Gerakan benda di bawah aksi gravitasi adalah salah satu topik utama dalam fisika dinamis. Bahkan anak sekolah biasa tahu bahwa bagian dinamika didasarkan pada tiga hukum Newton. Mari kita coba untuk memahami topik ini secara menyeluruh, dan sebuah artikel yang menjelaskan setiap contoh secara rinci akan membantu kita mempelajari pergerakan benda di bawah pengaruh gravitasi menjadi berguna mungkin.
Sedikit sejarah
Sejak dahulu kala, orang-orang telah mengamati dengan rasa ingin tahu berbagai fenomena yang terjadi dalam kehidupan kita. Umat manusia untuk waktu yang lama tidak dapat memahami prinsip dan struktur banyak sistem, tetapi perjalanan panjang mempelajari dunia di sekitar kita membawa nenek moyang kita ke revolusi ilmiah. Saat ini, ketika teknologi berkembang dengan kecepatan yang luar biasa, orang hampir tidak memikirkan bagaimana mekanisme tertentu bekerja.
Sementara itu, nenek moyang kita selalu tertarik pada misteri proses alam dan struktur dunia, mencari jawaban atas pertanyaan yang paling sulit dan tidak berhenti belajar sampai mereka menemukan jawabannya. Misalnya, ilmuwan terkenalGalileo Galilei pada abad ke-16 bertanya-tanya: "Mengapa benda selalu jatuh, gaya apa yang menariknya ke tanah?" Pada 1589, ia mengadakan serangkaian eksperimen, yang hasilnya terbukti sangat berharga. Dia mempelajari secara rinci pola jatuh bebas dari berbagai benda, menjatuhkan benda dari menara terkenal di kota Pisa. Hukum yang dia simpulkan diperbaiki dan dijelaskan secara lebih rinci oleh formula oleh ilmuwan Inggris terkenal lainnya - Sir Isaac Newton. Dialah yang memiliki tiga hukum yang menjadi dasar hampir semua fisika modern.
Fakta bahwa hukum gerak benda, yang dijelaskan lebih dari 500 tahun yang lalu, relevan hingga hari ini, berarti bahwa planet kita mematuhi hukum yang sama. Orang modern setidaknya perlu mempelajari secara dangkal prinsip-prinsip dasar mengatur dunia.
Konsep dasar dan bantu dinamika
Untuk memahami sepenuhnya prinsip-prinsip gerakan seperti itu, Anda harus terlebih dahulu membiasakan diri dengan beberapa konsep. Jadi, istilah teoretis yang paling diperlukan:
- Interaksi adalah dampak tubuh satu sama lain, di mana ada perubahan atau awal gerakan mereka relatif satu sama lain. Ada empat jenis interaksi: elektromagnetik, lemah, kuat, dan gravitasi.
- Kecepatan adalah besaran fisik yang menunjukkan kecepatan gerak suatu benda. Kecepatan adalah vektor, artinya tidak hanya memiliki nilai, tetapi juga memiliki arah.
- Percepatan adalah besaran yangmenunjukkan kepada kita laju perubahan kecepatan tubuh dalam periode waktu tertentu. Ini juga merupakan besaran vektor.
- Lintasan jalan adalah kurva, dan terkadang garis lurus, yang digambarkan tubuh saat bergerak. Dengan gerak lurus beraturan, lintasan mungkin bertepatan dengan nilai perpindahan.
- Jalur adalah panjang lintasan, yaitu persis sebanyak yang telah ditempuh tubuh dalam waktu tertentu.
- Kerangka acuan inersia adalah lingkungan di mana hukum pertama Newton terpenuhi, yaitu, tubuh mempertahankan inersianya, asalkan semua gaya eksternal sama sekali tidak ada.
Konsep di atas cukup untuk menggambarkan atau membayangkan dengan benar di kepala Anda simulasi gerakan tubuh di bawah pengaruh gravitasi.
Apa yang dimaksud dengan kekuatan?
Mari kita beralih ke konsep utama topik kita. Jadi, gaya adalah suatu besaran, yang artinya adalah pengaruh atau pengaruh suatu benda terhadap benda lain secara kuantitatif. Dan gravitasi adalah gaya yang bekerja secara mutlak pada setiap benda yang terletak di permukaan atau di dekat planet kita. Timbul pertanyaan: dari mana kekuatan ini berasal? Jawabannya terletak pada hukum gravitasi.
