Fisika benda kaku adalah ilmu yang mempelajari berbagai jenis gerak. Yang utama adalah gerakan translasi dan rotasi sepanjang sumbu tetap. Ada juga kombinasinya: bebas, datar, lengkung, dipercepat secara seragam dan varietas lainnya. Setiap gerakan memiliki karakteristiknya sendiri, tetapi tentu saja ada kesamaan di antara mereka. Perhatikan jenis gerakan apa yang disebut rotasi dan berikan contoh gerakan tersebut, gambarkan analogi dengan gerakan translasi.
Hukum mekanik beraksi
Sekilas, tampaknya gerakan rotasi, contohnya yang kita amati dalam aktivitas sehari-hari, melanggar hukum mekanika. Apa yang dapat diduga dari pelanggaran ini dan undang-undang apa?
Misalnya, hukum kelembaman. Setiap benda, ketika gaya yang tidak seimbang tidak bekerja padanya, harus diam atau melakukan gerakan bujursangkar yang seragam. Tetapi jika Anda memberi bola dunia dorongan lateral, itu akan mulai berputar. Dankemungkinan besar akan berputar selamanya jika bukan karena gesekan. Seperti contoh gerakan rotasi yang bagus, bola dunia terus berputar, tanpa disadari oleh siapa pun. Ternyata hukum pertama Newton tidak berlaku dalam kasus ini? Bukan.
Apa yang bergerak: titik atau benda
Gerakan rotasi berbeda dengan gerakan maju, tetapi ada banyak kesamaan di antara keduanya. Perlu membandingkan dan membandingkan jenis ini, perhatikan contoh gerak translasi dan rotasi. Untuk memulainya, orang harus membedakan secara tegas antara mekanika benda material dan mekanika titik material. Ingat definisi gerak translasi. Ini adalah gerakan tubuh, di mana setiap titiknya bergerak dengan cara yang sama. Ini berarti bahwa semua titik tubuh fisik pada setiap momen waktu tertentu memiliki kecepatan dan arah yang sama dan menggambarkan lintasan yang sama. Oleh karena itu, gerak translasi benda dapat dianggap sebagai gerak satu titik, atau lebih tepatnya, gerak pusat massanya. Jika benda lain tidak bekerja pada benda tersebut (titik material), maka benda tersebut diam, atau bergerak dalam garis lurus dan beraturan.
Perbandingan Rumus Perhitungan
Contoh gerak rotasi benda (bola, roda) menunjukkan bahwa rotasi benda dicirikan oleh kecepatan sudut. Ini menunjukkan pada sudut berapa ia akan berbelok per satuan waktu. Dalam bidang teknik, kecepatan sudut sering dinyatakan dalam putaran per menit. Jika kecepatan sudut konstan, maka kita dapat mengatakan bahwa tubuh berputar secara seragam. Kapankecepatan sudut bertambah beraturan, maka perputarannya disebut dipercepat beraturan. Kesamaan hukum gerak translasi dan rotasi sangat signifikan. Hanya penyebutan hurufnya saja yang berbeda, dan rumus perhitungannya sama. Hal ini terlihat jelas pada tabel.
| Gerakan maju | Gerakan rotasi | |
|
Kecepatan v Jalan s Waktu t Percepatan a |
Kecepatan sudut Perpindahan sudut Waktu t Percepatan sudut |
|
| s=vt | φ=t | |
|
v=at S=at2 / 2 |
ω=t φ=t2 / 2 |
Semua tugas dalam kinematika gerak translasi dan rotasi diselesaikan dengan cara yang sama menggunakan rumus ini.
Peran gaya adhesi
Mari kita perhatikan contoh gerak rotasi dalam fisika. Mari kita ambil pergerakan satu titik material - bola logam berat dari bantalan bola. Apakah mungkin untuk membuatnya bergerak dalam lingkaran? Jika Anda mendorong bola, itu akan menggelinding dalam garis lurus. Anda dapat mengarahkan bola di sekitar lingkaran, mendukungnya sepanjang waktu. Tetapi seseorang hanya perlu melepaskan tangannya, dan dia akan terus bergerak dalam garis lurus. Dari sini mengikuti kesimpulan bahwa suatu titik dapat bergerak dalam lingkaran hanya di bawah aksi gaya.
Ini adalah pergerakan titik material, tetapi dalam benda padat tidak ada satu puntitik, tetapi satu set. Mereka terhubung satu sama lain, karena kekuatan kohesif bekerja pada mereka. Gaya-gaya inilah yang menahan titik-titik dalam orbit melingkar. Tanpa adanya gaya kohesif, titik material dari benda yang berputar akan terbang terpisah seperti tanah yang beterbangan dari roda yang berputar.
