Gerak melingkar dan Aplikasi Lain dari Hukum Newton (Chapter 6)-part2

6.2 Gerak Melingkar Tak Seragam

Dalam Bab 4, kita menemukan bahwa jika partikel bergerak dengan kecepatan yang berbeda-beda dalam jalur melingkar, di samping komponen percepatan radial, komponen tangensial memiliki besar |dv/dt|. Oleh karena itu, gaya yang bekerja pada partikel juga harus memiliki komponen tangensial dan komponen radial. Karena percepatan total adalah a = a_r + a_t , total gaya yang bekerja pada partikel adalah  ∑F = ∑F_r + ∑F_t seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6.7. (Kita mengekspresikan gaya radial dan tangensial sebagai gaya total dengan notasi penjumlahan karena setiap gaya bisa terdiri dari beberapa gaya yang digabung). Vektor ∑F_r diarahkan menuju pusat lingkaran dan berpengaruh pada percepatan sentripetal. Vektor ∑F_t bersinggungan dengan lingkaran yang berpengaruh pada percepatan tangensial, yang merupakan perubahan kecepatan partikel dengan waktu.

6.3 Gerak pada Kerangka Dipercepat

Hukum gerak Newton, yang kita perkenalkan pada Bab 5, menjelaskan pengamatan yang dibuat dalam kerangka acuan inersia. Pada bagian ini, kita menganalisa bagaimana hukum Newton diterapkan oleh pengamat dalam kerangka acuan noninersia, yaitu satu yang mempercepat. Misalnya, mengingat pembahasan meja hoki udara pada kereta api di Bagian 5.2. Kereta bergerak pada kelajuan konstan merupakan kerangka inersia. Seorang pengamat di kereta melihat keping saat diam tetap tenang, dan hukum pertama Newton tampaknya harus ditaati. Percepatan kereta api bukan kerangka inersia. Menurut Anda sebagai pengamat di kereta ini, tampaknya  tidak ada gaya pada keping, namun mampu berakselerasi dari diam kemudian bergerak ke belakang kereta, ini terlihat melanggar hukum pertama Newton. Ciri ini adalah ciri umum pengamatan yang dilakukan dalam kerangka noninersia: tampaknya ada percepatan yang tidak dijelaskan dari benda yang tidak "terikat" ke kerangka. Hukum pertama Newton tidak dilanggar, tentu saja. Ini hanya kelihatannya  dilanggar karena pengamatan yang dilakukan dari kerangka noninersa. Secara umum, arah percepatan dijelaskan berlawanan arah dengan percepatan kerangka noninersia.

Pada percepatan kereta, saat Anda melihat keping dipercepat ke arah belakang kereta, Anda mungkin menyimpulkan didasarkan pada keyakinan Anda dalam hukum kedua Newton bahwa gaya telah bekerja pada keping sehingga  menyebabkannya dipercepat. Kita menyebutnya gaya yang jelas seperti yang satu ini gaya fiktif karena hal ini berkaitan dengan pengamatan yang dilakukan dalam kerangka acuan dipercepat. Sebuah gaya fiktif muncul untuk bertindak pada objek dengan cara yang sama sebagai gaya nyata. Gaya nyata selalu berinteraksi antar dua benda, bagaimanapun, dan Anda tidak dapat mengidentifikasi objek kedua untuk gaya fiktif. (Apa obyek kedua berinteraksi dengan keping untuk menyebabkannya dipercepat?) Secara umum, gaya fiktif sederhana muncul untuk bertindak dalam arah yang berlawanan dari percepatan kerangka noninersia. Misalnya, kereta dipercepat maju dan tampak sebuah gaya fiktif menyebabkan keping meluncur ke arah belakang kereta.

