Menghitung gaya dalam berbagai situasi sangat penting untuk fisika. Sebagian besar waktu, hukum kedua Newton (F = ma) adalah semua yang Anda butuhkan, tetapi pendekatan dasar ini tidak selalu merupakan cara paling langsung untuk mengatasi setiap masalah. Saat Anda menghitung gaya untuk benda yang jatuh, ada beberapa faktor tambahan yang perlu dipertimbangkan, termasuk seberapa tinggi benda itu jatuh dan seberapa cepat benda itu berhenti. Dalam praktiknya, metode paling sederhana untuk menentukan gaya benda jatuh adalah dengan menggunakan kekekalan energi sebagai titik awal Anda.
Latar Belakang: Konservasi Energi
Kekekalan energi adalah konsep dasar dalam fisika. Energi tidak diciptakan atau dimusnahkan, hanya berubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Saat Anda menggunakan energi dari tubuh Anda (dan akhirnya makanan yang Anda makan) untuk mengambil bola dari tanah, Anda mentransfer energi itu menjadi energi potensial gravitasi; ketika Anda melepaskannya, energi yang sama menjadi energi kinetik (bergerak). Ketika bola menyentuh tanah, energi dilepaskan sebagai suara, dan beberapa juga dapat menyebabkan bola memantul kembali. Konsep ini sangat penting ketika Anda perlu menghitung energi dan gaya benda jatuh.
Energi di Titik Dampak
Kekekalan energi memudahkan untuk mengetahui berapa banyak energi kinetik yang dimiliki suatu benda sebelum titik tumbukan. Energi semuanya berasal dari potensi gravitasi yang dimilikinya sebelum jatuh, jadi rumus energi potensial gravitasi memberi Anda semua informasi yang Anda butuhkan. Ini:
E = mgh
Dalam persamaan, m adalah massa benda, E adalah energi, g adalah percepatan gravitasi konstan (9,81 m s−2 atau 9,81 meter per detik kuadrat), dan h adalah ketinggian benda jatuh. Anda dapat mengerjakan ini dengan mudah untuk benda apa pun yang jatuh selama Anda tahu seberapa besar dan seberapa tinggi benda itu jatuh.
Prinsip Kerja-Energi
Prinsip kerja-energi adalah bagian terakhir dari teka-teki saat Anda mengerjakan gaya benda jatuh. Prinsip ini menyatakan bahwa:
\text{gaya tumbukan rata-rata}\times \text{ jarak yang ditempuh} = \text{ perubahan energi kinetik}
Soal ini membutuhkan gaya tumbukan rata-rata, jadi mengatur ulang persamaan memberikan:
\text{gaya tumbukan rata-rata} = \frac{\text{perubahan energi kinetik}}{\text{jarak yang ditempuh}}
Jarak yang ditempuh adalah satu-satunya informasi yang tersisa, dan ini hanyalah seberapa jauh objek bergerak sebelum berhenti. Jika menembus ke dalam tanah, gaya tumbukan rata-rata lebih kecil. Kadang-kadang ini disebut "jarak perlambatan deformasi", dan Anda dapat menggunakan ini ketika objek berubah bentuk dan berhenti, bahkan jika tidak menembus ke dalam tanah.
Menyebut jarak yang ditempuh setelah tumbukan d, dan mencatat bahwa perubahan energi kinetik sama dengan energi potensial gravitasi, rumus lengkapnya dapat dinyatakan sebagai:
\text{kekuatan tumbukan rata-rata}=\frac{mgh}{d}
Menyelesaikan Perhitungan
Bagian tersulit untuk dikerjakan ketika Anda menghitung gaya benda jatuh adalah jarak yang ditempuh. Anda dapat memperkirakan ini untuk menghasilkan jawaban, tetapi ada beberapa situasi di mana Anda dapat mengumpulkan angka yang lebih tegas. Jika benda berubah bentuk saat terkena benturan – misalnya buah yang pecah saat menyentuh tanah, misalnya – panjang bagian benda yang berubah bentuk dapat digunakan sebagai jarak.
Sebuah mobil jatuh adalah contoh lain karena bagian depan remuk karena benturan. Jika mobil tersebut remuk dalam jarak 50 cm, yaitu 0,5 meter, massa mobil adalah 2.000 kg, dan dijatuhkan dari ketinggian 10 meter, contoh berikut menunjukkan cara menyelesaikan perhitungan. Mengingat bahwa gaya tumbukan rata-rata = mgh d, Anda menempatkan contoh angka di tempat:
\text{kekuatan tumbukan rata-rata}=\frac{2000\text{ kg}\times 9.81\text{ m/s}^2\times 10\text{ m}}{0.5\text{ m}}=392.400\text { N} = 392.4\teks{ kN}
Dimana N adalah simbol untuk Newton (satuan gaya) dan kN berarti kilo-Newton atau ribuan Newton.
Tips
-
Objek Memantul
Mengerjakan gaya tumbukan saat benda memantul sesudahnya jauh lebih sulit. Gaya sama dengan laju perubahan momentum, jadi untuk melakukan ini Anda perlu mengetahui momentum benda sebelum dan sesudah pantulan. Dengan menghitung perubahan momentum antara jatuh dan memantul dan membagi hasilnya dengan jumlah waktu antara dua titik ini, Anda bisa mendapatkan perkiraan untuk gaya tumbukan.
