FIZIK TINGKATAN 4 Bab 2 Daya dan Gerakan Disunting oleh Cikgu Desikan SMK Changkat Beruas, Perak Cikgu Khairul Anuar Dengan kolaborasi bersama SMK Seri Mahkota, Kuantan
FIZIK TINGKATAN 4 2016 Bab 2 Daya dan Gerakan Pelajar-pelajar yang dikasihi, Dua proses yang asas dalam pendidikan adalah mengetahui dan menghargai. 1. Menganalisis gerakan linear 2. Menganalisis graf gerakan 3. Memahami inersia 4. Menganalisis momentum 5. Memahami kesan daya 6. Menganalisis impuls dan daya impuls 7. Menyedari kepentingan ciri-ciri keselamatan kenderaan Objektif Pembelajaran : 8. Memahami daya graviti 9. Menganalisis keseimbangan daya 10. Memahami kerja, tenaga,kuasa dan kecekapan 11. Menghargai kepentingan memaksima kan kecekapan alat 12. Memahami kekenyalan. Analisis Soalan-soalan Tahun Lepas P2 P3 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 P1 8 7 8 9 9 8 7 9 A 1 1 1 1 1 1 2 1 B 1 1 - - - C 1 1-1 A 1 1 - - 1 B 1 1 1 - -
Bab 2 Daya dan Gerakan Peta Konsep Kinematik Gerakan Linear Daya & Gerakan Pelajar-pelajar yang dikasihi, Yang penting bukan kad yang anda miliki tetapi bagaimana anda bermain dengannya!!! Dinamik Inersia Kesan Daya Momentum Linear Jarak Laju Sesaran Halaju Pecutan/Nyahpecutan Jisim Hukum Gerakan Newton Pertama Hukum Gerakan Newton Kedua F=ma Pelanggaran Kenyal/ Tak Kenyal Letupan Prinsip Keabadian momentum Graf Persamaan Gerakan Linear Prinsip Paduan Daya Prinsip Leraian Daya Kerja Hukum Gerakan Newton Ketiga Kuasa Tenaga
2.1 Gerakan Linear Kuantiti Fizik 4 Jarak Jumlah panjang lintasan yang dilalui oleh suatu jasad dari satu titik ke titik yang lain. Laju kadar perubahan jarak terhadap masa. Laju Purata Sesaran Jarak suatu jasad bergerak dari kedudukan asal ke kedudukan akhir pada arah tertentu. Halaju kadar perubahan sesaran terhadap masa Halaju Purata Laju seragam laju yang mempunyai magnitud yang sama di sepanjang lintasan Halaju seragam halaju yang mempunyai magnitud dan arah gerakan yang sama. Pecutan kadar perubahan halaju terhadap masa
40 ms -1 40 ms -1 30 ms -1 Laju seragam Halaju seragam 20 ms -1 30 ms -1 Laju seragam Halaju seragam 20 ms -1 10 ms -1 10 ms -1 Malar = Halaju sifar = Halaju negatif = Pecutan sifar = Pecutan positif = Pecutan negatif = 5
Suatu objek mempunyai halaju seragam jika : Arah gerakan adalah sama atau gerakan linear + Suatu objek mempunyai laju seragam jika : Magnitud lajunya kekal sama tanpa mengambil kira arahnya 10 ms -1 Magnitud halajunya adalah kekal sama 10 ms -1 10 ms -1 Laju seragam Halaju seragam 10 ms -1 10 ms -1 Laju seragam Halaju seragam 10 ms -1 10 ms -1 10 ms -1 6
Contoh 1 Sebuah kapal terbang terbang ke arah utara dengan halaju 300 km/jam selama satu jam. Kemudian, kapal terbang itu terbang ke arah timur dengan halaju 400 km/jam selama satu jam. a) Apakah kelajuan purata kapal terbang itu? b) Apakah halaju purata kapal terbang itu? Contoh 2 Meter kelajuan bagi sebuah kereta yang dalam perjalanan ke utara menunjukkan bacaan 70 km/jam. Satu lagi kereta bergerak pada kelajuan 70 km/jam ke arah selatan. Adalah kelajuan kedua-dua kereta sama? Adakah halaju kedua-dua kereta sama? 7
Jangka masa detik Halaju Menggunakan bekalan kuasa a.u. 12 V 1 detik = Masa yang diambil untuk menghasilkan 50 detik pada pita detik adalah 1 saat. Maka, selang masa antara 2 titik yang berturutan adalah 1/50 = 0.02 s. 1 detik = 0.02 s Bil. detik = Bil. titik - 1 Masa, t = = Sesaran, s = s t Halaju = = 11 titik x cm 11 titik Pecutan Arah gerakan Elapse time, t Halaju awal, u = x 1 cm x 2 cm Halaju akhir, v = Pecutan = 8
Persamaan Gerakan Linear u = halaju awal v = halaju akhir t = masa yang diambil s = sesaran a = pecutan malar 9
