BAB 2 Fizik Tingkatan 4

BAB 2: DAYA DAN GERAKAN DISEDIAKAN OLEH: NUR HASHAFIQA ZAINAL

GERAKAN LINEAR Apakah perbezaan antara jarak dan sesaran? JARAK Kuantiti fizik yang merujuk kepada beberapa jauh sesuatu objek telah bergerak semasa pergerakannya. Kuantiti skalar

SESARAN Kuantiti fizik yang merujuk kepada pertukaran kedudukan sesuatu objek pada arah tertentu.

Jarak = 100 m

Sesaran = 60 m ke arah timur A

Kuantiti vector

Apakah perbezaan laju dan halaju? LAJU Kadar perubahan jarak terhadap masa Kuantiti skalar 𝑗𝑎𝑟𝑎𝑘, 𝑠 𝑙𝑎𝑗𝑢, 𝑣 = 𝑚𝑎𝑠𝑎, 𝑡

HALAJU Kadar perubahan sesaran terhadap masa Kuantiti vector 𝑠𝑒𝑠𝑎𝑟𝑎𝑛, 𝑠 ℎ𝑎𝑙𝑎𝑗𝑢, 𝑣 = 𝑚𝑎𝑠𝑎, 𝑡

Apakah yang dimaksudkan dengan pecutan dan nyahpecutan? Pecutan ditakrifkan sebagai kadar perubahan halaju terhadap masa. Sesuatu objek dikatakan memecut apabila halajunya bertambah, manakala apabila objek mengubah halajunya dengan bergerak semakin perlahan, objek tersebut dikatakan mengalami nyahpecutan(pecutan negative). 𝑝𝑒𝑐𝑢𝑡𝑎𝑛, 𝑎 =

𝑝𝑒𝑐𝑢𝑡𝑎𝑛, 𝑎 =

𝑝𝑒𝑟𝑢𝑏𝑎ℎ𝑎𝑛 ℎ𝑎𝑙𝑎𝑗𝑢 𝑚𝑎𝑠𝑎, 𝑡

(ℎ𝑎𝑙𝑎𝑗𝑢 𝑎𝑘ℎ𝑖𝑟, 𝑣) − (ℎ𝑎𝑙𝑎𝑗𝑢 𝑎𝑤𝑎𝑙, 𝑢) 𝑚𝑎𝑠𝑎, 𝑡

Suatu objek bergerak dengan pecutan sifar jika objek itu bergerak dengan halaju seragam.

Suatu objek bergerak dengan pecutan seragam jika halajunya bertambah pada kadar yang sama.

Halaju bertambah = pecutan Halaju berkurang = nyahpecutan Halaju sifar = objek tidak bergerak/pegun Pecutan sifar = halaju seragam Pecutan negative = nyahpecutan

Apakah jangka masa detik? Jangka masa detik adalah alat yang digunakan untuk mengkaji gerakan, ia berfungsi seperti jam dan dapat digunakan untuk menentukan sesaran, halaju dan pecutan objek. Kejituan bagi jangka masa detik adalah 0.02 saat (frekuensi 50 Hz).

Bagaimana menentukan halaju dan pecutan daripada pita detik? ℎ𝑎𝑙𝑎𝑗𝑢, 𝑣 =

𝑠 𝑥 = 𝑐𝑚𝑠 −1 𝑡 0.02 × 10

𝑝𝑒𝑐𝑢𝑡𝑎𝑛, 𝑎 = 𝑣=

𝑥2 0.02 × 10

𝑢=

𝑥1 0.02 × 10

𝑣−𝑢 𝑡

𝑡 = (5 − 1) × (0.02 × 10) = 0.8 𝑠

Corak pita detik dan corak carta pita detik CORAK PITA DETIK DAN CORAK CARTA PITA DETIK -

-

CIRI-CIRI Jarak antara dua titik adalah sama di sepanjang pita detik, maka objek bergerak dengan halaju seragam. Pita detik di atas adalah lebih perlahan daripada pita detik di bawah.

