Gaya Sentripetal: Apa itu & Mengapa Penting (dengan Persamaan & Contoh)

Gaya adalah hal yang lucu dalam fisika. Hubungannya dengan kecepatan jauh lebih tidak intuitif daripada yang mungkin dipikirkan kebanyakan orang. Misalnya, dengan tidak adanya efek gesekan (misalnya, jalan) dan "seret" (misalnya, udara), secara harfiah tidak memerlukan gaya untuk membuat mobil tetap bergerak dengan kecepatan 100 mil per jam (161 km/jam), tetapimelakukanmembutuhkan kekuatan luar untuk memperlambat mobil itu bahkan dari 100 hingga 99 mil/jam.

​Gaya sentripetal,yang eksklusif untuk dunia gerakan rotasi (sudut) yang memusingkan, memiliki cincin "kelucuan" itu. Misalnya, bahkan ketika Anda tahu persisMengapa,dalam istilah Newton, vektor gaya sentripetal partikel diarahkan ke pusat jalur melingkar yang dilalui partikel, tampaknya masih agak aneh.

Siapa pun yang pernah mengalami gaya sentripetal yang kuat mungkin cenderung melakukan tantangan serius, dan bahkan terdengar masuk akal, terhadap fisika yang mendasarinya berdasarkan pengalamannya sendiri. (Omong-omong, lebih banyak tentang semua jumlah misterius itu segera!)

Menyebut gaya sentripetal sebagai "jenis" gaya, seperti yang mungkin mengacu pada gaya gravitasi dan beberapa gaya lainnya, akan menyesatkan. Gaya sentripetal benar-benar merupakan kasus gaya khusus yang dapat dianalisis secara matematis menggunakan prinsip-prinsip Newtonian esensial yang sama seperti yang digunakan dalam persamaan mekanika linier (translasi).

Sebelum Anda dapat sepenuhnya mengeksplorasi gaya sentripetal, ada baiknya untuk meninjau kembali konsep gaya dan dari mana "berasal" dalam hal bagaimana ilmuwan manusia menggambarkannya. Pada gilirannya, itu memberikan peluang besar untuk meninjau ketiga hukum gerak dari fisikawan matematika abad ke-17 dan ke-18 Isaac Newton. Ini adalah, diurutkan berdasarkan konvensi dan tidak penting:

​hukum pertama Newton,juga disebuthukum inersia,menyatakan bahwa suatu benda yang bergerak dengan kecepatan konstan akan tetap dalam keadaan ini kecuali diganggu oleh gaya eksternal. Implikasi penting adalah bahwa gaya tidak diperlukan untuk benda bergerak, tidak peduli seberapa cepat, dengan kecepatan konstan.

• Kecepatan adalahbesaran vektor(karena itudicetak tebalsebagaiv) dan dengan demikian mencakup keduanyabesarnya(atau kecepatan dalam hal variabel ini) danarah, poin yang selalu penting yang akan menjadi kritis dalam beberapa paragraf.

​hukum kedua Newton, tertulis

menyatakan bahwa jika ada gaya total dalam suatu sistem, itu akan mempercepat massa m dalam sistem itu dengan besar dan arahSebuah. Percepatan adalah laju perubahan kecepatan, jadi sekali lagi, Anda melihat bahwa gaya tidak diperlukan untuk gerakan itu sendiri, hanya untuk mengubah gerakan.

​hukum ketiga Newtonmenyatakan bahwa untuk setiap gayaFdi alam ada kekuatan–Fyang sama besar dan berlawanan arah.

• Ini tidak boleh disamakan dengan "konservasi kekuatan" karena tidak ada hukum seperti itu; ini dapat membingungkan karena kuantitas lain dalam fisika (terutama massa, energi, momentum, dan momentum sudut) sebenarnya adalah kekal, artinya mereka tidak dapat diciptakan tanpa adanya kuantitas itu dalam beberapa bentuk yang tidak dihancurkan secara langsung, yaitu, ditendang ke dalam tidak ada.

Hukum Newton memberikan kerangka kerja yang berguna untuk membangun persamaan yang menggambarkan dan memprediksi bagaimana benda bergerak di ruang angkasa. Untuk tujuan artikel ini,ruangbenar-benar berarti "ruang" dua dimensi yang dijelaskan olehx("maju" dan "mundur") dankamu("atas" dan "bawah") koordinat dalam gerakan linier, (ukuran sudut, biasanya dalam radian) danr(jarak radial dari sumbu rotasi) dalam gerakan sudut.