Latihan 2.1 1. Rajah menunjukkan carta pita detik bagi sebuah troli yang bergerak. Frekuensi jangka masa detik yang digunakan ialah 50 Hz. Setiap bahagian mempunyai 11 titik. a) Apakah masa antara dua titik? b) Apakah masa yang diambil untuk satu jalur pita detik? c) Apakah halaju awal? d) Apakah halaju akhir? e) Apakah selang masa untuk berubah dari halaju awal kepada halaju akhir? f) Apakah pecutan troli tersebut? Panjang (cm) 12 10 8 6 4 2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Detik 10
2. Sebuah roket mengalami pecutan 20 ms -2. Kira halaju selepas 2.5 minit jika halaju awalnya adalah 3000 ms -1. 3. Sebuah van naik suatu cerun dan berhenti selepas 12 saat. Jika halaju awal adalah 18 ms -1, kirakan pecutan van tersebut. 11
4. Sekumpulan pelajar membuat roket dan melancarkannya menegak ke atas dengan halaju 27 ms -1. Berapakah jumlah jarak yang dilalui oleh roket? [Andaikan g = 10 ms -2 ] 12
Latihan Soalan 1 A 6 cm B Berdasarkan keratan pita detik di atas tentukan a) Jumlah masa b) Halaju purata. Soalan 2 Berdasarkan keratan pita detik di bawah tentukan nilai pecutan. 3 cm 5 cm 13
Jarak / cm Jarak / cm Jarak / cm 14 Pita detik Carta Pita Detik Jenis Gerakan (i) (ii) Length/cm Halaju seragam (i) (ii) Length/cm Jarak di antara titik bertambah secara seragam Halaju objek Objek bergerak dengan Length/cm Jarak di antara titik berkurang secara seragam Halaju objek Objek bergerak dengan
2.2 Graf Gerakan 15 Graf Sesaran - Masa s /m B C Bhgn Kecerunan Halaju Pecutan A B B C A D t/s C D Graf Halaju - Masa v /m B C Bhgn Kecerunan Pecutan Sesaran A B B C A D t/s C D
Graf Gerakan 16 s lawan t v lawan t a lawan t Halaju sifar s v a t t t Halaju seragam s v a t t t Halaju negatif dan seragam s v a t t t
Pecutan malar s s lawan t v lawan t a lawan t v a t t t Nyahpecutan malar s v a t t t *** Kecerunan graf s-t mewakili halaju. Kecerunan, Halaju. 17
2.3 Inersia Situasi-situasi yang melibatkan inersia Apabila bas berhenti mengejut, kaki kita dalam keadaan rehat tetapi badan kita cenderung untuk meneruskan gerakan ke hadapan disebabkan inersia. Ini menyebabkan badan kita untuk terhumban ke hadapan. Apabila kadbod disentap, duit syiling tidak bergerak bersama-sama kadbod. Inersia duit syiling itu mengekalkan kedudukan asalnya. Duit syiling jatuh ke dalam gelas disebabkan oleh daya tarikan graviti. Apabila bas bergerak secara mengejut dari kedudukan rehat, kaki kita terbawa ke hadapan tetapi badan kita cenderung untuk kekal dalam keadaan rehat disebabkan inersia. Ini menyebabkan badan kita terhumban ke belakang. Setiap objek akan terus berada dalam keadaan pegun atau terus bergerak dengan halaju tetap pada satu garisan lurus kecuali dikenakan oleh suatu daya luar. Hubungan inersia dan jisim Semakin besar jisim suatu objek, semakin besar inersianya. ** Cuba eksperimen inersia menggunakan baldi 18
Budak lelaki melarikan diri daripada seekor lembu dengan gerakan zig zag. Inersia lembu yang besar menyebabkannya sukar mengubah gerakan semasa mengejar budak tersebut. Inersia lembu besar kerana jisimnya yang besar. Sos cili di dalam satu botol dikeluarkan secara mudah 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 inersianya. Cara menggurangkan kesan negatif inersia 19 Cara Penerangan Tangki yang mengandungi cecair dalam sebuah lori perlu dibahagikan kepada beberapa bahagian yang kecil Bahagian di antara tempat duduk pemandu dan beban harus mempunyai struktur keluli yang kukuh Tali pinggang keledar Beg udara
2.4 Momentum 20 1. Momentum ialah 2. Momentum = Jisim x Halaju p = mv 3. Momentum merupakan kuantiti vektor 4. Unit SI momentum : kg m s -1 Prinsip Keabadian Momentum Dalam suatu perlanggaran, jumlah momentum sebelum perlanggaran adalah sentiasa sama dengan jumlah momentum selepas perlanggaran jika tiada daya luar bertindak ke atas sistem itu. Jumlah momentum sebelum perlanggaran = Jumlah momentum selepas perlanggaran u 1 u 2 v 1 v 2 u 1 u 2 v 1 = v 2 m 1 m 2 m 1 m 2 m 1 m 2 m 1 m 2 Sebelum Perlanggaran Selepas Perlanggaran Kedua-dua objek bergerak dengan halaju yang berbeza selepas perlanggaran. Momentum diabadikan Tenaga kinetik diabadikan Jumlah tenaga diabadikan Sebelum Perlanggaran Selepas Perlanggaran Kedua-dua objek bergerak bersama-sama dengan halaju sepunya. Momentum diabadikan Tenaga kinetik tidak diabadikan Jumlah tenaga diabadikan
