Gerak Melingkar: gerak yang lintasannya melingkar atau mengelilingi titik yang tetap gerak melingkar terdiri dari gerak melingkar beraturan yang mempunyai kecepatan sudut tetap dan gerak melingkar berubah beraturan yang percepatan sudutnya tetap.
Apa itu Gerak Melingkar Beraturan?
- Gerak benda yang mengikuti lintasan melingkar disebut gerak melingkar. Sekarang, gerak suatu benda yang bergerak dengan kecepatan konstan sepanjang lintasan melingkar disebut Gerak Melingkar Beraturan. Di sini, kecepatannya konstan tetapi kecepatannya berubah.
- Gerak Melingkar Beraturan adalah gerak 2 dimensi di mana benda bergerak dengan kecepatan seragam dalam arah melingkar yang tetap tetapi karena arah benda terus berubah di setiap titik, kecepatannya juga terus berubah, arahnya di setiap titik adalah arah menuju garis singgung.
- Gerak melingkar adalah bagian dari kehidupan. Planet-planet mengorbit matahari dalam gerakan melingkar. Sebuah mobil melengking saat melewati tikungan juga dalam gerakan melingkar. Dan jika kita pernah bermain tenis rumput, jenis dengan bola di atas tali yang terbang di sekitar tiang, maka kita akan mengalami contoh lain dari gerakan melingkar. Jika kita bergerak dengan kecepatan konstan dalam lingkaran kita, maka gerakan tersebut dikatakan beraturan.
- Gerak melingkar beraturan adalah gerak melingkar dengan kecepatan tetap. Hal ini terjadi karena adanya gaya sentripetal, yaitu gaya yang mengarah ke pusat lingkaran. Secara matematis, sebuah benda yang bergerak melingkar beraturan memiliki gaya total menuju pusat lingkaran, vektor percepatan menuju pusat lingkaran, dan kecepatan singgung lingkaran.
Pada gerak melingkar beraturan, benda bergerak pada lintasan melingkar dengan kecepatan tetap. Ini berarti bahwa benda akan menempuh jarak yang sama pada keliling lingkaran dalam selang waktu yang sama. Pada gerak melingkar tak beraturan, kecepatan benda berubah.
Meskipun kelajuan konstan dalam gerak melingkar beraturan, ada perubahan terus menerus dalam arah gerak, seperti yang telah kita bahas di bagian sebelumnya. Oleh karena itu, kecepatan suatu benda yang mengalami gerak melingkar beraturan juga berubah terus menerus. Karena perubahan arah kecepatan, benda mengalami percepatan yang disebut percepatan sentripetal.
Dari hukum gerak pertama Newton, kita tahu bahwa benda tidak dapat mengubah arah geraknya sendiri. Sebuah kekuatan eksternal diperlukan untuk tujuan ini. Gaya luar yang membuat benda tetap bergerak sepanjang lintasan melingkar disebut gaya sentripetal.
Benda yang mengalami gerak melingkar beraturan dapat digambarkan sebagai gerak suatu benda dalam lingkaran dengan kelajuan tetap. Saat sebuah objek bergerak dalam lingkaran, ia terus-menerus mengubah arahnya. Pada semua contoh, objek bergerak bersinggungan dengan lingkaran. Karena arah vektor kecepatan sama dengan arah gerak benda, vektor kecepatan juga diarahkan bersinggungan dengan lingkaran. Animasi di sebelah kanan menggambarkan ini melalui panah vektor.
Sebuah benda yang bergerak melingkar mengalami percepatan. Benda yang dipercepat adalah benda yang mengubah kecepatannya - baik kecepatan (yaitu, besarnya vektor kecepatan) atau arah. Sebuah benda yang mengalami gerak melingkar beraturan bergerak dengan kecepatan tetap. Namun, itu semakin cepat karena perubahan arahnya. Arah percepatannya ke dalam. Animasi di sebelah kanan menggambarkan ini melalui panah vektor.
Karakteristik gerak akhir untuk suatu benda yang mengalami gerak melingkar beraturan adalah gaya total. Gaya total yang bekerja pada benda semacam itu diarahkan ke pusat lingkaran. Gaya total dikatakan sebagai gaya ke dalam atau gaya sentripetal. Tanpa gaya dalam seperti itu, sebuah benda akan terus dalam garis lurus, tidak pernah menyimpang dari arahnya. Namun, dengan gaya total ke dalam yang diarahkan tegak lurus terhadap vektor kecepatan, objek selalu mengubah arahnya dan mengalami percepatan ke dalam.
