Gerak Rotasi (Fisika): Apa itu & Mengapa Itu Penting

Mungkin Anda memikirkan gerakan Anda di dunia, dan gerakan benda secara umum, dalam rangkaian sebagian besar garis lurus: Anda berjalan dalam garis lurus atau jalan melengkung untuk pergi dari satu tempat ke tempat lain, dan hujan dan hal-hal lain jatuh dari langit; sebagian besar geometri kritis dunia dalam arsitektur, infrastruktur, dan tempat lain didasarkan pada sudut dan garis yang diatur dengan cermat. Sepintas, kehidupan mungkin tampak jauh lebih kaya dalam gerakan linier (atau translasi) daripada dalam gerakan sudut (atau rotasi).

Seperti banyak persepsi manusia, yang satu ini, sejauh yang dialami setiap orang, sangat menyesatkan. Berkat bagaimana indra Anda adalah struktur untuk menafsirkan dunia, wajar bagi Anda untuk menavigasi dunia itu dalam halmeneruskandankembalidanBaikdankiridannaikdanturun. Tapi apakah itu bukan karenagerak rotasi– yaitu, gerakan pada sumbu tetap – tidak akan ada alam semesta atau setidaknya tidak ada yang ramah atau dapat dikenali oleh penggemar fisika.

Gerak rotasi mengacu pada sesuatu yang berputar atau bergerak dalam lintasan melingkar. Ini juga disebut gerak sudut atau gerak melingkar. Gerakannya mungkin seragam (yaitu, kecepatanvtidak berubah) atau tidak seragam, tetapi harus melingkar.

• Revolusi Bumi dan planet-planet lain di sekitar matahari dapat diperlakukan sebagai lingkaran untuk kesederhanaan, tetapi orbit planet sebenarnya elips (sedikit oval) dan karena itu bukan contoh rotasi gerakan.

Sebuah benda dapat berputar sambil juga mengalami gerak linier; anggap saja sepak bola berputar seperti gasing karena juga melengkung di udara, atau roda yang menggelinding di jalan. Para ilmuwan mempertimbangkan jenis gerakan ini secara terpisah karena persamaan yang terpisah (tetapi sekali lagi, sangat analog) diperlukan untuk menafsirkan dan menjelaskannya.

Sebenarnya berguna untuk memiliki seperangkat pengukuran dan perhitungan khusus untuk menggambarkan gerakan rotasi benda-benda tersebut sebagai lawan dari translasi atau gerak linier, karena Anda sering mendapatkan penyegaran singkat dalam hal-hal seperti geometri dan trigonometri, mata pelajaran itu selalu baik untuk yang berpikiran ilmiah untuk memiliki perusahaan menangani.

Sementara ketidaktahuan utama dari gerakan rotasi mungkin adalah "Earthisme Datar", sebenarnya cukup mudah untuk dilewatkan bahkan ketika Anda sedang melihat, mungkin karena pikiran banyak orang dilatih untuk menyamakan "gerakan melingkar" dengan "lingkaran." Bahkan potongan terkecil dari jalan sebuah objek dalam gerakan rotasi di sekitar sumbu yang sangat jauh – yang sekilas akan terlihat seperti garis lurus – mewakili lingkaran gerakan.

Gerakan seperti itu ada di sekitar kita, dengan contoh termasuk bola dan roda yang bergulir, komidi putar, planet yang berputar, dan pemain seluncur es yang berputar dengan elegan. Contoh gerakan yang mungkin tidak tampak seperti gerakan rotasi, tetapi sebenarnya adalah, termasuk jungkat-jungkit, membuka pintu, dan memutar kunci pas. Seperti disebutkan di atas, karena dalam kasus ini sudut rotasi yang terlibat seringkali kecil, mudah untuk tidak menyaring ini dalam pikiran Anda sebagai gerakan sudut.

Pikirkan sejenak tentang gerakan pengendara sepeda sehubungan dengan tanah "tetap". Meskipun jelas bahwa roda sepeda bergerak dalam lingkaran, pertimbangkan apa artinya kaki pengendara sepeda diinjak pada pedal sementara pinggul tetap diam di atas kursi.