21 Perlanggaran Kenyal dan Perlanggaran Tak Kenyal Perlanggaran Kenyal Perlanggaran Tak Kenyal
Pegun m 1 m 2 Sebelum Letupan v 1 v 2 m 1 m 2 Selepas Letupan Kedua-dua objek bercantum dan pegun sebelum letupan dan bergerak bertentangan arah selepas letupan. Momentum diabadikan. Jumlah momentum sebelum letupan ialah sifar. Jumlah momentum selepas letupan : m 1 v 1 + m 2 v 2 Berdasarkan Prinsip Keabadian Momentum : Jumlah momentum = sebelum letupan Jumlah momentum selepas letupan 0 = m 1 v 1 + m 2 v 2 m 1 v 1 = - m 2 v 2 tanda menunjukkan objek bergerak pada arah yang berlawanan selepas letupan. 22
23 Latihan 2.4 1. Troli A yang berjisim 3 kg bergerak dengan halaju 2 ms -1 dan berlanggar dengan troli B yang pegun. Selepas perlanggaran, troli A bergerak dengan halaju 0.4 ms -1. Jika perlanggaran ini adalah kenyal, tentukan momentum troli B selepas perlanggaran. 2 ms -1 pegun 0.4 ms -1 v B =? A B A B m A =3kg m B =? m A =3kg m B =?
2. Sebuah kereta bergerak dengan halaju 32 ms -1 berlanggar dengan sebuah lori yang bergerak pada halaju 17ms -1 dari arah yang bertentangan. Jika jisim kereta dan lori adalah masingmasing 1 200 kg dan 5 500 kg, kirakan a) momentum kereta sebelum perlanggaran b) jumlah momentum c) halaju akhir kedua-dua kenderaan selepas perlanggaran jika perlanggaran tersebut adalah tak kenyal. 32 ms -1 17 ms -1 v=? A B A B m C =1200kg m L =5500 kg m C =1200kg m L =5500 kg 24
3. Sebutir peluru berjisim 5 g dengan kelajuan 150 ms -1 melanggar dengan ketulan ais berjisim 1.5 kg yang terletak pada permukaan yang licin. Peluru itu melalui kiub ais dan kemudiannya bergerak dengan halaju 70 ms -1. Apakah halaju kiub ais? 25
4. Sebutir peluru yang berjisim 10 g yang ditembak dari sebuah senapang bergerak pada kelajuan 300 ms -1. Jika jisim senapang adalah 7.5 kg, kirakan kelajuan sentakan senapang tersebut. 26
2.5 Daya Daya Seimbang Apabila daya-daya yang bertindak ke atas suatu objek seimbang, ia akan saling memjawuh. Daya paduan yang bertindak ke atas objek tersebut = 0 N. Kesan : Objek pegun [ halaju = 0] atau objek akan terus bergerak dengan halaju seragam [ a = 0] Daya tak seimbang / Daya paduan Daya tak seimbang wujud apabila daya-daya yang bertindak pada suatu objek menghasilkan suatu daya paduan 0 N. Daya paduan juga disebut sebagai daya bersih. Kesan daya : Mengubah bentuk dan saiz objek gerakan objek dan kedudukan objek 27
Daya, Jisim & Pecutan F a Pecutan suatu objek berkadar terus dengan magnitud daya paduan yang bertindak ke atasnya dan berkadar songsang dengan jisimnya. Arah pecutan objek tersebut sama dengan arah daya paduan. Apabila daya bersih, F, bertindak ke atas objek yang bejisim, m, objek tersebut akan mengalami pecutan. Daya Paduan = Jisim x Pecutan a Hubungan antara a & F a Hubungan antara a & m 0 F 0 m 28
29 Latihan 2.5 1. Tentukan pecutan objek bagi kes di bawah. a) F = 10 N 5 kg 2. Tentukan nilai F. a = 4 ms -2 F R = 5 N 10 kg F Permukaan licin b) F R = 15 N 3 kg F = 45 N 3. Tentukan nilai m. a = 2 ms -2 F R = 10 N m kg F = 60 N
4. Berapakah daya diperlukan untuk menggerakkan objek berjisim 2 kg dengan pecutan 3 ms -2, jika a) objek berada di atas permukaan yang licin? b) objek berada di atas permukaan di mana daya geseran purata yang bertindak ke atas objek itu adalah 2 N? 5. Ali mengenakan daya 50 N untuk menggerakkan meja berjisim 10 kg dengan halaju malar. Apakah daya geseran yang bertindak di atas meja? 30