-

Jarak antara dua titik bertambah dengan seragam, maka objek mengalami pecutan seragam.

-

Jarak antara dua titik berkurang dengan seragam, maka objek mengalami nyahpecutan seragam.

Rajah menunjukkan carta pita detik bagi gerakan satu troli. Frekuensi jangka masa detik yang digunakan ialah 50 Hz. Setiap lajur terdiri daripada 10 detik. - Berapakah masa antara dua titik? - Berapakah masa bagi satu lajur? - Berapakah halaju awal? - Berapakah halaju akhir? - Berapakah selang masa antara halaju awal ke halaju akhir? - Berapakah pecutan troli itu?

Pemilihan formula bergantung kepada maklumat kuantiti-kuantiti fizik yang diberikan 𝑣 = 𝑢 + 𝑎𝑡 𝑣 2 = 𝑢2 + 2𝑎𝑠 1 𝑠 = 𝑢𝑡 + 𝑎𝑡 2 2 1 𝑠 = (𝑢 + 𝑣)𝑡 2 Contoh soalan: Seorang pelajar mengayuh basikal dari keadaan rehat dan mencapai halaju 8 ms-1 setelah mengayuh selama 5 s. Berapakah pecutan yang akan dihasilkan? Sebuah kereta bergerak dengan halaju 20 ms-1 dan mencapai halaju 30 ms-1 setelah bergerak selama 10 saat. Berapakah jumlah sesaran kereta itu? Seketul batu dijatuhkan dari sebuah puncak bangunan mengambil masa 4 saat untuk terkena tanah. Berapakah halaju batu sejurus sebelum terkena tanah? Berapakah tinggi bangunan tersebut? Sebuah lori yang sedang bergerak dengan halaju 20 ms-1 dengan tiba-tiba dikenakan brek dan akhirnya berhenti setelah bergerak sejauh 40 m. Masa yang diambil untuk berhenti adalah Sebuah kereta dengan kelajuan 50 ms-1 diberhentikan apabila breknya ditekan. Sesaran yang dilalui sebelum berhenti ialah 150 m. Berapakah nyahpecutan kereta itu? Seorang pelajar berjalan daripada keadaan pegun dan mencapai halaju 10 ms-1 dalam masa 7.5 s. Berapakah jarak yang dilalui oleh pelajar dalam masa 7.5 s? Sebuah kereta yang bergerak dengan halaju awal 3 ms-1 memecut dengan seragam sejauh 50 m dalam masa 10 s. Berapakah pecutan kereta itu? Suatu objek bergerak daripada keadaan pegun dengan pecutan 4 ms-2 sejauh 500 m. Berapakah masa yang diambil oleh objek itu untuk bergerak sejauh 500 m? Seorang pemandu menekan brek keretanya dan berhenti dalam masa 10 s apabila ternampak lampu merah. Jika nyahpecutan kereta itu ialah 3 ms-2, berapakah jarak yang dilalui oleh kereta apabila brek kereta ditekan? Sebuah kereta memecut daripada keadaan rehat dengan pecutan 2.5 ms-2 selama 10 s. Pemandu kereta itu kemudiannya menekan pedal brek dengan daya yang seragam. Kereta itu berhenti setelah bergerak sejauh 50 m selepas brek mula ditekan. Hitungkan nyahpecutan kereta itu selepas brek ditekan.

SOALAN KERTAS 1 1.

Sebuah kereta yang bergerak pada 20 ms-1 mula diperlahankan pada 4 ms-2 apabila ia tiba ke suatu simpang. Jarak yang dilalui oleh kereta itu sebelum berhenti ialah a) 2.5 m b) 25 m c) 50 m d) 100 m

2.

