11.3 - Pecutan Graviti dan Jatuh Bebas

Pecutan Graviti

• Daya graviti menarik objek ke arah pusat Bumi.
• Pecutan graviti, $g$ ialah pecutan suatu objek yang disebabkan oleh daya graviti.
• Berhampiran permukaan Bumi, $g=10{\text{m s}}^{-2}$, ke arah pusat Bumi.
• Jika rintangan udara diabaikan, halaju objek yang jatuh bertambah $10{\text{m s}}^{-1}$ setiap saat.
• Objek yang bergerak ke atas menjadi perlahan kerana pecutan graviti bertindak ke bawah.

Eksperimen 11.1: Menentukan Nilai Pecutan Graviti

Tujuan: Menentukan nilai pecutan graviti, $g$, menggunakan jangka masa detik.

Pernyataan masalah: Berapakah nilai pecutan graviti, $g$?

Hipotesis: Nilai pecutan graviti, $g$, ialah $10{\text{m s}}^{-2}$.

Pemboleh ubah:

• Dimanipulasikan: jisim pemberat.
• Bergerak balas: nilai pecutan graviti, $g$.
• Dimalarkan: ketinggian pemberat dilepaskan.

Bahan dan radas: pita detik, pita selofan, jangka masa detik, pemberat, pengapit-G, bekalan kuasa a.u. $12\text{V}$, bangku, ‘soft board’, kaki retort dan pengapit.

1. Apit jangka masa detik secara menegak pada kaki retort di atas bangku; letakkan ‘soft board’ di bawah tempat pemberat jatuh.
2. Pasangkan pita detik sepanjang $1\text{m}$ melalui jangka masa detik dan lekatkan pemberat berjisim $50\text{g}$ pada hujungnya.
3. Hidupkan jangka masa detik dan lepaskan pemberat.
4. Daripada pita detik, hitung $u=\frac{x_1}{0.02\text{s}}$ dan $v=\frac{x_2}{0.02\text{s}}$ bagi dua sela yang dipilih dan dipisahkan oleh lima detik.
5. Gunakan $t=5(0.02)=0.10\text{s}$ dan hitung $g=\frac{v-u}{t}$; tukarkan nilai daripada ${\text{cm s}}^{-2}$ kepada ${\text{m s}}^{-2}$.
6. Ulang menggunakan pemberat berjisim $100\text{g}$, $150\text{g}$, $200\text{g}$ dan $250\text{g}$.

Kesimpulan: Berhampiran permukaan Bumi, $g=10{\text{m s}}^{-2}$ dan nilainya sama bagi jisim yang berlainan.

Jatuh Bebas dan Graf Gerakannya

• Jatuh bebas ialah gerakan suatu jasad yang dipengaruhi oleh daya graviti sahaja.
• Tiada daya lain, termasuk rintangan udara, bertindak terhadap objek yang jatuh bebas.
• Objek berlainan jisim jatuh dengan pecutan graviti yang sama dalam vakum.
• Objek yang dilepaskan serentak dari ketinggian sama dalam vakum tiba di dasar pada masa yang sama.
• Dalam udara, objek mengalami keadaan bukan jatuh bebas kerana rintangan udara menentang gerakannya.
• Saiz dan bentuk mempengaruhi rintangan udara; bulu pelepah atau cebisan kertas jatuh lebih perlahan daripada objek padat dalam udara.

Bagi objek yang dilepaskan dari keadaan rehat:

• Halaju awal, $u=0{\text{m s}}^{-1}$.
• Graf halaju-masa ialah garis lurus berkecerunan positif dan seragam apabila arah ke bawah ditetapkan positif; kecerunan = $g$.
• Graf sesaran-masa semakin curam kerana halaju objek bertambah.

Bagi objek yang dilontar menegak ke atas:

• Halaju berkurang secara seragam semasa naik dan menjadi sifar seketika pada ketinggian maksimum.
• Graf halaju-masa mempunyai kecerunan negatif dan seragam.
• Graf sesaran-masa semakin kurang curam dan mencapai kecerunan sifar pada sesaran maksimum.

Eksperimen 11.2: Jatuh Bebas dan Bukan Jatuh Bebas

Tujuan: Mengkaji masa yang diambil oleh objek jatuh bebas dan bukan jatuh bebas.

Pernyataan masalah: Adakah masa yang diambil oleh objek jatuh bebas sama dengan masa yang diambil oleh objek bukan jatuh bebas untuk sampai ke permukaan Bumi?

Hipotesis: Objek jatuh bebas mengambil masa lebih singkat untuk sampai ke permukaan berbanding objek bukan jatuh bebas.

Pemboleh ubah:

• Dimanipulasikan: kehadiran udara.
• Bergerak balas: masa yang diambil untuk objek jatuh ke atas penutup getah.
• Dimalarkan: ketinggian objek.

Bahan dan radas: cebisan kertas, tiub silinder lut sinar, penutup getah dan pam vakum.

1. Susun radas dan masukkan cebisan kertas ke dalam tiub silinder lut sinar.
2. Tutup hujung terbuka dengan penutup getah dan sambungkan tiub kepada pam vakum.
3. Terbalikkan tiub dengan pantas dan catat masa kertas sampai ke penutup getah apabila udara hadir.
4. Pam keluar udara dan ulang jatuhan dari ketinggian yang sama.

Pemerhatian: kertas jatuh lebih cepat dalam vakum berbanding dalam udara.

Kesimpulan: rintangan udara menyebabkan objek bukan jatuh bebas mengambil masa lebih lama; dalam vakum, daya graviti sahaja bertindak.

• Galileo Galilei melepaskan dua peluru bulat yang berlainan jisim secara serentak dari Menara Condong Pisa dan mendapati kedua-duanya mengambil masa yang hampir sama untuk jatuh ke tanah.

Aktiviti 11.5: Projek STEM Payung Terjun

• Masalah: bekalan makanan dan ubat-ubatan yang dijatuhkan semasa banjir besar boleh rosak kerana mencecah permukaan Bumi pada halaju tinggi.
• Prinsip: payung terjun meningkatkan rintangan udara dan mengurangkan halaju beban yang jatuh.
• Reka bentuk dan bina payung terjun dengan mengkaji saiz kanopi, bahan kanopi, panjang tali atau bilangan tali.
• Kekalkan faktor lain dan bentangkan reka bentuk yang dihasilkan.