Dalam fisika, gerak melingkar beraturan menggambarkan gerak benda yang melintasi lintasan melingkar dengan kecepatan konstan. Karena benda menggambarkan gerak melingkar, jaraknya dari sumbu rotasi tetap konstan sepanjang waktu. Meskipun kecepatan benda adalah konstan, kecepatannya tidak konstan: kecepatan, besaran vektor, bergantung pada kecepatan benda dan arah perjalanannya. Perubahan kecepatan ini menunjukkan adanya percepatan; percepatan sentripetal ini besarnya konstan dan diarahkan setiap saat menuju sumbu rotasi. Percepatan ini, pada gilirannya, dihasilkan oleh gaya sentripetal yang besarnya juga konstan dan diarahkan ke sumbu rotasi.
Dalam kasus rotasi di sekitar sumbu tetap dari benda tegar yang tidak terlalu kecil dibandingkan dengan jari-jari lintasan, setiap partikel benda menggambarkan gerak melingkar beraturan dengan kecepatan sudut yang sama, tetapi dengan kecepatan dan percepatan yang bervariasi dengan posisi terhadap sumbu.
Kasus paling sederhana dari gerak melingkar adalah gerak melingkar beraturan, di mana suatu benda menempuh lintasan melingkar dengan kecepatan konstan. Perhatikan bahwa, tidak seperti kecepatan, kecepatan linier suatu benda yang bergerak melingkar selalu berubah karena selalu berubah arah. Kita tahu dari kinematika bahwa percepatan adalah perubahan kecepatan, baik dalam besaran atau arah atau keduanya. Oleh karena itu, suatu benda yang mengalami gerak melingkar beraturan selalu mengalami percepatan, meskipun besar kecepatannya tetap.
Kita sebenarnya mengalami akselerasi ini sendiri setiap kali kita mengendarai mobil saat berbelok di tikungan. Jika kita memegang kemudi dengan stabil selama belokan dan bergerak dengan kecepatan konstan, kita melakukan gerakan melingkar yang seragam. Apa yang kita perhatikan adalah perasaan meluncur (atau terlempar, tergantung pada kecepatan) menjauh dari pusat belokan. Ini bukan gaya aktual yang bekerja pada kita —itu hanya terjadi karena tubuh kitaingin terus bergerak dalam garis lurus (sesuai hukum pertama Newton) sedangkan mobil membelokkan jalur garis lurus ini. Di dalam mobil tampak seolah-olah kita dipaksa menjauh dari pusat belokan. Gaya ini dikenal sebagai gaya sentrifugal. Semakin tajam kurva dan semakin besar kecepatan kita, semakin terlihat efek ini.
Jika sebuah partikel bergerak dalam lingkaran, ia harus memiliki beberapa percepatan yang bekerja menuju pusat yang membuatnya bergerak di sekitar pusat. Karena percepatan ini tegak lurus terhadap kecepatan partikel setiap saat, itu hanya mengubah arah kecepatan dan bukan besaran dan itulah sebabnya gerakannya adalah gerakan melingkar beraturan. Kami menyebutnya percepatan sentripetal (atau percepatan radial), dan gaya yang bekerja menuju pusat disebut gaya sentripetal.
Dalam kasus gerak melingkar beraturan, percepatannya adalah:
- ar = v2r = ω2r
- Jika massa partikel adalah m, kita dapat mengatakan dari hukum gerak kedua bahwa:
- F = ma
- mv2r= mω2r
Ini bukan gaya yang secara khusus terjadi begitu saja, sebenarnya gaya seperti tegangan atau gesekan dapat menjadi penyebab timbulnya gaya sentripetal. Ketika kendaraan berbelok di jalan, itu adalah gaya gesekan antara ban dan tanah yang memberikan gaya sentripetal yang diperlukan untuk berbelok.
CATATAN
Jadi jika sebuah partikel bergerak dalam gerakan melingkar beraturan:
1) Kecepatannya tetap
2) Kecepatan berubah setiap saat
3) Tidak ada percepatan tangensial
4) Percepatan radial (sentripetal) = 2r
5)v=ωr
Dalam kasus gerakan melingkar yang tidak seragam, ada beberapa percepatan tangensial yang menyebabkan kecepatan partikel meningkat atau menurun. Percepatan yang dihasilkan adalah jumlah vektor percepatan radial dan percepatan tangensial.
