Daya dan Gerakan

Bab ini bertanya tentang perbezaan antara jarak dengan sesaran, cara menentukan laju, dan mengapa kita terhumban ke hadapan apabila kenderaan berhenti secara tiba-tiba m/s 225. ETS dari Kuala Lumpur boleh tiba di Padang Besar dalam 4 jam 15 minit berbanding dengan 12 jam menggunakan kereta api diesel, dengan kelajuan sekitar 160 km j⁻¹ m/s 225.

11.1 Gerakan Linear

Gerakan linear ialah gerakan suatu objek dalam lintasan yang lurus m/s 226. Jarak ialah jumlah panjang lintasan gerakan suatu objek, manakala sesaran ialah jarak lintasan terpendek yang menyambungkan dua lokasi dalam satu arah tertentu m/s 226. Contohnya, 80 m + 80 m memberikan jarak 160 m, tetapi sesarannya ialah 113.14 m arah barat laut m/s 226. Unit S.I. bagi jarak dan sesaran ialah meter (m) m/s 226.

Laju ialah kadar perubahan jarak, dan laju purata ialah jumlah jarak yang dilalui dibahagi dengan jumlah masa; kedua-duanya diukur dalam meter per saat (m s⁻¹) m/s 228. Pelari yang melalui 100 m dalam 10 s mempunyai laju purata 10 m s⁻¹ m/s 228. Halaju ialah kadar perubahan sesaran, diukur dalam m s⁻¹, dan tanda positif atau negatifnya menunjukkan arah gerakan m/s 229. Pecutan ialah kadar perubahan halaju, a = (v − u) / t, dan unit S.I. pecutan ialah meter per saat per saat (m s⁻²) m/s 230. Basikal yang bergerak dari keadaan pegun hingga 4 m s⁻¹ dalam 5 s mempunyai pecutan 0.8 m s⁻², dan apabila brek ditekan halajunya berkurang, iaitu nyahpecutan m/s 230. Usain Bolt yang berlari dari keadaan pegun dan mencecah 10.44 m s⁻¹ di garisan penamat 100 m dalam 9.58 s mempunyai pecutan 1.09 m s⁻² m/s 231.

Getfoto mengukur gerakan yang sangat laju atau jangka masa pendek dengan tepat m/s 232. Jangka masa detik bergetar 50 getaran sesaat (50 Hz), dan satu detik, iaitu sela masa di antara dua titik berturutan, mewakili 0.02 saat m/s 232. Pita detik 5 detik yang panjangnya 10 cm mengambil masa 0.1 s, jadi halajunya ialah 100 cm s⁻¹ m/s 232. Dalam Aktiviti 11.2, pita detik dipotong kepada 5 jalur 10 detik, dan setiap jalur mengambil masa 0.2 s m/s 233. Jarak antara titik yang seragam menunjukkan halaju seragam, jarak yang bertambah secara seragam menunjukkan pecutan seragam, jarak yang berkurang secara seragam menunjukkan nyahpecutan seragam, dan jarak yang tidak seragam menunjukkan halaju tidak seragam m/s 234.

11.2 Graf Gerakan Linear

Dua jenis graf gerakan linear ialah graf sesaran-masa dan graf halaju-masa m/s 235. Pada graf sesaran-masa, kecerunan positif dan seragam bermaksud halaju seragam, kecerunan sifar bermaksud objek dalam keadaan rehat, dan kecerunan negatif bermaksud objek bergerak dalam arah yang bertentangan m/s 235. Pada graf halaju-masa, kecerunan positif dan seragam bermaksud pecutan seragam, kecerunan sifar bermaksud halaju malar, dan kecerunan negatif bermaksud nyahpecutan seragam m/s 236. Halaju ialah kecerunan graf sesaran-masa m/s 237. Sesaran ialah luas di bawah graf halaju-masa, dan pecutan ialah kecerunannya m/s 238.

11.3 Pecutan Graviti dan Jatuh Bebas

Semua objek ditarik ke arah pusat Bumi oleh daya graviti Bumi, dan objek yang jatuh mengalami pecutan graviti yang bersimbol g m/s 239. Dalam Eksperimen 11.1, jangka masa detik dan pemberat berjisim 50 g digunakan untuk menentukan g, dan langkah itu diulangi dengan pemberat yang lebih berat m/s 240. Nilai pecutan graviti, g, di permukaan Bumi ialah 10 m s⁻² m/s 241. Suatu objek mengalami jatuh bebas apabila jatuh di bawah tindakan daya graviti sahaja, dan objek yang jatuh bebas mempunyai pecutan graviti yang sama tanpa mengira jisim dan bentuknya m/s 241. Jatuh bebas sebenarnya hanya berlaku dalam keadaan vakum, dan di dalam kebuk vakum sehelai bulu ayam dan bola tenis yang dijatuhkan dari ketinggian yang sama mendarat pada masa yang sama m/s 241.

Apabila objek jatuh bebas dilepaskan, halajunya bertambah dengan seragam, dan kecerunan graf halaju-masanya ialah pecutan graviti m/s 242. Objek yang dilontarkan menegak ke atas semakin perlahan, jadi kecerunan graf halaju-masanya negatif, dan pada ketinggian maksimum halajunya sifar m/s 243. Dalam Eksperimen 11.2, cebisan kertas dijatuhkan di dalam tiub silinder dengan dan tanpa udara menggunakan pam vakum m/s 244. Galileo Galilei melepaskan dua peluru bulat yang berlainan jisim dari Menara Condong Pisa pada sekitar tahun 1589 hingga 1592 dan mendapati masa yang diambil untuk jatuh ke tanah hampir sama m/s 244.

11.4 Jisim dan Inersia

Jisim ialah kuantiti jirim yang terkandung di dalam suatu objek, unit S.I.nya ialah kilogram (kg), dan nilainya tetap jika kuantiti jirim tidak berubah m/s 246. Inersia ialah sifat semula jadi sesuatu objek yang cenderung menentang sebarang perubahan keadaan asalnya, sama ada pegun atau bergerak; inersia bukan kuantiti fizik, maka tiada nilai dan tiada unit m/s 246. Apabila kadbod disentap dengan laju dari bawah duit syiling, inersia duit syiling mengekalkannya dalam keadaan pegun dan ia jatuh ke dalam gelas m/s 246. Hukum Gerakan Newton Pertama menyatakan bahawa objek akan kekal pegun atau bergerak dengan laju malar dalam garis lurus jika tiada daya luar yang bertindak terhadapnya m/s 246. Apabila kereta api berhenti secara tiba-tiba, inersia penumpang mengekalkan badannya bergerak ke hadapan m/s 246.

Semakin besar jisim sesuatu objek, semakin besar inersia objek tersebut m/s 247. Neraca inersia, yang dicipta oleh NASA untuk menentukan jisim objek di stesen angkasa lepas, digunakan dalam Eksperimen 11.3 dengan plastisin 30 g hingga 70 g pada bilah gergaji m/s 248. Kepala tukul yang longgar boleh diketatkan dengan menghentakkan pemegangnya pada permukaan keras, dan payung yang basah dapat dikeringkan dengan memutarkannya lalu berhenti m/s 249. Kereta dilengkapi dengan beg udara, penyandar kepala dan tali pinggang keselamatan untuk mengurangkan kesan inersia, dan landasan yang panjang diperlukan kerana kapal terbang yang berjisim besar tidak dapat berhenti dalam jarak yang pendek m/s 249.