Apa itu gravitasi?
Benda apa pun dari sisi Bumi dipengaruhi oleh gaya gravitasi, yang menunjukkan beberapa percepatan. Gravitasi selalu memiliki arah vertikal ke bawah, menuju pusat planet. Dengan kata lain, gravitasi menarik benda ke arah Bumi, itulah sebabnya benda selalu jatuh. Ternyata gaya gravitasi adalah kasus khusus dari gaya gravitasi universal. Newton menyimpulkan salah satu rumus utama untuk menemukan gaya tarik-menarik antara dua benda. Tampilannya seperti ini: F=G(m1 x m2) / R 2.
Berapa percepatan jatuh bebas?
Sebuah benda yang dilepaskan dari ketinggian tertentu selalu terbang ke bawah di bawah pengaruh gravitasi. Pergerakan benda di bawah aksi gravitasi secara vertikal ke atas dan ke bawah dapat dijelaskan dengan persamaan, di mana konstanta utama akan menjadi nilai percepatan "g". Nilai ini semata-mata disebabkan oleh aksi gaya tarik-menarik, dan nilainya kira-kira 9,8 m/s2. Ternyata sebuah benda yang dilempar dari ketinggian tanpa kecepatan awal akan bergerak ke bawah dengan percepatan yang sama dengan nilai "g".
Gerakan benda di bawah aksi gravitasi: rumus untuk memecahkan masalah
Rumus dasar untuk mencari gaya gravitasi adalah sebagai berikut: Fgravitasi =m x g, di mana m adalah massa benda tempat gaya bekerja, dan "g" adalah percepatan jatuh bebas (untuk menyederhanakan tugas, dianggap sama dengan 10 m/s2).
Ada beberapa rumus lagi yang digunakan untuk menemukan satu atau lain hal yang tidak diketahui dalam gerakan bebas tubuh. Jadi, misalnya, untuk menghitung jalur yang ditempuh oleh tubuh, perlu untuk mengganti nilai yang diketahui ke dalam rumus ini: S=V0 x t + a x t2 / 2 (jalur sama dengan jumlah perkalian dari kecepatan awal dikalikan dengan waktu dan percepatan dengan kuadrat waktu dibagi 2).
Persamaan untuk menggambarkan gerak vertikal suatu benda
Pergerakan benda di bawah pengaruh gravitasi sepanjang vertikal dapat dijelaskan dengan persamaan yang terlihat seperti ini: x=x0 + v0 x t + a x t2 / 2. Dengan menggunakan ekspresi ini, Anda dapat menemukan koordinat benda pada titik waktu yang diketahui. Anda hanya perlu mengganti nilai yang diketahui dalam soal: lokasi awal, kecepatan awal (jika tubuh tidak dilepaskan begitu saja, tetapi didorong dengan beberapa gaya) dan percepatan, dalam kasus kami akan sama dengan percepatan g.
Dengan cara yang sama, Anda dapat menemukan kecepatan sebuah benda yang bergerak di bawah pengaruh gravitasi. Ekspresi untuk menemukan nilai yang tidak diketahui setiap saat: v=v0 + g x t yang digerakan tubuh).
Pergerakan tubuh di bawah aksi gravitasi: tugas dan metode untuk solusinya
Untuk banyak masalah yang melibatkan gravitasi, sebaiknya gunakan rencana berikut:
- Tentukan sendiri kerangka acuan inersia yang nyaman, biasanya memilih Earth, karena memenuhi banyak persyaratan untuk ISO.
- Menggambar gambar kecil atau gambar yang menunjukkan kekuatan utama,bertindak pada tubuh. Pergerakan benda di bawah pengaruh gravitasi menyiratkan sketsa atau diagram yang menunjukkan ke arah mana benda bergerak jika dikenai percepatan yang sama dengan g.
- Maka Anda harus memilih arah proyeksi gaya dan percepatan yang dihasilkan.
- Tulis besaran yang tidak diketahui dan tentukan arahnya.
