KAJIAN TEORITIS, KERANGKA BERPIKIR DAN PENGAJUAN HIPOTESIS
5. Gerak Lurus
a. Kompetensi Dasar Konsep Gerak Lurus
Kompetensi dasar pada konsep gerak lurus adalah menganalisis besaran-besaran fisis pada gerak lurus dengan kecepatan konstan dan gerak lurus dengan percepatan konstan.
b. Peta Konsep Gerak Lurus
Materi gerak lurus yang dipelajari siswa pada tingkat SMA kelas X diantaranya besaran-besaran pada gerak, gerak lurus beraturan, gerak lurus berubah beraturan, gerak jatuh bebas, gerak vertikal ke bawah dan gerak vertikal ke atas. Peta konsep gerak lurus dapat dilihat pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Peta konsep gerak lurus
Jarak Perpindahan Kelajuan •Kelajuan sesaat •Kelajuan rata-rata Kecepatan •Kecepatan sesaat •Kecepatan rata-rata Percepatan Perlajuan
dalam selang waktu tertentu menghaslkan
Berubah-ubah dalam waktu tertentu menghaslkan dibedakan menjadi Posisi Perubahan Posisi menyebabkan menghasilkan
salah satu jenisnya
Gerak
Gerak Lurus terbagi menjadi terbagi menjadi Gerak Lurus Beraturan Gerak Lurus Berubah Beraturan Gerak Horizontal Gerak Jatuh Bebas Gerak Vertikal ke Atas Gerak Vertikal ke Bawah Gerak Vertikalc. Materi Konsep Gerak Lurus
Suatu benda dikatakan bergerak apabila mengalami perubahan kedudukan terhadap titik acuan tertentu. Titik-titik yang dilalui oleh suatu benda ketika bergerak disebut lintasan. Jika suatu benda bergerak pada lintasan lurus, gerak benda ini disebut gerak lurus.
Sebelum membahas lebih lanjut mengenai gerak lurus, terlebih dahulu perlu dipahami beberapa istilah dalam gerak lurus, antara lain:
1) Posisi
Posisi adalah letak suatu benda pada waktu tertentu terhadap suatu titik acuan. Pengukuran posisi benda harus dibuat dengan mengacu pada suatu kerangka acuan. Kerangka acuan dapat dinyatakan dengan menggambar sumbu koordinat. Pada gerak lurus, jenis sumbu koordinat yang digunakan adalah koordinat kartesius.
Untuk gerak satu dimensi, lintasan horizontal ditetapkan sebagai sumbu X dan titik acuan adalah titik O yang posisinya xo = 0. Posisi suatu benda dapat terletak di kiri atau di kanan titik acuan, sehingga untuk membedakannya kita gunakan tanda negatif atau positif. Umumnya, posisi di sebelah kanan titik acuan ditetapkan sebagai posisi positif dan posisi di sebelah kiri titik acuan ditetapkan sebagai posisi negatif. Sebagai contoh, perhatikan gambar di bawah ini.
Gambar 2.2 Posisi benda pada suatu garis lurus
Berdasarkan gambar di atas, posisi titik P berjarak 6 di sebelah kanan titik O, dapat dikatakan bahwa posisi titik P adalah xP = +6. Posisi R berjarak -5 di sebelah kiri titik O, maka dapat dikatakan bahwa posisi titik R adalah xR = -5. Berdasarkan contoh tersebut, maka dapat disimpulkan bahwa posisi suatu benda ditentukan oleh besar dan arah, sehingga posisi termasuk ke dalam besaran vektor.
2) Jarak dan Perpindahan
Jarak adalah panjang lintasan yang ditempuh suatu benda selama bergerak. Jarak merupakan besaran skalar. Perpindahan adalah perubahan kedudukan suatu
0 1 2 3 4 5 6 7 8
-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1
O P
28
benda selama bergerak relatif terhadap kedudukan awal (titik acuan). Perpindahan merupakan besaran vektor. Jarak diberi lambang s, sedangkan perpindahan diberi
lambang ∆s.