Empat besaran dasar yang menjadi perhatian dalam persamaan kinematika adalah:pemindahan​, ​kecepatan(laju perubahan perpindahan),percepatan(laju perubahan kecepatan) danwaktu. Variabel untuk tiga yang pertama ini berbeda antara gerak linier dan rotasi (sudut) karena kualitas gerak yang berbeda, tetapi mereka menggambarkan fenomena fisik yang sama.

Untuk alasan ini, meskipun sebagian besar siswa belajar memecahkan masalah kinematika linier sebelum melihat rekan mereka dalam dunia sudut, akan masuk akal untuk mengajarkan gerak rotasi terlebih dahulu dan kemudian "turunkan" persamaan linier yang sesuai dari ini. Tetapi karena berbagai alasan praktis, hal ini tidak dilakukan.

Apa yang membuat suatu benda mengambil jalan melingkar dan bukannya garis lurus? Misalnya, mengapa satelit mengorbit Bumi dalam jalur melengkung, dan apa yang membuat mobil tetap bergerak di jalan melengkung bahkan pada kecepatan yang tampaknya sangat tinggi dalam beberapa kasus?

• ​Gaya sentripetaladalah nama untuk semua jenis gaya yang menyebabkan suatu benda bergerak dalam lintasan melingkar.

Sebagaimana dicatat, gaya sentripetal bukanlah jenis gaya yang berbeda dalam arti fisik, melainkan deskripsi dariapa sajagaya yang diarahkan ke pusat lingkaran yang menyatakan lintasan gerak benda.

• katasentripetalsecara harfiah berarti "mencari pusat​."

• Jangan bingung antara gaya sentripetal dengan "gaya sentrifugal" yang mistis namun gigih.

Gaya sentripetal dapat timbul dari berbagai sumber. Sebagai contoh:

• Thetegangan T(yang memiliki satuangaya dibagi jarak) dalam seutas tali atau tali yang mengikat benda bergerak ke pusat jalur melingkarnya. Contoh klasik adalah set-up tetherball yang ditemukan di taman bermain AS.

• Thetarikan gravitasiantara pusat dua massa besar (misalnya, Bumi dan bulan). Secara teori, semua benda bermassa memberikan gaya gravitasi pada benda lain. Tetapi karena gaya ini sebanding dengan massa benda, dalam banyak kasus gaya ini dapat diabaikan (misalnya, tarikan gravitasi ke atas yang sangat kecil dari bulu di Bumi saat itu air terjun).

"Gaya gravitasi" (atau tepatnya, percepatan karena gravitasi)gdekat permukaan bumi adalah 9,8 m/s².

• ​Gesekan.Contoh khas gaya gesek dalam masalah fisika pengantar adalah antara ban mobil dan jalan. Tetapi mungkin cara yang lebih mudah untuk melihat interaksi antara gesekan dan gerak rotasi adalah dengan membayangkan benda-benda yang dapat "menempel" di bagian luar roda yang berputar. lebih baik daripada yang lain dapat pada kecepatan sudut tertentu karena gesekan yang lebih besar antara permukaan benda-benda ini, yang tetap berada di jalur melingkar, dan roda permukaan.

Kecepatan sudut dari massa titik atau objek sepenuhnya tidak tergantung pada apa lagi yang mungkin terjadi dengan objek itu, secara kinetik, pada titik itu.

Bagaimanapun, kecepatan sudut adalah sama untuk semua titik dalam benda padat, terlepas dari jaraknya. Tetapi karena ada juga kecepatan tangensialv_untukdalam bermain, masalah percepatan tangensial muncul atau apakah itu? Lagi pula, sesuatu yang bergerak dalam lingkaran namun berakselerasi harus melepaskan diri dari jalurnya, semua yang lain tetap sama. Baik?

Dasar-dasar fisika mencegah kebingungan yang tampak ini menjadi nyata. hukum kedua Newton (F= mSebuah) mensyaratkan bahwa gaya sentripetal adalah massa benda m kali percepatannya, dalam hal ini percepatan sentripetal, yang "menunjuk" ke arah gaya, yaitu menuju pusat center jalan.