31 6. Sebuah kereta berjisim 1200 kg dengan halaju 20 m/s dibawa kepada keadaan rehat selepas bergerak 30 m. Cari a) nyahpecutan purata, b) daya brek purata. 7. Yang mana satu sistem berikut akan menghasilkan pecutan maksimum? A. 80 N m 100 N B. 14 N m 6 N C. 15 N m 5 N D. 28 N m 52 N
2.6 Impuls dan Daya Impuls Impuls Perubahan momentum Unit : kgms -1 atau Ns Daya Impuls, F I Kadar perubahan momentum dalam suatu perlanggaran atau letupan Unit = N Kesan Masa *** Daya impuls, F berkadar songsang dengan masa sentuhan, t dalam suatu perlanggaran. t t F I F I Masa sentuhan panjang Daya impuls berkurang Masa sentuhan singkat Daya impuls bertambah F I t F I 1 t 32
Situasi dalam sukan di mana daya impuls perlu dikurangkan Tilam tebal digunakan dalam acara lompat tinggi. Apabila atlit jatuh ke atas tilam tebal, masa hentaman dapat dipanjangkan. Maka daya impuls yang terhasil dapat dikurangkan. Dengan itu, ia dapat mengelak atlit mengalami kecederaan akibat daripada daya impuls. Penjaga gol memakai sarung tangan tebal bagi meningkatkan masa hentaman sewaktu menangkap bola yang bergerak laju. Ini dapat menggurangkan daya impuls. Apabila seorang gimnas mempersembahkan aksi Squat Vault, dia akan bengkok kakinya ketika mendarat. Ini adalah untuk memanjangkan masa mendarat untuk mengurangkan daya impuls yang bertindak ke atas kakinya. Ini akan mengurangkan peluang mengalami kecederaan serius. Seorang pemain besbol mesti menangkap bola mengikut arah gerakan bola. Menggerakkan tangannya ke belakang apabila menangkap bola memanjangkan masa perubahan momentum, seterusnya mengurangkan daya impuls. 33
Situasi di mana daya impuls perlu ditingkatkan Tangan ahli karate dihayun dengan pantas sebelum menghentam kepingan kayu. Sebaik sahaja menyentuh permukaan kayu, tangan diangkat dengan cepat. Teknik ini menyebabkan perubahan momentum tangan berlaku dalam masa yang singkat. Maka daya impuls yang besar dikenakan ke atas kepingan kayu dan menyebabkan kayu pecah. Kepala tukul besar yang bergerak laju dibawa kepada kedudukan rehat setelah memukul kuku. Perubahan besar pada momentum dalam selang masa yang singkat menghasilkan daya impuls besar yang memaksa paku tembus ke dalam kayu. Bola sepak mesti mempunyai tekanan udara yang cukup di dalamnya supaya masa sentuhan adalah pendek. Akibatnya, daya impuls yang bertindak ke atas bola akan menjadi lebih tinggi dan bola akan bergerak lebih pantas dan lebih jauh. Antan Lesung Antan dan lesung diperbuat daripada batu, kedua-duanya mempunyai permukaan yang keras. Antan diangkat ke atas dan cili di dalam lesung ditumbuk dengan cepat. Daya impuls yang tinggi dihasilkan dalam proses ini dan menghancurkan cili dengan mudah. 34
Latihan 2.6 Soalan 1 Seorang penduduk berjisim 60 kg melompat dari tingkat satu rumah yang terbakar. Halajunya sebelum mendarat di atas tanah adalah 6 ms -1. a) Kira impuls apabila kakinya mencecah tanah. b) Apakah daya impuls yang bertindak pada kaki penduduk itu jika dia membengkokkan kakinya ketika mendarat dan mengambil 0.5 s untuk berhenti? c) Apakah daya impuls pada kaki penduduk itu jika dia tidak membengkokkan kakinya dan mengambil 0.05 s untuk berhenti? d) Apakah kelebihan membengkokkan kakinya ketika mendarat? Soalan 2 Rooney menendang bola dengan daya 1500N. Masa sentuhan but dengan bola adalah 0.01 s. Apakah impuls yang dipindahkan pada bola? Jika jisim bola ialah 0.5 kg, apakah halaju bola? 35
Soalan 3 A troli yang berjisim 500 g berada dalam keadaan rehat di atas permukaan yang licin. Troli itu diberi impuls mendatar 5 Ns. Berapakah halaju troli selepas kesan impak? Soalan 5 Sebuah roket 50 kg berjisim dilancarkan secara menegak. Bahan api sedang dibakar pada kadar 2 kg s -1 dan gas ekzos dihembus keluar dengan kelajuan 1000ms -1. Apakah pecutan awal roket? Soalan 4 Impuls mendatar 500 Ns dikenakan pada sebulah troli pegun dengan jisim 2 kg. Berapakah halaju troli tersebut selepas impak? 36
