Kinematika Gerak Lurus Bagian 1

 

Pada pelajaran fisika di SMA kelas 10 salah satu materi fisika yang dipelajari adalah tentang  kinematika gerak. materi ini sangat erat kaitannya dalam kehidupan sehari-hari baik yang menguntungkan ataupun yang merugikan, banyak sekali manfaat yang bisa kita ambil dari belajar kinematika gerak lurus.

Kinematika gerak lurus dapat didefinisikan sebagai gerak suatu benda pada lintasan lurus dalam ruang dan waktu tanpa memperhatikan penyebab dari gerak tersebut (terkadang juga disebut dengan gaya).  Pada materi ini secara garis besar terbagi menjadi beberapa sub materi yakni besaran-besaran dalam gerak lurus, serta jenis-jenis gerak lurus.

 Besaran-besaran dalam gerak lurus

Seperti yang telah dijelaskan di awal materi ini menganalisis tentang gerak tanpa memperhatikan gaya yang mempengaruhi dari gerak tersebut. Beberapa besaran fisika yang terkait dengan materi ini adalah sebagai berikut:

 Posisi, jarak, dan perpindahan

Posisi merupakan lokasi dimana sebuah partikel berada relatif terhadap sebuah titik acuan, oleh karena sebelum menentukan posisi sebuah partikel kita harus menentukan titik acuannya karena posisi sebuah benda dapat berbeda jika ditinjau dari titik acuan yang berbeda sebagai contoh berikut:

Gambar di atas menunjukkan posisi sekolah dan rumah dari beberapa anak. Berdasarkan titik acuan yang dipilih maka kita dapat menyebutkan bahwa posisi sekolah berada 100 m dari rumah Jack (rumah Jack sebagai titik acuan), 400 m dari rumah Jill (rumah Jill sebagai titik acuan), atau 500 m dari rumah Joel (rumah Joel sebagai titik acuan). Selain itu, kita juga dapat menyebutkan bahwa rumah Joan 100 m di sebelah kiri rumah Jack (rumah Jack sebagai titik acuan) atau rumah Joan 100 m di sebelah kanan rumah Jill (rumah Jill sebagai acuan).

Titik acuan menjadi sesuatu yang perlu kita perhatikan dalam mempelajari materi ini, karna akan berpengaruh pada hasil analisis kita pada suatu kejadian atau peristiwa gerak. Salah satu cara yang dapat dilakukan agar mempermudah analisis, kita dapat menggunakan koordinat kartesian     (x – y) dimana titik pusat (0,0) sebagai titik acuannya. Perhatikan ilustrasi berikut

Gambar 2. Gerak mobil pada lintasan lurus

Gambar di atas menunjukkan gerak suatu mobil pada sebuah lintasan dimana titik acuannya berada pada titik x = 0 m serta tiap 10 s dicatat posisi dari mobil tersebut dan ditulis datanya pada tabel di bawah ini

Posisi mobil tiap waktu tertentu
Posisi	t(s)	x(m)
A	0	30
B	10	52
C	20	38
D	30	0
E	40	-37
F	50	-53

Dari tabel di atas setelah mobil bergerak 10 s, posisi mobil semakin berkurang sampai akhirnya bernilai negatif pada posisi E dan F. Tanda negatif ini menunjukkan bahwa mobil telah melewati titik acuan (x = 0) dan bergerak dengan arah yang berlawanan dari arah gerak semula. Data pada tabel tersebut dapat disajikan dengan grafik posisi terhadap waktu seperti di bawah ini.

Gambar 3. Grafik posisi terhadap waktu

(

Jarak merupakan panjang lintasan yang ditempuh oleh suatu benda dari posisi awal ke posisi akhir, sedangkan Perpindahan didefinisikan sebagai jarak terpendek (ditarik garis lurus) dari posisi awal ke posisi akhir dalam arah tertentu, baik jarak maupun perpindahan sama-sama termaduk ke dalam besaran panjang. Perhatikan lagi gambar 1, jika sebelum berangkat ke sekolah Joan menjemput Joel baru kemudian menuju ke sekolah seperti gambar berikut

Gambar 4. Ilustrasi jarak dan perpindahan

Maka jarak yang ditempuh oleh Joan adalah 700 m (200 m untuk ke rumah Joel dan 500 m dari rumah Joel ke sekolah) sedangkan perpindahan yang di lakukan oleh Joan adalah 300 m ke arah kiri (dilihat dari posisi awal dan akhirnya).