∆�= �2− �1
Keterangan: ∆� = perpindahan benda (m)
�1 = posisi awal benda (m) �2 = posisi akhir benda (m)
3) Kelajuan dan Kecepatan
Kelajuan suatu benda ditentukan oleh jarak tempuh benda dan selang waktu yang dibutuhkan untuk menempuh jarak tersebut tanpa memperhatikan arah perpindahannya. Kelajuan dibedakan menjadi dua jenis, yaitu kelajuan sesaat dan kelajuan rata-rata. Kelajuan sesaat adalah kelajuan benda pada saat tertentu (selang waktu mendekati 0). Sedangkan kelajuan rata-rata adalah hasil bagi antara jarak total yang ditempuh dengan selang waktunya. Secara matematis dirumuskan sebagai berikut:
�= � ∆�
Keterangan: � = kelajuan (m.s-1)
� = jarak total yang ditempuh benda (m)
∆� = selang waktu (s)
Kecepatan (�⃗) didefinisikan sebagai perubahan kedudukan (posisi) benda dalam satuan waktu. Kecepatan terdiri atas kecepatan sesaat dan kecepatan rata-rata. Kecepatan sesaat adalah kecepatan benda pada saat waktu tertentu. Persamaannya dapat dinyatakan dengan
�⃗= lim ∆�=0
∆� ∆�
Kecepatan rata-rata adalah hasil bagi antara perpindahan dengan selang waktunya. Persamaannya dapat dinyatakan dengan
�⃗= ∆� ∆� = �2 − �1 �2 − �1 Keterangan: �⃗ = kecepatan (m.s-1) ∆� = perpindahan benda (m)
�1 = posisi awal benda (m) �2 = posisi akhir benda (m) ∆� = selang waktu (s)
4) Perlajuan dan Percepatan
Percepatan adalah perubahan kecepatan dalam satuan waktu tertentu. Percepatan termasuk besaran vektor. Satuan Internasional dari percepatan adalah m/s2. Percepatan bisa bernilai positif dan negatif. Bila nilai percepatan positif, hal ini menunjukkan bahwa kecepatan benda bertambah ketika bergerak (dipercepat). Sedangkan bila negatif, hal ini berarti kecepatannya menurun (diperlambat). Rumus percepatan adalah sebagai berikut.
� =∆� ∆� =
�2− �1 �2− �1
Keterangan: a = percepatan rata-rata (m.s-2)
∆� = perubahan kecepatan (m.s-1)
∆� = selang waktu (s)
Berdasarkan bidangnya, gerak lurus terbagi menjadi dua jenis yaitu gerak horizontal (gerak lurus beraturan dan gerak lurus berubah beraturan) dan gerak vertikal (gerak jatuh bebas, gerak vertikal ke bawah dan gerak vertikal ke atas) 1) Gerak Lurus Beraturan
Gerak lurus beraturan adalah gerak suatu benda yang menempuh lintasan garis lurus, di mana benda menempuh jarak yang sama atau dengan kecepatan yang tetap (konstan) tiap selang waktu yang sama. Secara sistematis dirumuskan:
� = �.�
Keterangan: v = kecepatan rata-rata (m.s-1) s = jarak yang ditempuh (m) t = selang waktu (s)
Pada gerak lurus beraturan, jarak yang ditempuh oleh benda sama dengan perpindahannya diukur dari kedudukan awal.
2) Gerak Lurus Berubah Beraturan
Gerak lurus berubah beraturan didefinisikan sebagai gerak benda pada lintasan lurus dengan kecepatan yang berubah secara beraturan dan percepatannya
30
tetap. Kecepatan benda setelah waktu t diperoleh dengan mengambil saat awal mengamati gerak (t1 = 0), kecepatan v1 = v0 dan saat akhir mengamati gerak (t2 =
t), kecepatan benda v2 = vt. Persamaan kecepatan benda setelah waktu t tersebut adalah �⃗=�2− �1 �2− �1 =��− �0 � ��= �0 +�⃗.�
Untuk ∆�=��− �0, sehingga diperoleh
∆�= �⃗.�
Kecepatan rata-rata �⃗ dari benda adalah
�⃗= �0 +�� 2
Dengan demikian,
∆�= �⃗.�
=��0+2 ��� �
Karena �� =�0+�⃗.�, maka perpindahan benda selama t dapat ditulis: ∆�= ��0+ (�0+�⃗.�)
2 � �
∆� =�0.�+1 2.�⃗.�
2
Selanjutnya, hubungan kecepatan awal, percepatan dan perpindahan yang ditempuh selama mengalami percepatan dapat dirumuskan sebagai berikut.