2.7 Ciri-ciri Keselamatan Kenderaan 37
Komponen Penghadang Kepala Bag Udara Cermin hadapan Bamper Sistem Brek ABS Zon mudah remuk Tali Pinggang Keledar Palang Impak Sisi Tayar berbunga Fungsi Mengurangkan kesan inersia ke atas kepala semasa hentaman daripada belakang Memanjangkan masa hentaman kepala pemandu dengan stereng. Daya impuls yang dikenakan pada pemandu dapat dikurangkan. Melindung pemandu dan penumpang. Direka bentuk supaya retak dan berbentuk bulat daripada berkecai Memanjangkan masa hentaman semasa perlanggaran supaya daya impuls dapat dikurangkan Membantu pemandu memberhentikan kenderaan dengan cepat tanpa menyebabkan brek terkunci. Meningkatkan jumlah masa kereta berhenti sepenuhnya dan seterusnya mengurangkan daya impuls. Mengurangkan kesan inersia dengan menghalang penumpang terhumban ke hadapan. Meningkatkan ketegaran pintu dan mengagihkan tenaga sekiranya berlaku perlanggaran dari bahagian tepi Menambahkan daya geseran pada permukaan jalan raya semasa cuaca hujan Pengeluar automotif sangat bersaing menggabungkan prestasi dan keselesaan dengan teknologi keselamatan canggih yang cuba untuk kekal satu langkah di hadapan untuk anda - dan semua orang lain di jalan raya. Klik pautan di bawah untuk melihat beberapa teknologi keselamatan yang canggih. 10 Teknologi Keselamatan Kereta yang Canggih 38
2.8 Graviti Daya graviti Suatu objek jatuh ke bumi kerana ia ditarik ke arah Bumi oleh daya graviti. Daya ini dikenali sebagai Daya tarikan graviti atau Daya graviti bumi. Daya graviti bumi cenderung untuk menarik semua objek ke arah pusat bumi. Jatuh bebas Suatu objek jatuh bebas apabila ia jatuh hanya di bawah pengaruh daya graviti. Halaju objek bertambah (pecutan seragam). Jatuh bebas hanya berlaku apabila suatu objek berada di dalam ruang vakum. Ruang vakum ialah suatu ruang kosong tanpa molekul udara. Ketiadaan udara bermaksud tiada rintangan udara yang akan menentang gerakan jatuhan suatu objek. Di dalam ruang vakum, kedua-dua objek ringan dan berat mengalami jatuh bebas. Mereka jatuh dengan pecutan yang sama iaitu pecutan graviti, g. 39
Pecutan graviti,g Objek yang jatuh bebas mengalami pecutan seragam. Pecutan ini dikenali sebagai pecutan graviti, g. Nilai pecutan graviti, g ialah 9.8 ms -2. Magnitud pecutan graviti bergantung kepada kekuatan medan graviti. Bagi memudahkan penyelesaian berangka, nilai g biasanya dianggap sebagai 10 ms -2. Medan graviti Medan graviti merupakan kawasan di sekeliling Bumi di mana suatu objek mengalami daya tarikan ke pusat Bumi. Daya tersebut ialah daya tarikan graviti. Kekuatan medan graviti ditakrifkan sebagai daya graviti yang bertindak ke atas suatu objek berjisim 1 kg. Unitnya ialah N kg -1. Kekuatan medan graviti, g = 10 Nkg -1 Pecutan graviti, g = 10 ms -2 F= Daya graviti m= Jisim 40
Berat Berat suatu objek ialah daya graviti yang bertindak ke atas objek tersebut. Berat = jisim x pecutan graviti. Kuantiti vektor. Unit SI : Newton, N. Perbandingan antara jisim dan berat Jisim Berat Berat ialah daya graviti yang bertindak pada suatu objek. Tetap di semua tempat Kuantiti vektor Kuantiti asas Unit SI: Unit SI: Newton (N) Langkah pertama dalam memperoleh kebijaksanaan adalah senyap, kedua mendengar, ketiga memori, keempat amalan, kelima mengajar orang lain. 41