Kecepatan linier dan sudut
Contoh gerak rotasi ini memungkinkan kita untuk menggambar paralel lain antara gerak rotasi dan translasi. Selama gerak translasi, semua titik benda bergerak pada titik waktu tertentu dengan kecepatan linier yang sama. Ketika sebuah benda berputar, semua titiknya bergerak dengan kecepatan sudut yang sama. Dalam gerak rotasi, contohnya jari-jari roda yang berputar, kecepatan sudut semua titik jari-jari yang berputar akan sama, tetapi kecepatan liniernya akan berbeda.
Akselerasi tidak dihitung
Ingatlah bahwa dalam gerak beraturan suatu titik sepanjang lingkaran, selalu ada percepatan. Percepatan seperti itu disebut sentripetal. Ini hanya menunjukkan perubahan arah kecepatan, tetapi tidak mencirikan perubahan modulo kecepatan. Oleh karena itu, kita dapat berbicara tentang gerak rotasi beraturan dengan satu kecepatan sudut. Dalam rekayasa, dengan rotasi seragam roda gila atau rotor generator listrik, kecepatan sudut dianggap konstan. Hanya jumlah putaran generator yang konstan yang dapat memberikan tegangan konstan dalam jaringan. Dan jumlah putaran roda gila ini menjamin pengoperasian mesin yang mulus dan ekonomis. Kemudian gerak rotasi, contoh yang diberikan di atas, dicirikan hanya oleh kecepatan sudut, tanpa memperhitungkan percepatan sentripetal.
Gaya dan momennya
Ada paralel lain antara gerak translasi dan rotasi - dinamis. Menurut hukum kedua Newton, percepatan yang diterima oleh tubuh didefinisikan sebagai pembagian gaya yang diterapkan oleh massa tubuh. Selama rotasi, perubahan kecepatan sudut tergantung pada gaya. Memang, saat memasang mur, peran yang menentukan dimainkan oleh aksi gaya yang berputar, dan bukan di mana gaya ini diterapkan: pada mur itu sendiri atau pada gagang kunci pas. Dengan demikian, indikator gaya dalam rumus untuk gerak translasi selama rotasi tubuh sesuai dengan indikator momen gaya. Secara visual dapat ditampilkan dalam bentuk tabel.
| Gerakan maju | Gerakan rotasi |
| Power F |
Momen gaya M=Fl, dimana l - kekuatan bahu |
| Kerja A=Fs | Pekerjaan A=M |
| Daya N=Fs/t=Fv | Daya N=Mφ/t=Mω |
Massa benda, bentuk dan momen inersianya
Tabel di atas tidak dapat dibandingkan menurut rumus hukum kedua Newton, karena ini memerlukan penjelasan tambahan. Rumus ini mencakup indikator massa, yang mencirikan tingkat inersia tubuh. Ketika sebuah benda berotasi, kelembamannya tidak dicirikan oleh massanya, tetapi ditentukan oleh besaran seperti momen inersia. Indikator ini secara langsung tidak terlalu bergantung pada berat badan melainkan pada bentuknya. Artinya, penting bagaimana massa tubuh didistribusikan di ruang angkasa. Tubuh dengan berbagai bentuk akanmemiliki nilai momen inersia yang berbeda.
Ketika sebuah benda berputar mengelilingi sebuah lingkaran, momen inersianya akan sama dengan produk dari massa benda yang berputar dan kuadrat dari jari-jari sumbu rotasi. Jika titik bergerak dua kali lebih jauh dari sumbu rotasi, maka momen inersia dan stabilitas rotasi akan meningkat empat kali lipat. Itu sebabnya roda gila dibuat besar. Tetapi juga tidak mungkin untuk meningkatkan jari-jari roda terlalu banyak, karena dalam hal ini percepatan sentripetal dari titik-titik peleknya meningkat. Gaya kohesif molekul yang membentuk percepatan ini mungkin menjadi tidak cukup untuk menjaga mereka tetap pada jalur melingkar, dan roda akan runtuh.
Perbandingan akhir
Saat menggambar paralel antara gerak rotasi dan translasi, harus dipahami bahwa selama rotasi, peran massa tubuh dimainkan oleh momen inersia. Kemudian hukum dinamis gerak rotasi, yang sesuai dengan hukum kedua Newton, akan mengatakan bahwa momen gaya sama dengan produk momen inersia dan percepatan sudut.
Sekarang Anda dapat membandingkan semua rumus persamaan dasar dinamika, momentum, dan energi kinetik pada gerak translasi dan rotasi, yang contoh perhitungannya telah diketahui.
| Gerakan maju | Gerakan rotasi |
|
Persamaan Dasar Dinamika F=ma |
Persamaan Dasar Dinamika M=I |
|
Impuls p=mv |
Impuls p=I |
|
energi kinetik Ek=mv2 / 2 |
energi kinetik Ek=Iω2 / 2 |
Gerakan progresif dan rotasi memiliki banyak kesamaan. Kita hanya perlu memahami bagaimana besaran fisis berperilaku di masing-masing jenis ini. Saat memecahkan masalah, rumus yang sangat mirip digunakan, perbandingannya diberikan di atas.
