Fisika, pada intinya, adalah tentang menggambarkan gerak benda melalui ruang dalam hal posisi, kecepatan, dan percepatannya sebagai fungsi waktu.
Seiring berjalannya waktu berabad-abad dan manusia memperluas kekuatan alat pengamatan yang mereka miliki, pengejaran untuk mempelajari dengan tepat apa yang dilakukan benda-benda di ruang fisik dan kapan telah berkembang hingga mencakup benda-benda yang sangat kecil, seperti atom dan bahkan komponennya, dengan seluruh bidang fisika kuantum, atau mekanika kuantum, muncul sebagai akibatnya.
Namun, hal pertama yang dipelajari setiap siswa fisika adalah hukum dasar dan persamaan mekanika Newton. Jadi biasanya dimulai dengan gerakan satu dimensi dan beralih ke gerakan dalam dua dimensi (naik-turun dan sisi-ke-sisi) seperti gerak proyektil, memperkenalkan percepatan gravitasi unik Bumi sebesar 9,8 meter per detik per detik (m/s 2 ) .
Setelah Anda menjadi ahli dalam menggunakan ini bersama-sama dalam studi Anda tentang gerak dan sifat mekanika klasik, Anda akan mengembangkan apresiasi yang lebih baik untuk perbedaan yang tampak sepele pada pandangan pertama tetapi sebenarnya sama sekali tidak sepele, seperti perbedaan antara jarak dan perpindahan .
Jarak vs Perpindahan
Jarak dan perpindahan adalah istilah umum dalam fisika yang membingungkan yang penting untuk mendapatkan yang benar. Jarak adalah besaran skalar , jarak total yang ditempuh oleh suatu benda; perpindahan adalah kuantitas vektor , jalur terpendek dalam garis lurus antara posisi awal dan posisi akhir.
Perbedaan antara besaran vektor dan besaran skalar adalah bahwa besaran vektor mencakup informasi tentang arah; besaran skalar hanyalah angka. “Setengah panah” di atas variabel menunjukkan bahwa itu adalah besaran vektor. Ekspresi untuk perpindahan total r partikel dalam bidang koordinat x, y, dalam notasi vektor, adalah:
vec r = xhat i + yhat j
Di sini, i dan j adalah “vektor satuan” masing-masing dalam arah x dan y; ini digunakan untuk menggambar komponen kuantitas vektor tertentu yang menunjuk ke arah selain sumbu, dan besarnya sendiri adalah 1 berdasarkan kesepakatan.
Menghitung Jarak vs. Menghitung Perpindahan
Apa pun yang bergerak dalam kaitannya dengan kerangka acuan tetap mencakup jarak. Seseorang mondar-mandir dengan kecepatan 2 m/s menunggu bus datang dan terus kembali ke tempat yang sama memiliki kecepatan 2 m/s tetapi kecepatan 0. Bagaimana ini mungkin?
Fisikawan menggunakan posisi awal dan akhir untuk menghitung perpindahan suatu objek, yang merupakan jalur terpendek dari posisi awalnya a ke posisi akhirnya b bahkan jika objek tidak mengambil jalur garis lurus langsung ini ke sampai di sana . Perpindahan secara matematis mengambil bentuk d = x f – x i , atau perpindahan horizontal sama dengan posisi akhir dikurangi posisi awal).
Mengapa Perbedaan Itu Penting
Jarak yang ditempuh diperlukan untuk menghitung kecepatan rata -rata (yaitu, total jarak selama periode waktu tertentu). Baik jarak maupun kecepatan adalah besaran skalar, jadi keduanya secara alami ditemukan bersama. Perpindahan diperlukan untuk mencari posisi akhir suatu benda; itu tidak hanya memberi tahu jarak dari posisi awal, tetapi juga arah perjalanan bersih.
Karena perpindahan adalah besaran vektor, bukan jarak, yang harus digunakan untuk mencari kecepatan rata-rata, besaran vektor lainnya. Kecepatan rata -rata adalah perpindahan total suatu benda selama periode waktu tertentu. Jika Anda bersepeda mengelilingi oval selama satu jam dan menempuh jarak 20 mil, kecepatan rata-rata Anda adalah 20 mil/jam, tetapi kecepatan rata-rata Anda adalah nol karena kurangnya perpindahan dari posisi awal Anda.
Pada catatan serupa, jika rambu-rambu jalan menyertakan variasi “BATAS KECEPATAN” daripada “BATAS KECEPATAN”, akan jauh lebih mudah untuk keluar dari tilang. Yang harus Anda lakukan adalah memastikan Anda menepi di tempat yang sama ketika petugas pertama kali melihat Anda, dan Anda dapat berargumen bahwa, selain jarak perjalanan Anda, perpindahan Anda jelas nol, menjadikan kecepatan Anda nol menurut definisi. (Oke, mungkin bukan ide yang bagus karena berbagai alasan!)