Perbezaan antara jatuhan di udara dan jatuh bebas di dalam ruang vakum bagi satu syiling dan bulu ayam. Dalam ruang vakum Kedudukan asal Dalam ruang udara Kedua-dua objek dijatuhkan serentak pada suatu ketinggian yang sama. Kedudukan akhir Dalam ruang vakum Tiada rintangan udara Syiling dan bulu ayam mengalami jatuh bebas. Hanya daya graviti bertindak ke atas kedua-dua objek. Kedua-dua objek jatuh mencecah lantai dalam masa yang sama Dalam ruang udara Kedua-dua objek jatuh kerana daya graviti. Wujud rintangan udara ke atas permukaan objek yang sedang jatuh (Bertindak ke atas). Bulu ayam mempunyai permukaan yang lebih luas maka mengalami rintangan udara yang lebih tinggi. Syiling akan jatuh terlebih dahulu. 42
43 Dua sfera keluli jatuh di bawah pengaruh graviti. Kedua-duanya digugurkan pada masa yang sama dari ketinggian yang sama. Dalam ruang vakum Kedua-dua sfera jatuh dengan pecutan. Jarak antara kedua-dua imej sfera yang berturutan bertambah menunjukkan bahawa kedua-dua sfera jatuh dengan halaju semakin meningkat; jatuh dengan pecutan. Dalam ruang udara Kedua-dua sfera yang jatuh ke bawah dengan pecutan yang sama Kedua-dua bidang adalah pada ketinggian yang sama pada setiap masa. Oleh itu, objek yang berat dan ringan jatuh dengan pecutan graviti yang sama. Pecutan graviti tidak bergantung kepada jisim. Graf gerakan untuk objek jatuh bebas v Objek jatuh bebas a Objek yang dilontar ke atas dan jatuh bebas v a v Objek yang dilontar ke bawah dan jatuh bebas a t t t t t t -10-10 -10
44 Latihan 2.8 Soalan 1 Suatu objek jatuh dalam vakum. Antara kuantiti berikut, yang mana tidak berubah? A. Momentum B. Pecutan C. Halaju D. Impuls Soalan3 Sebiji kelapa mengambil masa 2 saat untuk jatuh ke tanah. Tentukan a) kelajuannya apabila menyentuh tanah b) ketinggian pokok kelapa. Soalan 2 Pecutan graviti di bulan adalah hampir 6 kali kurang daripada yang di bumi. Jika berat seorang angkasawan di Bumi ialah 720N, apakah jisimnya di Bulan? (g bumi = 10ms -2 )
45 Soalan5 Seorang angkasawan melompat dari ketinggian 10 m dari permukaan Bulan. Apakah masa yang diambil untuk dia mencapai permukaan Bulan? Soalan6 Sebiji batu dilemparkan ke atas dengan halaju awal 10 ms -1. Jika rintangan udara diabaikan dan kekuatan medan graviti Bumi adalah 10 Nkg -1, kira masa yang diambil untuk batu tersebut untuk sampai semula ke kedudukan asal.
2.9 Keseimbangan Daya 46 Prinsip keseimbangan daya Hukum Gerakan Newton Ketiga Apabila suatu jasad dikenakan beberapa daya, jasad akan berada dalam keadaan keseimbangan jika daya paduan, F adalah sifar. Objek dikatakan berada dalam keadaan keseimbangan daya apabila objek itu 1. sedang pegun atau 2. sedang bergerak dengan halaju seragam. Contoh ( Label daya yang bertindak pada setiap objek)
47 Contoh ( Label daya yang bertindak pada setiap objek) Paduan Daya F 2 F 1 Daya paduan, F = Daya Paduan Daya paduan, F = F 2 F 1
48 Paduan daya F 1 Dua bot tunda menarik sebuah kapal besar dengan daya F 1 dan daya F 2. Berapakah daya paduan dan arah tindakannya? F 2 Kaedah segiempat selari Langkah 1 : Menggunakan pembaris dan jangka sudut, lukiskan dua daya F 1 dan F 2 dari suatu titik yang sama. Langkah 2 : Lengkapkan segiempat selari.
Langkah 3 : Lukiskan pepenjuru segiempat selari itu. Pepenjuru mewakili daya paduan, F dalam magnitud dan arah. Skala: 1 cm = k 49
Leraian daya-daya Suatu daya F boleh dileraikan kepada dua komponen daya yang berserenjang antara satu sama lain, iaitu : (a) komponen mengufuk, F X θ F x = F cos θ (b) komponen mencancang, F Y F Y F F y = F sin θ θ Satah condong F X N Komponen berat yang selari dengan satah = mg sin θ θ mg θ Komponen berat yang normal dengan satah = mg cos θ 50
51 Latihan 2.9.1 Tentukan daya paduan. 1. 5 N 4. 12 N 20 N 12 N 2. 3 N 8 N 3. 3 N 6 N 12 N
Paduan daya F 1 F 1 F F 2 2 1 F2 (F ) F 2 F 2 Dua daya yang serenjang antara satu sama lain digabungkan menjadi satu kuasa tunggal (Paduan daya). Leraian daya F y F X Fcosθ (90 - θ) F F Y Fcos(90 - θ) F Y Fsin θ θ F x F (F X ) 2 F 2 Y Satu daya tunggal berleraikan kepada 2 komponen (2 daya). Kedua-dua daya baru mesti serenjang antara satu sama lain.