Contoh Gerak Melingkar Berseragam
Berikut adalah contoh gerak melingkar beraturan:
- Gerak satelit buatan mengelilingi bumi merupakan contoh gerak melingkar beraturan. Gaya gravitasi dari bumi membuat satelit tetap berada pada orbit melingkar mengelilingi bumi.
- Pergerakan elektron di sekitar nukleusnya.
- Gerakan bilah kincir angin.
- Ujung jarum detik jam tangan dengan dial melingkar menunjukkan gerakan melingkar yang seragam.
Ada banyak contoh fisik gaya sentripetal, dan kita tidak dapat sepenuhnya mengeksplorasi masing-masing. Dalam kasus sebuah mobil bergerak di sekitar tikungan, gaya sentripetal disediakan oleh gaya gesekan statis ban mobil di jalan. Meskipun mobil bergerak, gaya sebenarnya tegak lurus terhadap gerakannya, dan merupakan gaya gesekan statis. Dalam kasus pesawat terbang berputar di udara, gaya sentripetal diberikan oleh gaya angkat yang diberikan oleh sayap miringnya. Akhirnya, dalam kasus sebuah planet berputar mengelilingi matahari, gaya sentripetal diberikan oleh gaya tarik gravitasi antara kedua benda.
Dengan pengetahuan tentang kekuatan fisik seperti ketegangan, gravitasi dan gesekan, gaya sentripetal menjadi perpanjangan dari Hukum Newton. Ini istimewa, bagaimanapun, karena secara unik ditentukan oleh kecepatan dan jari-jari gerakan melingkar beraturan. Semua Hukum Newton masih berlaku, diagram benda bebas masih merupakan metode yang valid untuk menyelesaikan masalah, dan gaya masih dapat diselesaikan menjadi komponen-komponen. Jadi hal yang paling penting untuk diingat mengenai gerak melingkar beraturan adalah bahwa itu hanyalah bagian dari topik dinamika yang lebih besar.
Pertanyaan: Apakah ada percepatan dalam gerak melingkar beraturan?
Jawab: Ya!! Kecepatan berubah karena arah berubah. Namun kecepatannya tetap konstan.
Soal: Sebuah bola diputar melingkar. Jika tali dilepaskan saat bola berada pada posisi yang ditunjukkan, jalur manakah yang akan dilalui bola?
Jawaban: Jika tali dilepaskan tidak ada gaya untuk membelokkan lintasan bola, sehingga bola akan terus bergerak lurus mengikuti lintasan 2.
Besaran Dasar dalam Gerak Melingkar
- r = jari-jari lintasan melingkar
- T = periode, waktu untuk berputar sekali
- v = kecepatan linier
- a = percepatan linier
3 besaran pertama dihubungkan oleh: v T = 2πr.
Percepatan Sentripetal
- Fitur penting dari gerak melingkar beraturan adalah percepatan sentripetal ac yang mengarah secara radial ke dalam dan menjaga partikel pada jalur melingkar.
- Percepatan sentripetal adalah ac=v2/r (radial ke dalam)
Variabel Sudut dan Linear
Gerak melingkar lebih berguna dijelaskan dengan menggunakan variabel sudut. Alih-alih jarak yang ditempuh, kami fokus pada sudut rotasi. Variabel sudut ini adalah:
- Jarak: s = rθ θ = posisi sudut
- Kecepatan: v = rω = kecepatan sudut
- Percepatan: di = rα; α= percepatan sudut (tangensial)
Percepatan tangensial melibatkan percepatan atau perlambatan suatu benda saat bergerak sepanjang jalur melingkar,
Penting: Dalam gerak melingkar beraturan di = 0, sedangkan ac tidak nol dan menunjuk ke arah radial.
Sebuah benda yang bergerak pada lintasan melingkar mengalami gerak melingkar. Jika kecepatan benda konstan, itu adalah gerak melingkar beraturan.
Sebuah benda yang bergerak melingkar beraturan memang mengalami percepatan, meskipun kecepatannya tetap. Ingat, percepatan adalah perubahan kecepatan, dan kecepatan terdiri dari kecepatan dan arah. Agar objek bergerak dalam lingkaran, arah kecepatannya harus berubah secara konstan. Perubahan arah ini adalah percepatan, yang disebut percepatan sentripetal ("sentripetal" berarti "menuju pusat"). Untuk sebuah benda yang bergerak pada lintasan melingkar, vektor percepatan sentripetal selalu mengarah ke pusat lingkaran.
Seperti jenis percepatan lainnya, percepatan sentripetal disebabkan oleh gaya (disebut gaya sentripetal). Vektor gaya sentripetal juga selalu mengarah ke pusat lingkaran.