��2 = �
02+ 2.�⃗.�
Keterangan: vt = kecepatan akhir atau kecepatan setelah t sekon (m.s-1) v0 = kecepatan awal (m.s-1)
�⃗ = percepatan (m.s-2) t = selang waktu (s) s = jarak tempuh (m)
3) Gerak Jatuh Bebas
Sebelum masa Galileo, orang mempercayai pemikiran bahwa benda yang lebih besar massanya jatuh lebih cepat dari benda yang lebih ringan, dan bahwa laju jatuh benda tersebut sebanding dengan massa benda itu. Galileo menemukan bahwa semua benda akan jatuh dengan percepatan konstan yang sama jika tidak ada udara atau hambatan lainnya. Ia menyatakan bahwa untuk sebuah benda yang jatuh dari keadaan diam, jarak yang ditempuh akan sebanding dengan kuadrat waktu, (h ∝ t). Untuk memperkuat penemuannya bahwa laju benda yang jatuh bertambah ketika benda itu jatuh, Galileo menggunakan argumen yang cerdik. Sebuah batu berat yang dijatuhkan dari ketinggian 2 m akan memukul sebuah tiang pancang lebih dalam ke tanah dibandingkan dengan batu yang sama tetapi dijatuhkan dari ketinggian 0,2 m. Jelas, batu tersebut bergerak lebih cepat pada ketinggian yang pertama.
Galileo juga menegaskan bahwa semua benda, berat atau ringan jatuh dengan percepatan yang sama, jika tidak ada udara (hampa udara). Jika kita memegang selembar kertas secara horizontal pada satu tangan dan sebuah benda lain yang lebih berat, misalnya sebuah bola di tangan yang lain, dan melepaskan kertas dan bola tersebut pada saat yang sama, benda yang lebih berat akan lebih dulu mencapai tanah. Tetapi jika kita mengulang percobaan ini, dengan membentuk kertas menjadi gumpalan kecil kita akan melihat bahwa kedua benda tersebut mencapai lantai pada saat yang hampir sama.
Galileo yakin bahwa udara berperan sebagai hambatan untuk benda-benda yang sangat ringan dan memiliki permukaan luas. Tetapi pada banyak keadaan biasa, hambatan udara ini bisa diabaikan. Pada suatu ruang di mana udara telah dihisap, maka benda ringan seperti bulu atau selembar kertas yang dipegang horizontal akan jatuh dengan percepatan yang sama seperti benda yang lain . Demonstrasi pada ruang hampa udara seperti ini tidak ada pada masa Galileo, yang membuat keberhasilan Galileo lebih hebat lagi.
Galileo sering disebut “Bapak sains modern”, tidak hanya disebabkan isi dari sainsnya (penemuan astronomik, inersia, jatuh bebas), tetapi juga gaya atau pendekatannya terhadap sains (idealisasi dan penyederhanaan, matematisasi teori,
32
teori yang memiliki hasil yang dapat diuji, eksperimen untuk menguji ramalan teoritis). Sumbangan Galileo yang spesifik terhadap pemahaman kita mengenai gerak benda jatuh bebas dapat dirangkum sebagai berikut: “Pada suatu lokasi tertentu di Bumi dan dengan tidak adanya hambatan udara, semua benda jatuh dengan percepatan konstan yang sama”.
Percepatan ini disebut dengan percepatan yang disebabkan oleh gravitasi pada Bumi dan diberi simbol dengan g, besar percepatan gravitasi kira-kira g = 9,80 m/s. Besar percepatan gravitasi g sedikit bervariasi menurut garis lintang dan ketinggian. Tetapi, variasi ini begitu kecil sehingga kita bisa mengabaikannya untuk sebagian besar kasus. Efek hambatan udara seringkali kecil, dan akan sering kita abaikan. Bagaimanapun, hambatan udara akan tampak, bahkan pada benda yang cukup berat jika kecepatannya besar.
Gerak jatuh benda dari suatu ketinggian dengan kecepatan awal nol disebut gerak jatuh bebas. Persamaan pada gerak jatuh bebas sama seperti pada gerak lurus berubah beraturan. Ada dua nilai yang berlaku pada gerak jatuh bebas, yaitu:
�0 = 0 dan a = g. 4) Gerak Vertikal
Gerak vertikal ke atas adalah gerak suatu benda yang dilempar vertikal ke atas dengan kecepatan awal tertentu (�0). Ada dua nilai yang berlaku pada gerak vertikal ke atas, yaitu �0 ≠ 0 dan a = -g . Tanda minus (-) ini menunjukkan bahwa
benda mengalami perlambatan karena gerak benda berlawanan dengan arah gravitasi bumi.
Gerak vertikal ke bawah adalah gerak suatu benda yang dilempar vertikal ke bawah dengan kecepatan awal tertentu (�0). Ada dua nilai yang berlaku pada
gerak vertikal ke bawah, yaitu: �0 ≠ 0 dan a = g. Oleh karena gerak benda searah
dengan gaya gravitasi bumi (benda bergerak ke bawah) maka benda akan mengalami percepatan.47
47
Marthen Kanginan, Fisika untuk SMA/MA Kelas X, (Jakarta: Erlangga, 2013), h.69-101.