53 5. 7. 8 N 120 8 N 1200 N Boat 40 800 N 6. 2 N 120 5 N
54 8. 30 º Box Rajah menunjukkan sebuah kotak dengan jisim 3kg diletakkan pada satah condong. Kotak itu ditolak dengan daya 50N di sepanjang satah yang condong pada sudut 30º dari tanah. Daya geseran antara kotak dan satah condong ialah 11 N. Kira: a) daya yang dikenakan oleh kotak pada arah satah condong b) daya paduan pada arah satah condong c) pecutan kotak
Lif Lif pegun Lif memecut ke atas Lif memecut ke bawah *** *** + a + a Daya Paduan = Daya Paduan = Daya Paduan = Bacaan skala penimbang = Bacaan skala penimbang = Bacaan skala penimbang = Pecutan +a Nyahpecutan - a 55
Jatuh bebas Lif nyahpecut ke atas Lif nyahpecut ke bawah *** *** *** + a=g + a + a Daya Paduan = Daya Paduan = Daya Paduan = Bacaan skala penimbang = Bacaan skala penimbang = Bacaan skala penimbang = Pecutan +a Nyahpecutan - a 56
Latihan 2.9.2 57 Lif Penimbang 1. Seorang budak lelaki 45 kg berdiri pada penimbang dalam Lif. Apakah bacaan penimbang jika a) lif tidak bergerak b) lif memecut 2 ms -2 ke atas c) lif memecut 2 ms -2 ke bawah d) lif menyahpecut 2 ms -2 ke bawah e) kabel lif terputus
Takal 58 Kaedah Alternatif 3 kg 4 kg 1. Cari daya paduan, F 2. Cari jisim yang bergerak, m 3. Cari pecutan, a 4. Cari tegangan tali, T ATAU
59 Kaedah Alternatif 4 kg 2 N 3 kg 1. Cari daya paduan, F 2. Cari jisim yang bergerak, m 3. Cari pecutan, a 4. Cari tegangan tali, T ATAU
2.10 Kerja, tenaga, kuasa dan kecekapan Kerja F Kerja ialah hasil darab daya yang bertindak dan sesaran objek tersebut dalam arah daya yang dikenakan. s W = Fs W = Kerja F = Daya, s = sesaran Unit SI : Joule, J F = 1 N F = 1 N 1 m 1 Joule kerja dilakukan apabila satu daya 1 N menggerakkan satu objek sejauh 1 m dalam arah daya dikenakan. 60
Tiada kerja dilakukan, jika : Objek pegun Arah gerakan objek serenjang dengan daya yang dikenakan Tiada daya dikenakan ke atas objek dalam arah sesarannya (objek bergerak kerana inersianya) Seorang pelajar mengalas beg dan sedang berdiri di suatu tempat. Kuasa Seorang pelayan sedang membawa sedulang makanan dan berjalan. Cth: Satelit mengorbit dalam angkasa. Tiada geseran di angkasa. Tiada daya bertindak pada arah gerakan orbit. Konsep Definisi Formula & Unit Kuasa P = Kuasa, W = Kerja/Tenaga, t = masa 61
Latihan 2.10 1. Sebuah troli pegun yang dilepaskan dari titik X bergerak di sepanjang trek terpampas geseran. Berapakah halaju troli tersebut pada titik Y? X 2. Sebiji bola dilepaskan dari titik A dengan ketinggian 0.8 m. Bola tersebut bergelonsor sepanjang trek melengkung terpampas geseran. Apakah halaju bola apabila ia sampai di titik B? A 2.5 m Y 1.0 m 0.8 m Z B 62
3. Sebiji bola bergerak ke atas melalui trek terpampas geseran setinggi 1.5 m dengan halaju 6 ms -1. Apakah halaju bola tersebut pada titik B? 4. Seketul batu yang dilemparkan ke atas dengan halaju awal 20 ms -1. Apakah ketinggian maksimum yang boleh dicapai oleh batu tersebut? B 1.5 m A 6 ms -1 63
5. Seorang budak lelaki berjisim 20 kg berada di bahagian atas gelonsor konkrit setinggi 2.5 m. Apabila dia menggelonsor ke bawah, dia melakukan kerja sebanyak 140 J untuk mengatasi geseran. Apakah halajunya di akhir gelonsor? 2.5 m 64
Tenaga 65 Tenaga ditakrifkan sebagai keupayaan melakukan kerja. Unit tenaga ialah Joule (J) Tenaga yang dipunyai oleh suatu objek diukur daripada kerja yang dilakukan olehnya. Apabila kerja dilakukan, suatu daya dikenakan ke atas suatu objek akan mengubah kedudukan objek tersebut. Apabila kerja dilakukan, tenaga dipindahkan dari suatu objek ke objek yang lain. Apabila kerja dilakukan juga, tenaga dipindahkan daripada satu bentuk ke bentuk yang lain. Jumlah tenaga yang dipindahkan = Kerja yang dilakukan (work done) Tenaga keupayaan graviti, E GP Tenaga keupayaan graviti ialah tenaga yang dipunyai oleh suatu objek kerana kedudukannya. Tenaga kinetik, E K Kinetic energy is the energy of an object due to its motion. m = jisim h = ketinggian g = pecutan graviti m = jisim v = halaju Prinsip Keabadian Tenaga Menyatakan bahawa tenaga tidak dicipta atau dimusnahkan, tetapi boleh berubah daripada satu bentuk ke bentuk yang lain.