Hisham berjalan sejauh 8 m pada arah U45oT dan diteruskan dengan 6 m pada arah S45oT. jika masa yang diambil ialah 10 s, berapakah halajunya? a) 0.70 ms-1 b) 0.75 ms-1 c) 1.0 ms-1 d) 1.4 ms-1

3.

Satu objek dengan halaju 1 ms-1 memecut dengan pecutan 1 ms-2. Berapakah halaju objek selepas bergerak 1 m? a) 1.4 ms-1 b) 1.7 ms-1 c) 2.0 ms-1 d) 3.0 ms-1

4.

Ali berjalan sejauh 20 m ke kanan dalam masa 20 s manakala Farid ke kiri sejauh 60 m dalam masa 40 s. Apakah halaju Ali dan Farid? ALI FARID a) + 1.0 ms-1 + 1.5 ms-1 b) + 1.0 ms-1 - 1.5 ms-1 -1 c) - 1.0 ms - 1.0 ms-1 d) + 1.5 ms-1 - 1.0 ms-1

5.

Chang berjalan mengikut satu balapan bulat berukuran 200 m, bermula dari satu kedudukan P. Apakah sesaran Chang yang paling jauh dari kedudukan P? a) 32 m b) 64 m c) 100 m d) 200 m

GRAF GERAKAN LINEAR Apakah yang dapat ditafsirkan daripada graf sesaran-masa? Graf sesaran-masa ialah graf yang menunjukkan bagaimana sesaran sesuatu objek berubah dengan masa. Kecerunan graf pada sesuatu masa memberi nilai halaju objek itu pada masa itu.

Objek bergerak dengan halaju seragam

Objek bergerak dengan halaju tidak seragam (halaju bertambah)

Objek bergerak dengan halaju tidak seragam (halaju berkurang)

Objek berada dalam keadaan rehat

Apakah yang dapat ditafsirkan daripada graf halaju-masa? Graf halaju-masa ialah graf yang menunjukkan bagaimana halaju sesuatu objek berubah dengan masa. Dari suatu graf halaju-masa, pecutan dan sesaran sesuatu objek dapat ditentukan. Nilai pecutan dapat ditentukan dari kecerunan graf manakala sesaran dari luas di bawah graf.

Pecutan, 𝑎 =

𝑣−𝑢 𝑡 1

Sesaran, 𝑠 = (𝑢 + 𝑣)𝑡 2

Objek bergerak (pecutan sifar)

dengan

halaju

seragam

Objek bergerak dengan pecutan tidak seragam (pecutan bertambah)

Objek bergerak dengan pecutan seragam

Objek bergerak dengan pecutan tidak seragam (pecutan berkurang)

Objek bergerak dengan nyahpecutan seragam

Objek bergerak dengan nyahpecutan tidak seragam (nyahpecutan berkurang)

INERSIA Apakah maksud inersia? Inersia sesuatu objek ialah kecenderungan semulajadi sesuatu objek itu untuk menentang sebarang perubahan terhadap keadaan asalnya sama ada sedang bergerak atau dalam keadaan pegun.

Apakah Hukum Gerakan Newton Pertama? Hukum Gerakan Newton Pertama menyatakan bahawa sesuatu objek yang pegun akan terus berada dalam keadaan pegun dan sesuatu objek yang bergerak akan terus bergerak dengan halaju tetap dalam satu garis lurus kecuali ditindakkan oleh satu daya luar.

Apakah hubungkait jisim dengan inersia? Semakin besar jisim sesuatu objek, semakin besar inersianya. Sebagai contoh, lebih mudah untuk menggerakkan dan memberhentikan sebuah kereta daripada sebuah lori.

Contoh situasi yang melibatkan inersia:

Apabila kadbod disentap, duit syiling tidak bergerak bersama-sama kadbod. Inersia duit syiling itu mengekalkan kedudukan asalnya menyebabkan duit syiling jatuh ke dalam gelas disebabkan oleh daya tarikan gravity.