Setelah pulang lagi ke rumah tanpa mengantar Joel maka jarak yang ditempuh oleh Joan menjadi 1000 m (700 m ketika berangkat dan 300 m jarak sekolah ke rumah Joan ketika pulang), akan tetapi perpindahan yang dilakukan oleh Joan adalah nol, karena Joan kembali ke posisi awal (tidak terjadi perbedaan antara posisi awal dan akhir)

Berdasarkan ilustrasi di atas, maka dapat kita ketahui beberapa perbedaan antara jarak dan perpindahan sebagai 

Jarak	Perpindahan
Ditentukan oleh panjang lintasan	Ditentukan oleh posisi awal dan akhir (Δx = x2 – x1)
Selalu positif	Bisa positif atau negatif (bergantung arahnya)
Besaran skalar (tidak ada arahnya)	Besaran vektor (ada arahnya)

Waktu dan interval waktu

Waktu merupakan besaran yang penting ketika kita mempelajari tentang fisika, karena dalam fisika mengenal dua istilah waktu yakni “waktu” dan “interval waktu”. Waktu dapat didefinisikan vsaat suatu peristiwa dimulai biasanya disimbolkan dengan t₀ = 0 s atau t_n tanda “n” menunjukkan saat dimana peristiwa itu terjadi (tidak pada detik ke 0), sedangkan interval waktu (Δt) difenisikan sebagai rentang waktu antara dua kejadian yang berlangsung. Agar lebih jelas perhatikan ilustrasi berikut ini.

Gambar 5. Orang berlari menempuh jarak 100 m

Gambar 5 menunjukkan waktu dan jarak yang diperlukan orang untuk berlari menempuh jarak 100 m. Data waktu dan jarak yang dicapai dituliskan dalam tabel berikut

Waktu (s)	Posisi (m)
0	0
3,6	10
4,7	25
6,0	50
10,0	80
14,2	100

Berdasarkan tabel tersebut maka informasi yang bisa kita dapatkan antara lain

·           Pada saat 4,7 s posisi pelari ada pada jarak 25 m dari titik awal keberangkatan

·           Pada saat 10,0 s posisi pelari ada pada jarak 80 m

·           Untuk menempuh jarak 25 m awal pelari membutuhkan waktu 4,7 s

·           Untuk menempuh jarak 50 m awal pelari membutuhkan waktu 6,0 s

·           Untuk menempuh jarak 50 m akhir pelari membutuhkan waktu 8,2  

Pernyataan pertama dan kedua adalah contoh penggunaan “waktu” yang menyatakan suatu peristiwa yang terjadi pada saat itu, sedangkan pernyataan ketiga sampai kelima adalah contoh penggunaan “interval waktu” yang menyatakan selang waktu (waktu yang dibutuhkan) antara dua kejadian yang berlangsung.

Mari berpikir !

Mengapa terdapat perbedaan selang waktu antara pernyataan keempat dan kelima?

Kecepatan dan kelajuan

Kecepatan (disebut juga kecepatan rata-rata) merupakan perpindahan yang dilakukan suatu benda dalam selang waktu tertentu sehingga percepatan ini termasuk ke dalam besaran vektor.

Keterangan :

v = kecepatan (m/s) , Δx = perpindahan (m), dan t = selang waktu (s)

Karena kecepatan termasuk besaran vektor maka dalam penerapannya kita juga harus memperhatikan arah gerak benda, kecepatan ini dapat bernilai positif atau negatif.

kelajuan kelajuan merupakan jarak yang ditempuh oleh suatu benda dalam selang waktu tertentu sehingga kelajuan termasuk besaran skalar. Alat untuk mengukur kecepatan disebut dengan velocitymeter

Keterangan :

v = kelajuanan (m/s),  Δx = jarak yang ditempuh (m), dan Δt = selang waktu (s)

Karena kelajuan merupakan besaran skalar maka kita tidak perlu memperhatikan arah gerak bendanya dalam penerapannya. Alat untuk mengukur kelajuan adalah speedometer.