Anda akan benar untuk bertanya: "Tetapi jika objek dipercepat menuju pusat, mengapa tidak bergerak ke arah itu?" Kuncinya adalah bahwa objek memiliki kecepatan linierv_untukyang diarahkan secara tangensial ke jalur melingkarnya, dijelaskan secara rinci di bawah ini dan diberikan olehv_untuk = r​.

Sekalipun kecepatan linier itu konstan, arahnya selalu berubah (sehingga pasti mengalami percepatan, yaitu perubahan kecepatan; keduanya besaran vektor). Rumus untuk percepatan sentripetal diberikan oleh:

• Berdasarkan hukum kedua Newton, jikav_untuk²/radalah percepatan sentripetal, maka apa yang harus menjadi ekspresi untuk gaya sentripetalF_c? (Jawab di bawah.)

Sebuah mobil memasuki belokan dengan konstankecepatanberfungsi sebagai contoh yang bagus dari gaya sentripetal dalam aksi. Agar mobil tetap berada di jalur melengkung yang diinginkan selama belokan, gaya sentripetal yang terkait dengan gerakan rotasi mobil harus diimbangi atau dilampaui oleh gaya gesek ban di jalan, yang bergantung pada massa mobil dan sifat intrinsik dari ban tersebut. ban.

Ketika belokan berakhir, pengemudi membuat mobil berjalan lurus, arah kecepatan berhenti berubah, dan mobil berhenti berputar; tidak ada lagi gaya sentripetal dari gesekan antara ban dan jalan yang diarahkan secara ortogonal (pada 90 derajat) terhadap vektor kecepatan mobil.

Karena gaya sentripetal

diarahkan secara tangensial ke gerakan objek (yaitu, pada 90 derajat), ia tidak dapat melakukan pekerjaan apa pun pada benda secara horizontal karena tidak ada komponen gaya total yang searah dengan arah benda gerakan. Pikirkan menyodok langsung di sisi gerbong kereta saat mendesing secara horizontal melewati Anda. Ini tidak akan mempercepat mobil atau memperlambatnya sedikit pun, kecuali jika tujuan Anda tidak benar.

• Komponen horizontal dari gaya total pada objek dalam contoh seperti itu adalah (F)(cos 90°) yang sama dengan nol, sehingga gaya-gaya tersebut seimbang dalam arah horizontal; menurut hukum pertama Newton, objek karena itu akan tetap bergerak dengan kecepatan konstan. Tetapi karena ia memiliki percepatan ke dalam, kecepatan ini harus berubah, dan dengan demikian objek bergerak dalam lingkaran.

Sejauh ini, hanya gerak melingkar beraturan, atau gerak dengan kecepatan sudut dan tangensial konstan, yang telah dijelaskan. Namun, ketika ada kecepatan tangensial yang tidak seragam, ada definisipercepatan tangensial, yang harus ditambahkan (dalam arti vektor) ke percepatan sentripetal untuk mendapatkan percepatan bersih tubuh.

Dalam hal ini, percepatan bersih tidak lagi mengarah ke pusat lingkaran dan pemecahan masalah untuk gerak menjadi lebih kompleks. Contohnya adalah seorang pesenam yang tergantung dari sebatang palang dengan lengannya dan menggunakan otot-ototnya untuk menghasilkan kekuatan yang cukup untuk akhirnya mulai berayun di sekitarnya. Gravitasi jelas membantu kecepatan tangensialnya saat turun tetapi memperlambatnya saat naik kembali.

Membangun kecepatan sebelumnya dari gaya sentripetal berorientasi vertikal, bayangkan sebuah roller coaster dengan massa M menyelesaikan jalur melingkar dengan jari-jari R pada perjalanan gaya "loop the loop".

Dalam hal ini, agar roller coaster tetap berada di lintasan karena gaya sentripetal, gaya sentripetal netto di timur harus sama dengan berat (= Mg= 9,8 M, dalam newton) roller coaster di bagian paling atas belokan, atau gaya gravitasi akan menarik roller coaster keluar jalurnya.

Ini berarti bahwa Mv_untuk²/R harus melebihi Mg, yang, penyelesaian untuk v_untuk, memberikan kecepatan tangensial minimum:

Jadi massa roller coaster sebenarnya tidak masalah, hanya kecepatannya!