Salah satu buku ditarik dengan cepat daripada susunan. Buku-buku lain di bahagian atas tidak bergerak bersama-sama buku itu. Buku-buku di atasnya jatuh ke bawah disebabkan oleh daya tarikan gravity.

Cili sos di dalam satu botol mudah dikeluarkan dengan menggerakkan botol ke bawah dengan cepat dan diberhentikan secara mengejut. Sos cili di dalam botol bergerak bersama-sama botol ke bawah, apabila botol diberhentikan secara mengejut, sos cili terus berada dalam keadaan gerakan ke bawah disebabkan oleh sifat inersianya.

Titisan air di atas paying akan bergerak bersama paying apabila paying diputarkan. Apabila putaran paying diberhentikan secara mengejut, titisan air akan terus bergerak disebabkan sifat inersianya. Titisan air akan meninggalkan permukaan paying.

Budak lelaki melarikan diri daripada seekor lembu dengan gerakan zig zag. Inersia lembu yang besar menyebabkan sukar mengubah gerakan semasa mengejar budak tersebut. Inersia lembu lebih besar kerana jisimnya yang besar.

Untuk mengetatkan kepala penukul kepada pemegangnya, pemegang dihentak kepada permukaan keras. Apabila pemegang menghentam permukaan keras, ia akan berhenti manakala kepala penukul terus bergerak ke bawah disebabkan inersianya. Dengan ini, hujung pemegang atas akan masuk lebih dalam pada kepala penukul.

Cara-cara untuk mengurangkan kesan negatif inersia: 1.

2.

3. 4.

Apabila sebuah kereta memecut dari keadaan pegun, penumpang yang pada permulaannya dalam keadaan pegun akan bergerak kea rah belakang secara tiba-tiba. Untuk mengurangkan kesan negatif gerakan ke belakang terhadap badan manusia, tempat duduk di dalam kereta direka supaya mempunyai kusyen yang lembut dan empuk. Apabila sebuah kereta dipaksa berhenti secara tiba-tiba, inersia penumpang akan menyebabkan mereka untuk terus bergerak ke hadapan dan mereka boleh terhumban ke cermin hadapan. Untuk mengelakkan keadaan ini dari berlaku, kita mestilah memakai tali pinggang keledar apabila menaiki sebuah kereta. Apabila kereta dengan system beg udara terlibat dalam kemalangan, beg udara di bahagian stereng akan dikembungkan secara automatik. Dengan itu, pemandu dapat dicegah daripada terhumban ke hadapan. Barang yang diangkut menggunakan lori hendaklah diikat. Ikatan tali dapat menghalang barangan bergerak-gerak sepanjang perjalanan.

MOMENTUM Apakah yang dimaksudkan dengan momentum suatu objek? Momentum ialah hasil darab jisim suatu objek dan halajunya. Objek dalam gerakan dikatakan mempunyai momentum. Momentum merupakan satu unit vektor di mana arahnya adalah sama dengan arah halaju objek. 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑢𝑚, 𝑝 = 𝑚𝑣

Apakah Prinsip Keabadian Momentum? Keabadian momentum ialah prinsip asas fizik yang menyatakan bahawa momentum sesuatu sistem adalah malar sekiranya tiada daya luar yang bertindak ke atas sistem itu. Apabila perlanggaran berlaku antara dua objek dalam satu sistem tertutup di mana tiada daya luar yang bertindak ke atas sistem itu, jumlah momentum dua objek itu sebelum perlanggaran adalah sama dengan jumlah momentum dua objek itu selepas perlanggaran. 𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑢𝑚 𝑠𝑒𝑏𝑒𝑙𝑢𝑚 𝑝𝑒𝑟𝑙𝑎𝑛𝑔𝑔𝑎𝑟𝑎𝑛 = 𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑢𝑚 𝑠𝑒𝑙𝑒𝑝𝑎𝑠 𝑝𝑒𝑟𝑙𝑎𝑛𝑔𝑔𝑎𝑟𝑎𝑛

Aplikasi Prinsip Keabadian Momentum: Dalam pelancaran roket dan pesawat jet, gas panas dihasilkan daripada pembakaran bahan api dan kemudian dilepaskan pada kelajuan yang tinggi. Gas yang mempunyai momentum yang sangat tinggi ini menghasilkan satu momentum yang sama magnitud ke belakang. Momentum ini menggerakkan roket ke atas dan pesawat jet ke hadapan.