Pada kehidupan sehari-hari terkadang kita sulit untuk membedakan antara kecepatan dan kelajuan, hal ini dikarenakan keduanya memiliki kesamaan dalam simbol dan satuan. Akan tetapi dalam fisika hal ini lebih mudah terlihat karena secara jelas di bedakan antara kecepatan (besaran vektor) dan kelajuan (besaran skalar).

Agar lebih memahami perbedaan antara kecepatan dan kelajuan perhatikan ilustrasi berikut ini

Seorang anak berjalan 2 km menjauhi rumahnya dalam waktu 30 menit, kemudian ia berputar arah dan kembali lagi ke rumahnya dalam waktu 30 menit. Tentukan kecepatan kelajuan anak tersebut !

Ilustrasi dari soal tersebut adalah

Pertama kita harus mengubah satuannya menjadi satuan SI yakni

x = 2 km = 2000 m

t = 30 menit =  18 000 s

menentukan kecepatan

karena kecepatan bergantung pada perpindahan yang dilakukan oleh benda dan benda kembali ke posisi awal maka perpindahan yang dilakukan benda sama dengan nol (Δx = 0). Sehingga kecepatan benda

Menentukan Kelajuan

karena kelajuan bergantung pada jarak yang ditempuh benda dan total waktunya maka kelajuan benda adalah

Ingatlah :

Besar kecepatan suatu benda bisa sama atau berbeda dengan besar kelajuannya. Kecepatan akan sama dengan kelajuannya jika suatu benda bergerak lurus dari posisi awal ke akhirnya. Pada kondisi ini dapat dikatakan bahwa besar kecepatan adalah kelajuannya. Namun apabila benda bergerak memutar kemudian kembali lagi ke awal (seperti ilustrasi Joan yang berangkat sekolah dan pulang ke rumah), kecepatan Joan adalah nol karena tidak kembali ke posisi awal akan tetapi kelajuan tidak sama dengan nol

Kecepatan rata-rata & kecepatan sesaat

Perbedaan antara kecepatan rata-rata dan kecepatan sesaat terletak pada waktu kejadian yang diamati. Kecepatan rata-rata berkaitan dengan selang waktu yang saat kejadian itu berlangsung (ada batas waktu misal dari t₁ sampai t₂), kecepatan sesaat merupakan kecepatan benda pada waktu tertentu (misal kecepatan pada saat t_n) atau dapat pula didefinisikan kecepatan benda saat limit waktu mendekati 1. Hal ini berdampak pada persamaan matematis untuk menentukan nilai dari masing-masing kecepatan.

kecepatan rata-rata

Kecepatan sesaat

Tips :

Dalam soal kecepatan rata-rata ditandai dengan ada batas waktu yang digunakan misal dari 2s sampai 8s. kecepatan sesaat ditandai dengan hanya menggunakan satu batas waktu misal kecepatan benda saat t = 2s atau pada soal terdapat persamaan posisi x misal x = 2t² + 3t

Penentuan kecepatan rata-rata dan kecepatan sesaat dapat pula diamati dari grafik posisi terhadap waktu. Grafik berikut menggambarkan gerak sebuah mobil.

Gambar 6. (a) menentukan kecepatan rata-rata dari grafik posisi terhadap waktu. (b) menentukan kecepatan sesaat dari grafik posisi terhadap waktu

Berdasarkan grafik di atas, dapat terlihat dengan jelas perbedaan antara kecepatan rata-rata dan kecepatan sesaat. Jika kecepatan rata-rata terdapat rentang waktu dan posisinya maka untuk kecepatan sesaat (pada grafik di titik B) dibuat garis yang bersinggungan dengan grafik, tempat dimana keduanya bersinggungan inilah menunjukkan kecepatan pada saat itu (kecepatan sesaatnya)

Ingatlah !

Arti dari kecepatan adalah perpindahan dalam waktu tertentu. Sehingga jika ada sebuah benda yang melaju dengan kecepatan 15 m/s itu berarti tiap detik benda tersebut menempuh jarak 15 m. Sehingga data perpindahan yang dilakukan terhadap waktu adalah

Waktu (s)	Perpindahan (m)
0	0
1	15
2	30
3	45
...	,,,
n	n x 15

Percepatan dan perlajuan

Percepatan (atau disebut juga percepatan rata-rata) adalah perubahan kecepatan yang terjadi dalam waktu tertentu. Oleh karena itu percepatan ini termasuk besaran vektor, yang dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini.