Kereta api Contoh dari gambaran gaya fiktif yang disebabkan oleh perubahan dalam kecepatan kereta. Gaya fiktif yang lain disebabkan oleh perubahan dalam arah vektor kecepatan. Untuk memahami gerak sebuah sistem yang noninersia karena perubahan arah, perhatikan mobil bergerak di sepanjang jalan raya dengan kecepatan tinggi dan mendekati jalan keluar melengkung di sebelah kiri seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.10a. Mobil mengambil berbelok ke kiri tajam di tanjakan, orang yang duduk bersandar di kursi penumpang, terdorong ke kanan dan membentur pintu. Pada saat itu gaya yang diberikan oleh pintu pada penumpang terus dia dari yang dikeluarkan dari mobil. Apa yang menyebabkan dia bergerak menuju pintu? Penjelasan populer tetapi benar adalah bahwa gaya yang bekerja ke arah kanan pada Gambar 6.10b mendorong penumpang keluar dari pusat dari jalur melingkar. Meskipun sering disebut "gaya sentripetal," itu adalah gaya fiktif. Mobil merupakan kerangka acuan noninersia yang memiliki percepatan sentripetal menuju pusat jalur melingkar. Akibatnya, penumpang merasa gaya nyata yang keluar dari pusat jalur melingkar, atau ke kanan pada Gambar 6.10b, dalam arah yang berlawanan dari percepatan.

Mari kita atasi fenomena ini dari segi hukum Newton. Sebelum mobil memasuki jalan, penumpang bergerak dalam jalur garis lurus. Saat mobil memasuki jalan dan perjalanan jalur melengkung, penumpang cenderung bergerak sepanjang lintasan lurus asli, yang sesuai dengan hukum pertama Newton: kecenderungan alami dari sebuah objek adalah untuk terus bergerak dalam garis lurus. Jika cukup besar gaya (menuju pusat kelengkungan) yang bekerja pada penumpang seperti pada Gambar 6.10c, bagaimanapun, ia bergerak di jalur melengkung bersama dengan mobil. Gaya ini adalah gaya gesekan antara dirinya dan kursi mobil. Jika gaya gesekan tidak cukup besar, kursi mengikuti jalur melengkung sementara penumpang cenderung untuk terus di jalur garis lurus dari mobil sebelum mobil mulai berbelok. Oleh karena itu, dari sudut pandang pengamat di dalam mobil, penumpang bersandar atau bergeser relatif yang tepat untuk kursi. Akhirnya, ia bertemu pintu, yang menyediakan gaya yang cukup besar untuk memungkinkan dia untuk mengikuti jalan melengkung yang sama seperti mobil.

Gaya fiktif lain yang menarik adalah " Gaya Coriolis." Ini adalah gaya nyata yang disebabkan oleh perubahan posisi radial dari suatu obyek dalam sistem koordinat radial.

Misalnya, Anda dan teman di sisi berlawanan dari panggung berputar melingkar dan Anda memutuskan untuk melempar bisbol ke teman Anda. Gambar 6.11a mewakili pengamat yang akan melihat bola ketika pengamat yang melayang saat diam di atas panggung yang berputar. Menurut pengamat ini, yang berada dalam kerangka inersia, bola mengikuti garis lurus seperti itu harus sesuai dengan hukum pertama Newton. Pada t = 0 Anda melemparkan bola ke arah teman Anda, tetapi pada saat t_f ketika bola telah melewati panggung, teman Anda telah pindah ke posisi baru dan tidak bisa menangkap bola. Sekarang, bagaimanapun, pertimbangkan situasi dari sudut pandang teman Anda. Teman Anda berada dalam kerangka acuan noninersia karena ia sedang menjalani percepatan sentripetal relatif terhadap kerangka inersia permukaan bumi. Ia melihat bisbol yang datang ke arahnya, tapi saat melintasi panggung, ia membelok ke satu sisi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.11b. Oleh karena itu, teman Anda di panggung yang berputar tersebut menyatakan bahwa bola tidak mematuhi hukum pertama Newton dan mengklaim bahwa gaya samping yang menyebabkan bola untuk mengikuti jalur melengkung. Gaya fiktif ini disebut gaya Coriolis.

Gaya fiktif mungkin bukan gaya yang nyata, tetapi ia memiliki efek nyata. Sebuah objek pada dashboard Anda benar-benar tergelincir jika Anda menekan pedal gas mobil Anda. Ketika Anda naik komidi putar, Anda merasa didorong ke arah luar seolah-olah karena fiktif "gaya sentrifugal." Anda mungkin jatuh dan melukai diri sendiri karena gaya Coriolis jika Anda berjalan di sepanjang garis radial sementara komidi putar berputar. (Salah satu penulis melakukannya dan mengalami pemisahan ligamen dari tulang rusuk ketika ia terjatuh.) Gaya Coriolis akibat rotasi bumi bertanggung jawab untuk rotasi badai dan arus laut skala besar
(Serway,2010:145-149).