Jenis-jenis perlanggaran: 1.

Perlanggaran kenyal

Dalam perlanggaran kenyal, kedua-dua objek bergerak dengan halaju yang berbeza selepas perlanggaran. Momentum diabadikan: 𝑚1 𝑢1 + 𝑚2 𝑢2 = 𝑚1 𝑣1 + 𝑚2 𝑣2 Tenaga kinetik diabadikan. Jumlah tenaga diabadikan.

2.

Perlanggaran tak kenyal

Dalam perlanggaran tak kenyal, kedua-dua objek bergerak bersama-sama dengan halaju sepunya selepas perlanggaran. Momentum diabadikan: 𝑚1 𝑢1 + 𝑚2 𝑢2 = (𝑚1 + 𝑚2 )𝑣 Tenaga kinetik tidak diabadikan. Jumlah tenaga diabadikan.

3. Letupan

Dalam kes letupan, kedua-dua objek bercantum dan pegun sebelum letupan dan bergerak bertentangan arah selepas letupan. Momentum diabadikan: 𝑚1 𝑣1 = 𝑚2 𝑣2

Contoh soalan: Seetharamu mempunyai jisim 60 𝑘𝑔. Dia memakai sepasang kasut roda dalam keadaan pegun dan memegang sebuah beg yang berjisim 5 𝑘𝑔. Apabila dia melontar beg itu ke hadapan dengan halaju 4 𝑚𝑠 −1 , tentukan halaju Seetharamu selepas melontar beg. Suatu objek A berjisim 1 𝑘𝑔 dengan halaju 4 𝑚𝑠 −1 dan objek B berjisim 2 𝑘𝑔 dengan halaju 2 𝑚𝑠 −1 menuju antara satu sama lain. Jika objek A bergerak dengan halaju 1.5 𝑚𝑠 −1 selepas perlanggaran pada arah bertentangan dengan arah asal, berapakah halaju objek B? Sebuah troli berjisim 1 𝑘𝑔 bergerak dengan halaju 3 𝑚𝑠 −1 menuju ke arah sebuah troli berjisim sama yang pegun. Selepas perlanggaran, kedua-dua troli bergerak bersama-sama. Berapakah halaju sepunya kedua-dua troli itu?

Sebiji bola berjisim 3 𝑘𝑔 yang bergerak dengan halaju 2 𝑚𝑠 −1 berlanggar dengan objek berjisim 𝑚 𝑘𝑔 yang pegun. Selepas perlanggaran, bola bergerak dengan halaju 1 𝑚𝑠 −1 pada arah yang sama manakala objek bergerak dengan halaju 1.5 𝑚𝑠 −1 pada arah yang sama dengan arah bola. Berapakah nilai 𝑚? Sebutir peluru berjisim 2 𝑔 ditembak keluar daripada selaras senapang yang berjisim 1 𝑘𝑔 dengan halaju 150 𝑚𝑠 −1 . Berapakah halaju sentakan senapang itu? Sebatang anak panah berjisim 150 𝑔 ditembak kea rah seketul bongkah kayu berjisim 450 𝑔 yang di atas suatu permukaan yang licin. Ketika perlanggaran anak panah itu bergerak secara mengufuk dengan halaju 15 𝑚𝑠 −1 . Hitungkan halaju sepunya selepas perlanggaran. Sepucuk pistol berjisim 1.4 𝑘𝑔 menembak keluar sebutir peluru berjisim 1.6 𝑔. Jika pistol tersentak ke belakang dengan halaju 0.2 𝑚𝑠 −1 , berapakah halaju peluru itu? Sebuah troli A berjisim 400 𝑔 yang bergerak dengan halaju 2 𝑚𝑠 −1 berlanggar dengan sebuah troli B berjisim 500 𝑔 yang bergerak bertentangan arah dengan halaju 2.5 𝑚𝑠 −1 . Jika troli B bergerak dengan halaju 1.5 𝑚𝑠 −1 pada arah yang sama selepas perlanggaran, berapakah halaju troli S selepas perlanggaran? Sebutir peluru yang berjisim 20 𝑔 ditembak ke sebuah blok kayu pegun yang berjisim 1.8 𝑘𝑔 yang digantung bebas dalam udara. Peluru itu terpendam dalam blok kayu selepas ia berlanggar dengan blok kayu itu. Jika halaju peluru sebelum melanggar blok kayu ialah 600 𝑚𝑠 −1 , hitung halaju blok kayu itu selepas peluru itu terpendam dalamnya.