"Pengungkit" di antaranya menjalankan bentuk gerakan rotasi yang kompleks, dengan lutut dan pergelangan kaki menelusuri lingkaran tak terlihat dengan jari-jari yang berbeda. Sementara itu, seluruh paket mungkin bergerak dengan kecepatan 60 km/jam melalui Pegunungan Alpen selama Tour de France.

Ratusan tahun yang lalu, Isaac Newton, mungkin inovator matematika dan fisika paling berpengaruh dalam sejarah, menghasilkan tiga hukum gerak yang sebagian besar didasarkan pada karya Galileo. Karena Anda mempelajari gerak secara formal, Anda mungkin juga akrab dengan "aturan dasar" yang mengatur semua gerak dan siapa yang menemukannya.

​hukum pertama Newton, hukum inersia, menyatakan bahwa suatu benda yang bergerak dengan kecepatan konstan akan terus melakukannya kecuali diganggu oleh gaya luar.hukum kedua Newtonmengusulkan bahwa jika gaya totalFbekerja pada massa m, itu akan mempercepat (mengubah kecepatan) massa itu dalam beberapa cara:F= mSebuah​. ​hukum ketiga Newtonmenyatakan bahwa untuk setiap gayaFada kekuatan–F, sama besarnya tetapi berlawanan arah, sehingga jumlah gaya-gaya di alam adalah nol.

Dalam fisika, setiap kuantitas yang dapat dijelaskan secara linier juga dapat dijelaskan dalam istilah sudut. Yang paling penting dari ini adalah:

​Pemindahan.Biasanya, masalah kinematika melibatkan dua dimensi linier untuk menentukan posisi, x dan y. Gerak rotasi melibatkan partikel pada jarak r dari sumbu rotasi, dengan sudut yang ditentukan mengacu pada titik nol jika diperlukan.

​Kecepatan.Alih-alih kecepatan v dalam m/s, gerak rotasi memiliki kecepatan sudutω(huruf Yunani omega) dalam radian per detik (rad/s). Yang penting, bagaimanapun,partikel yang bergerak dengan konstan juga memiliki​ ​kecepatan tangensial​ ​v_untukdalam arah tegak lurus terhadapr​​.Bahkan jika besarnya konstan,v_untukselalu berubah karena arah vektornya terus berubah. Nilainya ditemukan hanya dariv​_untuk = ​r​.

​Percepatan.Percepatan sudut, ditulisα(Huruf Yunani alpha), seringkali nol dalam masalah gerak rotasi dasar karenaωbiasanya dianggap konstan. Tapi karenav_untuk, seperti disebutkan di atas, selalu berubah, adapercepatan sentripetal_cdiarahkan ke dalam menuju sumbu rotasi dan dengan besarnya

​Memaksa.Gaya yang bekerja pada sumbu rotasi, atau gaya "puntir" (puntir), disebut torsi, dan produk dari gaya F dan jarak aksinya dari sumbu rotasi (yaitu, panjanglengan tuas​):

Perhatikan bahwa satuan torsi adalah Newton-meter, dan "×" di sini menandakan perkalian silang vektor, yang menunjukkan bahwa arahτtegak lurus terhadap bidang yang dibentuk olehFdanr.​

​Massa.Sementara massa, m, faktor ke dalam masalah rotasi, biasanya dimasukkan ke dalam kuantitas khusus yang disebut momen inersia (atau momen kedua area)saya. Anda akan belajar lebih banyak tentang aktor ini, bersama dengan momentum sudut kuantitas yang lebih mendasarL, segera.

Karena gerak rotasi melibatkan mempelajari jalur melingkar, daripada menggunakan meter untuk menggambarkan perpindahan sudut suatu objek, fisikawan menggunakan radian atau derajat. Sebuah radian nyaman karena secara alami menyatakan sudut dalam, karena satu putaran penuh lingkaran(360 derajat) sama dengan 2π radian​.