- Akhirnya, dengan menggunakan rumus di atas untuk menyelesaikan masalah, hitung semua yang tidak diketahui dengan memasukkan data ke dalam persamaan untuk menemukan percepatan atau jarak yang ditempuh.
Solusi siap pakai untuk tugas yang mudah
Ketika datang ke fenomena seperti gerakan benda di bawah pengaruh gravitasi, menentukan cara mana yang lebih praktis untuk memecahkan masalah yang dihadapi bisa jadi sulit. Namun, ada beberapa trik, yang dengannya Anda dapat dengan mudah menyelesaikan tugas yang paling sulit sekalipun. Jadi, mari kita lihat contoh langsung tentang bagaimana memecahkan masalah tertentu. Mari kita mulai dengan masalah yang mudah dipahami.
Beberapa benda dilepaskan dari ketinggian 20 m tanpa kecepatan awal. Tentukan berapa lama waktu yang diperlukan untuk mencapai permukaan bumi.
Solusi: kita tahu jalan yang ditempuh tubuh, kita tahu bahwa kecepatan awal adalah 0. Kita juga dapat menentukan bahwa hanya gravitasi yang bekerja pada tubuh, ternyata ini adalah gerakan tubuh di bawah pengaruh gravitasi, oleh karena itu kita harus menggunakan rumus ini: S=V0 x t + a x t2 /2. Karena dalam kasus kita a=g, setelah beberapa transformasi kita memperoleh persamaan berikut: S=g x t2 / 2. Sekarangtinggal menyatakan waktu melalui rumus ini, kita mendapatkan bahwa t2 =2S / g. Substitusikan nilai yang diketahui (kita asumsikan bahwa g=10 m/s2) t2=2 x 20 / 10=4. Oleh karena itu, t=2 s.
Jadi jawaban kita adalah: tubuh akan jatuh ke tanah dalam 2 detik.
Trik yang memungkinkan Anda untuk menyelesaikan masalah dengan cepat adalah sebagai berikut: Anda dapat melihat bahwa gerakan tubuh yang dijelaskan pada masalah di atas terjadi dalam satu arah (ke bawah). Ini sangat mirip dengan gerakan yang dipercepat secara seragam, karena tidak ada gaya yang bekerja pada tubuh, kecuali gravitasi (kami mengabaikan gaya hambatan udara). Berkat ini, Anda dapat menggunakan rumus mudah untuk menemukan jalur dengan gerakan dipercepat seragam, melewati gambar gambar dengan pengaturan gaya yang bekerja pada tubuh.
Contoh penyelesaian masalah yang lebih kompleks
Sekarang mari kita lihat bagaimana cara terbaik untuk menyelesaikan masalah pada gerakan tubuh di bawah pengaruh gravitasi, jika tubuh tidak bergerak secara vertikal, tetapi memiliki pola gerakan yang lebih kompleks.
Misalnya masalah berikut. Sebuah benda bermassa m bergerak dengan percepatan yang tidak diketahui menuruni bidang miring yang koefisien gesekannya k. Tentukan nilai percepatan yang ada saat benda tersebut bergerak, jika sudut kemiringan diketahui.
Solusi: Gunakan paket di atas. Pertama-tama, gambarlah gambar bidang miring dengan gambar tubuh dan semua gaya yang bekerja padanya. Ternyata tiga komponen bertindak di atasnya:gravitasi, gesekan dan gaya reaksi pendukung. Persamaan umum gaya resultan terlihat seperti ini: Fgesekan + N + mg=ma.
Sorotan utama dari masalah ini adalah kondisi kemiringan pada sudut. Ketika memproyeksikan gaya ke sumbu ox dan sumbu oy, kondisi ini harus diperhitungkan, maka kita akan mendapatkan ekspresi berikut: mg x sin - Fgesekan =ma (untuk x sumbu) dan N - mg x cos=Fgesekan (untuk sumbu oy).
Fgesekan mudah dihitung dengan rumus mencari gaya gesekan, yaitu sama dengan k x mg (koefisien gesekan dikalikan dengan produk massa tubuh dan percepatan jatuh bebas). Setelah semua perhitungan, tinggal mengganti nilai yang ditemukan dalam rumus, persamaan yang disederhanakan akan diperoleh untuk menghitung percepatan yang digunakan tubuh untuk bergerak di sepanjang bidang miring.