KESAN DAYA Daya ditakrifkan sebagai sesuatu yang dapat mengubah keadaan pegun atau keadaan gerakan dengan halaju seragam suatu objek. Apabila suatu daya dikenakan ke atas suatu objek, ia boleh mengubah bentuk, saiz, gerakan objek dan kedudukan objek.

Apakah yang dimaksudkan dengan daya seimbang? Daya seimbang wujud apabila daya paduan yang bertindak ke atas objek itu adalah sifar. Sebagai kesan, suatu objek akan sentiasa pegun (halaju sifar) atau akan terus bergerak dengan halaju seragam (pecutan sifar).

Apakah yang dimaksudkan dengan daya tak seimbang? Daya tak seimbang wujud apabila daya-daya yang bertindak pada suatu objek menghasilkan daya paduan bukan sifar. Kesan daya tidak seimbang menyebabkan suatu objek yang asalnya pegun akan bergerak dengan suatu peccutan atau suatu objek yang asalnya bergerak dengan halaju seragam akan mengalami pecutan/nyahpecutan atau berubah arah gerakan.

Apakah hubungkait antara daya, jisim dan pecutan? Berdasarkan Hukum Newton Kedua, pecutan suatu objek akan berkadar langsung dengan daya bersih yang bertindak ke atas objek itu dan berkadar songsang dengan jisim objek itu. 𝐹 ∞ 𝑚𝑎 𝐹 = 𝑘𝑚𝑎 Daya 1 𝑁 ditakrifkan sebagai daya yang menghasilkan pecutan 1 𝑚𝑠 −2 apabila daya itu bertindak ke atas suatu objek berjisim 1 𝑘𝑔. Maka, 𝑘 = 1 𝐹 = 𝑚𝑎

IMPULS DAN DAYA IMPULS Apakah yang dimaksudkan dengan impuls? Impuls ditakrifkan sebagai perubahan momentum atau hasil darab daya dan masa. Daripada Hukum Gerakan Newton Kedua, 𝐹 = 𝑚𝑎 𝐹 = 𝑚(

𝑣−𝑢 ) 𝑡

𝐹𝑡 = 𝑚𝑣 − 𝑚𝑢

Apakah yang dimaksudkan dengan daya impuls? Daya impuls ditakrifkan sebagai kadar perubahan momentum dalam suatu perlanggaran atau letupan. Daripada Hukum Gerakan Newton Kedua, 𝐹 = 𝑚𝑎 𝐹 = 𝑚( 𝐹=

𝑣−𝑢 ) 𝑡

𝑚𝑣 − 𝑚𝑢 𝑡

Dalam suatu kemalangan kereta, satu daya yang besar boleh menyebabkan kerosakan yang serius kepada kereta dan penumpang yang terlibat. Daya ini dihasilkan akibat perubahan momentum dalam masa yang singkat.