• Sudut yang biasa ditemui dalam fisika adalah 30 derajat (

/6 rad), 45 derajat (π/4 rad), 60 derajat (π/3 rad) dan 90 derajat (π/2 rad).

Mampu mengidentifikasisumbu rotasisangat penting dalam memahami gerakan rotasi dan memecahkan masalah terkait. Kadang-kadang ini mudah, tetapi pertimbangkan apa yang terjadi ketika seorang pegolf yang frustrasi melemparkan lima besi berputar tinggi ke udara menuju danau.

Satu badan kaku berputar dalam beberapa cara yang mengejutkan: ujung-ke-ujung (seperti pesenam yang melakukan putaran vertikal 360 derajat sambil memegang batang horizontal), sepanjang (seperti poros penggerak mobil), atau berputar dari titik tetap pusat (seperti roda mobil yang sama).

Biasanya, sifat-sifat gerak suatu benda berubah tergantung padabagaimanaitu diputar. Pertimbangkan sebuah silinder, setengahnya terbuat dari timah dan setengahnya lagi berlubang. Jika sumbu rotasi dipilih melalui sumbu panjangnya, distribusi massa di sekitar sumbu ini akan simetris, meskipun tidak seragam, sehingga Anda dapat membayangkannya berputar dengan lancar. Tetapi bagaimana jika sumbu dipilih melalui ujung yang berat? Ujung berongga? Tengah?

Seperti yang baru saja Anda pelajari, putarsamaobjek di sekitarberbedasumbu rotasi, atau mengubah jari-jari, dapat membuat gerakan lebih atau kurang sulit. Perpanjangan alami dari konsep ini adalah bahwa benda berbentuk serupa dengan distribusi massa yang berbeda memiliki sifat rotasi yang berbeda.

Ini ditangkap oleh kuantitas yang disebutmomen inersia I,yang merupakan ukuran seberapa sulit untuk mengubah kecepatan sudut suatu benda. Ini analog dengan massa dalam gerak linier dalam hal efek umumnya pada gerak rotasi. Seperti unsur-unsur dalam tabel periodik dalam kimia, tidak curang untuk mencari rumussayauntuk objek apa pun; tabel praktis ditemukan di Resources. Tapiuntuk semua objek,​ ​saya​ ​sebanding dengan kedua massa​ (​saya​) ​dan kuadrat jari-jari(r²).

Peran terbesar darisayadalam fisika komputasi adalah ia menawarkan platform untuk menghitung momentum sudutL​:

Ituhukum kekekalan momentum sudutdalam gerak rotasi analog dengan hukum kekekalan momentum linier dan merupakan konsep penting dalam gerak rotasi. Torsi, misalnya, hanyalah nama untuk laju perubahan momentum sudut. Hukum ini menyatakan bahwa momentum total L dalam setiap sistem partikel atau benda yang berputar tidak pernah berubah.

Ini menjelaskan mengapa seorang skater es berputar jauh lebih cepat saat dia menarik lengannya, dan mengapa dia merentangkannya untuk memperlambat dirinya hingga berhenti secara strategis. Ingat ituLsebanding dengan m dan r² (karenasayaadalah, danL = saya​​ω). Karena L harus tetap konstan, dan nilai m (massa skater tidak berubah selama masalah, jika r meningkat, maka kecepatan sudut akhirωharus berkurang dan sebaliknya.

Anda telah belajar tentang percepatan sentripetalSebuah_c,dan di mana akselerasi berperan, begitu juga gaya. Gaya yang memaksa suatu benda mengikuti lintasan lengkung dikenai gaya agaya sentripetal.Contoh klasik: Theketegangan(gaya per satuan panjang) pada seutas tali yang memegang bola tambatan diarahkan ke pusat tiang dan membuat bola terus bergerak mengelilingi tiang.

Hal ini menyebabkan percepatan sentripetal menuju pusat jalan. Seperti disebutkan di atas, bahkan pada kecepatan sudut konstan, sebuah benda memiliki percepatan sentripetal karena arah kecepatan linier (tangensial)v_untukterus berubah.