 dan akhirnya berbelok kearah selatan sejauh 40 km. (lihat gbr)
Maka besar perpindahan pesawat tempur tersebut dari pangkalan angkatan darat adalah…
A. 540 mMaka besar perpindahan pesawat tempur tersebut dari pangkalan angkatan darat adalah…
B. 350 m
C. 270 m
D. 180 m
E. 160 m
Perubahan wujud Zat
Tidak ada komentar:
Posting Komentar