Agar suatu benda dapat bergerak dalam lintasan melingkar, gaya total yang bekerja pada benda harus berupa gaya sentripetal (gaya yang selalu mengarah ke pusat). Ketika beberapa gaya bekerja pada sebuah benda yang bergerak melingkar, gaya-gaya tersebut harus bertambah menjadi gaya sentripetal. Penting untuk dipahami bahwa gaya sentripetal bukanlah gaya terpisah yang bekerja pada suatu benda. Ini adalah gaya total yang mengikuti aturan tertentu: selalu mengarah ke pusat jalur melingkar.
Pengertian gerak melingkar
Ketika sebuah benda bergerak dalam lintasan melingkar, kita menyebutnya gerak melingkar. Beberapa contoh umum gerak melingkar adalah:
- Sebuah mobil balap bergerak pada kurva melingkar;
- Satelit buatan yang berputar mengelilingi bumi;
- Ujung jarum menit/detik dari sebuah jam; dan
- Memutar batu yang diikat dengan tali.
- Gerak melingkar suatu benda dapat berupa gerak melingkar beraturan atau gerak melingkar tak beraturan.
Dalam gerak melingkar, arah gerak berubah terus menerus. Setiap saat, arah gerak benda yang bergerak dalam lintasan melingkar adalah sepanjang garis singgung lingkaran pada saat itu.
Cara yang lebih mudah untuk memvisualisasikan konsep ini adalah dengan membayangkan sebuah batu yang dililitkan pada seutas tali; ketika tali putus, batu terbang ke arah tangensial.
Hukum I Newton tentang gerak menyatakan bahwa suatu benda yang bergerak dengan kecepatan konstan akan melanjutkan gerak itu kecuali jika ada gaya luar yang bekerja. Ini berarti bahwa gerak melingkar hanya dapat terjadi jika ada gaya "pencari pusat" – jika tidak, benda-benda hanya akan bergerak dalam garis lurus, bukan garis lengkung dari sebuah lingkaran. Sentripetal berarti 'pencarian pusat', jadi gaya sentripetal digunakan untuk merujuk pada gaya yang dialami oleh benda yang bergerak dalam lingkaran. Misalnya, ketika seseorang memutar bola yang diikatkan pada tali secara horizontal di atas kepalanya, tali tersebut mentransmisikan gaya sentripetal dari otot-otot tangan dan lengan, menyebabkan bola bergerak dalam lintasan melingkar.
Gaya sentripetal menyebabkan percepatan sentripetal. Dalam kasus khusus gerakan melingkar Bumi mengelilingi Matahari – atau gerakan melingkar satelit apa pun di sekitar benda langit mana pun – gaya sentripetal yang menyebabkan gerakan tersebut adalah hasil dari gaya tarik gravitasi di antara keduanya.
Gerak pada bidang adalah ketika suatu benda bergerak dalam dua koordinat, misalkan x, y atau y, z, dan seterusnya. Salah satu contoh Gerak 2 Dimensi adalah Gerak Proyektil dimana benda bergerak baik dalam arah horizontal maupun vertikal. Gerak melingkar beraturan adalah contoh lain dari gerak 2 dimensi, di mana benda bergerak dengan kecepatan seragam dalam gerak melingkar sedangkan kecepatannya terus berubah di setiap titik karena arah vektor kecepatan terus berubah.
Ketika benda bergerak melingkar, pada setiap titik, beberapa percepatan dialami oleh benda, percepatan bekerja menuju pusat lingkaran yang membuat benda bergerak dalam lingkaran itu. Percepatan tersebut dikenal sebagai Percepatan radial atau Percepatan sentripetal.
Dalam gerak melingkar beraturan, gaya yang bekerja menuju pusat disebut gaya sentripetal dan untuk mengimbangi gaya tersebut, gaya yang bekerja di luar lingkaran dikenal sebagai gaya sentrifugal.
Catatan:
- Gaya sentripetal selalu bekerja menuju pusat.
- Arah Kecepatan selalu bersinggungan dengan lingkaran di semua titik.
- Vektor percepatan akan selalu tegak lurus terhadap vektor kecepatan dan karenanya, akan selalu mengarah ke pusat.
- Kecepatan sudut diberikan sebagai, w = v/r
- dimana, w = kecepatan sudut
- v = besar kecepatan
- r = jari-jari lingkaran
- Besarnya percepatan diberikan sebagai, a=v2/r
- Nilai percepatan sudut selalu nol pada gerak melingkar beraturan karena kecepatan sudutnya konstan.