Keterangan :

a : percepatan (m/s²), Δv : perubahan kecepatan (m/s), dan Δt : selang waktu (s)

Perlajuan adalah perubahan kelajuan yang terjadi dalam waktu tertentu. Oleh karena itu perlajuan termasuk ke dalam besaran skalar.

Keterangan :

a : perlajuan (m/s²), Δv : perubahan kelajuan (m/s). danΔt : selang waktu (s)

Berdasarkan kedua persamaan di atas maka besar percepatan bisa sama dengan besar kelajuan jika benda bergerak lurus satu arah dari posisi awal ke posisi akhir, akan berbeda nilainya jika benda bergerak dengan arah yang berubah-ubah karena perubahan arah ini akan mempengaruhi besarnya percepatan (termasuk besaran vektor).

Percepatan bisa bernilai positif yang artinya benda bergerak semakin cepat (kecepatan bertambah), percepatan bisa juga bernilai negatif yang artinya benda bergerak semakin lambat (kecepatan berkurang). Nilai positif atau negatif pada percepatan juga bergantung pada arahnya (karna termasuk besaran vektor), sehingga ada dua faktor yang mempengaruhi nilai percepatan selain dari perubahan kecepatannya juga dari arahnya. Untuk lebih mempermudah pemahamanmu coba perhatikan ilustrasi berikut

Gambar 7. (a) Mobil bergerak ke arah sumbu X positif, (b) Mobil bergerak ke arah sumbu X negatif

(sumber : Physics 11)

Pada gambar 7(a) mobil yang bergerak ke sumbu X positif dan bergerak dipercepat maka vektor kecepatan dan percepatannya dalam arah yang sama sehingga keduanya positif, akan tetapi ketika mobil diperlambat maka vektor kecepatan tetap bernilai positif dan vektor percepatan menjadi bernilai negatif. (b) mobil yang bergerak ke sumbu X negatif dan bergerak dipercepat maka vektor kecepatan dan percepatannya dalam arah yang sama sehingga keduanya negatif, akan tetapi ketika mobil diperlambat maka vektor kecepatan tetap bernilai negatif dan vektor percepatan menjadi bernilai positif.

Percepatan rata-rata & Percepatan sesaat

Sama dengan kecepatan, pada percepatan juga ada percepatan rata-rata dan percepatan sesaat. Perbedaan antara percepatan rata-rata dan percepatan sesaat terletak pada waktu kejadian yang diamati. percepatan rata-rata berkaitan dengan perubahan kecepatan dalam selang waktu yang saat kejadian itu berlangsung (ada batas waktu misal dari t₁ sampai t₂), percepatan sesaat merupakan percepatan benda pada waktu tertentu (misal kecepatan pada saat t_n) atau dapat pula didefinisikan percepatan benda saat limit waktu mendekati 1. Hal ini berdampak pada persamaan matematis untuk menentukan nilai dari masing-masing percepatan.

Percepatan rata-rata

Percepatan sesaat

Perbedaan antara percepatan rata-rata dan percepatan sesaat juga dapat dilihat pada grafik di bawah ini

Gambar 8. (a) grafik percepatan rata-rata, (b) grafik percepatan sesaat

Berdasarkan grafik di atas, maka terlihat bahwa untuk percepatan rata-rata bergantung pada kecepatan awal dan akhirnya saja, sedangkan untuk percepatan sesaat terlihat bahwa persinggungan antara grafik dengan garis tangensial kecepatan terhadap waktu pada saat kejadian itu berlangsung (lim Δt mendekati nol)

Ingatlah !

Arti dari percepatan adalah perubahan kecepatan dalam waktu tertentu. Sehingga jika ada sebuah benda awalnya diam kemudian dipercepat dengan percepatan  2 m/s² itu berarti tiap detik kecepatan benda tersebut berubah sebesar 2 m/s. Sehingga data perpindahan yang dilakukan terhadap waktu adalah

Waktu (s)	kecepatan (m/s)
0	0
1	2
2	4
3	6
...	,,,
n	n x 2

Pada bagian 1 ini fokus untuk membahas besaran-besaran pada kinematika gerak, selanjutnya bagian 2 akan membahas tentang kondisi benda ditinjau dari besaran-besaran tersebut.