Jarak dan Perpindahan: Contoh
Pertimbangkan skenario berikut:
- Sebuah mobil melaju tiga blok ke utara dan empat blok ke timur. Total jarak yang ditempuh benda adalah 4 + 3 = 7 balok. Tetapi perpindahan total adalah jarak terpendek dari tempat mobil memulai dan mengakhiri perjalanannya, yang merupakan garis diagonal, sisi miring dari segitiga siku-siku dengan kaki 3 dan 4. Dari teorema Pythagoras, 3 2 + 4 2 = 25 , jadi panjang sisi miring adalah akar kuadrat dari nilai ini, yaitu 5. Titik vektor perpindahan dari posisi awal ke posisi akhir.
- Seseorang berjalan ke utara dari rumahnya 100 meter ke taman, dan kemudian kembali ke rumah sebelum melanjutkan 20 meter ke selatan untuk memeriksa surat. Jam tangan FitBit atau GPS akan menunjukkan total jarak berjalan 100 m + 100 m + 20 m = 220 m. Tetapi jika titik awal adalah rumah yang terletak di titik asal (titik 0, 0 pada bidang koordinat) dan posisi terakhir adalah kotak surat, yaitu di (0, −20), orang tersebut berakhir hanya sejauh 20 meter. dari tempat mereka mulai, membuat perpindahan total −20 m.
Tanda negatif penting karena kerangka acuan dipilih untuk menempatkan taman pada arah positif pada sumbu x. Itu bisa diatur sebaliknya, dalam hal ini perpindahan orang tersebut menjadi + 20 m, bukan −20 m.
- Seorang atlet berlari 10 km di lintasan standar 400 meter sebelum sarapan (25 putaran).
Berapa jarak total yang mereka tempuh? (10 kilometer.)
Berapa perpindahan totalnya ? (0 m, meskipun mengingatkan pelari tentang hal ini setelah lomba mungkin tidak bijaksana!)
Posisi, Waktu, dan Variabel Gerak Lainnya
Menentukan posisi objek di ruang angkasa adalah titik awal untuk masalah fisika yang tak terhitung jumlahnya. Sebagian besar, latihan awal dan menengah menggunakan sistem satu dimensi (x saja) atau dua dimensi (x dan y) untuk menjaga agar soal tidak terlalu sulit, tetapi prinsipnya juga meluas ke ruang tiga dimensi.
Sebuah partikel yang bergerak dalam ruang dua dimensi dapat diberi koordinat x dan y untuk posisinya, laju perubahan posisinya (kecepatan v ) dan laju perubahan kecepatannya (percepatan a ). Waktu, tentu saja, diberi label t .
Hukum Gerak Newton
Sebagian besar fisika klasik bergantung pada persamaan yang menggambarkan gerak yang diturunkan oleh ilmuwan besar dan matematikawan Isaac Newton. Hukum gerak Newton bagi fisika sama seperti DNA bagi genetika: Mereka memuat sebagian besar cerita dan penting untuknya.
Hukum I Newton menyatakan bahwa setiap benda akan tetap diam atau bergerak beraturan dalam garis lurus, kecuali ada gaya dari luar. Hukum kedua Newton mungkin yang paling tidak dikenal dari ketiganya oleh masyarakat umum karena tidak dapat dengan mudah direduksi menjadi frasa sederhana, dan sebaliknya menegaskan bahwa gaya total sama dengan produk massa dan percepatan :
F_{net}=ma
Hukum ketiga menyatakan bahwa setiap aksi (yaitu gaya) di alam memiliki reaksi yang sama dan berlawanan arah.
Posisi suatu benda pada kecepatan konstan diwakili oleh hubungan linier:
x=x_0+vt
di mana x 0 adalah perpindahan pada waktu t=0.
Pentingnya Frame Referensi
Ini lebih penting dalam fisika tingkat lanjut, tetapi penting untuk ditekankan bahwa ketika fisikawan menyatakan bahwa sesuatu sedang “bergerak”, yang mereka maksud adalah sehubungan dengan sistem koordinat atau kerangka acuan lain yang ditetapkan sehubungan dengan variabel dalam soal. Sebagai contoh, dapat dikatakan bahwa jika batas kecepatan sebuah jalan adalah 100 km/jam, ini menyiratkan bahwa Bumi itu sendiri, meskipun jelas tidak diam secara absolut, diperlakukan seperti itu dalam konteksnya.
Albert Einstein terkenal karena teori relativi
tasnya, dan ide relativitas khususnya adalah salah satu yang paling inovatif dalam sejarah pemikiran modern. Tanpa memasukkan kerangka referensi ke dalam karyanya, Einstein tidak akan mampu mengadaptasi persamaan Newton di awal abad ke-20 agar sesuai dengan partikel relativistik, yang berhubungan dengan kecepatan sangat tinggi dan massa rendah.
Dan Chen | Sains