2.11 Kekenyalan Daya tolakan Daya tarikan Daya tolakan Dua jenis daya yang wujud antara atom-atom pepejal ialah daya tarikan dan daya tolakan. Dalam keadaan biasa, kedua-dua daya ini diseimbangkan kerana jarak pemisah antara atomatom adalah tetap. Maka pepejal mempunyai bentuk tetap dan permukaan yang keras. Dawai diregangkan dengan daya luaran Dawai dimampatkan dengan daya luaran Daya tolakan Daya tarikan Daya tolakan Daya tolakan Daya tarikan Daya tolakan Atom-atom dawai dijauhkan sedikit antara Atom-atom dirapatkan dan daya tolakan satu sama yang lain dan daya tarikan bertambah sehingga melebihi daya tarikan bertambah sehingga melebihi daya tolakan antara atom-atom. antara atom-atom. Daya tolakan yang bertambah ini akan Daya tarikan yang bertambah ini akan menolak atom-atom untuk mengembalikan menarik atom-atom untuk mengembalikan bentuk asal dawai selepas daya yang bentuk asal dawai selepas daya yang dikenakan dialihkan. dikenakan dialihkan. 66
Contoh situasi / aplikasi yang melibatkan kekenyalan Tilam Penyerap hentakan Lastik Trampoline Memanah Pembaris Kaki retort Spring Penunjuk Jisim berslot Hukum Hooke 0 F F= daya yang dikenakan x = pemanjangan/ mampatan k = pemalar spring x 67
Had kekenyalan spring Pemalar daya spring, k F x F spring keras 0 Had kekenyalan x 0 Had kekenyalan Had kekenyalan spring ialah daya maksimum yang boleh dikenakan ke atasnya selagi ia boleh kembali kepada panjang asal apabila daya yang dikenakan dialihkan. Jika spring tersebut dikenakan suatu daya melebihi had kekenyalan, ia tidak boleh kembali kepada panjang asal apabila daya yang dikenakan dialihkan. Suatu spring yang dikenakan daya melebihi had kekenyalannya tidak akan kenyal lagi dan mengalami pemanjangan kekal. Apabila suatu daya yang dikenakan melebihi had kekenyalan, maka Hukum Hooke tidak lagi dipatuhi. Had kekenyalan boleh ditentukan sebagai titik di mana graf garis lurus berakhir dan mula melengkung. F 0 spring lembut Pemalar daya spring, k ditakrifkan sebagai daya yang diperlukan untuk menghasilkan seunit pemanjangan/ mampatan spring itu. Unit : N m -1 @ N cm -1 @ N mm -1 Spring yang mempunyai nilai pemalar daya spring, k yang besar sukar diregangkan dan ia dikatakan lebih keras. Spring yang mempunyai nilai pemalar daya spring, k yang kecil lebih mudah diregangkan dan ia dikatakan kurang keras atau lebih lembut. x 68
Graf daya, F melawan pemanjangan, x F Pemalar daya spring, k 0 x F x = F Kerja dilakukan untuk memanjangkan/ mampatkan spring = 0 x = = = 69
L L d d Kekenyalan k Kekenyalan k Kekenyalan k Kekenyalan k Faktor yang mempengaruhi Kekenyalan Kekenyalan bergantung kepada jenis bahan F k = pemalar daya spring k Kekerasan Kekenyalan D Kekenyalan D Kekenyalan 0 k Steel > k Copper > k Al x * Nilai k dirujuk sebagai ukuran kekerasan suatu spring k k 70
Beban dikenakan bagi setiap spring adalah sama Susunan spring Beban dikongsi sama rata bagi setiap spring Ketegangan bagi setiap spring= Ketegangan bagi setiap spring = Pemanjangan bagi setiap spring = Pemanjangan bagi setiap spring = Jumlah pemanjangan spring = Jumlah pemanjangan spring = Jika n spring digunakan : Ketegangan bagi setiap spring= Ketegangan bagi setiap spring = Jumlah pemanjangan spring = Jumlah pemanjangan spring = W Pemalar spring = k x W x x Pemalar x spring = k W W x 2 Pemalar spring = 2k Pemalar spring = k 2 71
Faktor-faktor yang mempengaruhi Kekenyalan spring (i) Spring yang panjang Diameter spring yang besar Diperbuat daripada kuprum Sistem spring yang lemah Dawai spring yang nipis Disusun secara sesiri 72
Faktor-faktor yang mempengaruhi Kekenyalan spring (ii) Spring yang pendek Diameter spring yang kecil Diperbuat daripada keluli Sistem spring yang kuat Dawai spring yang tebal Disusun secara selari 73
74 Latihan 2.11 1. Sebuah spring mempunyai panjang asal 10 cm. Apabila digantung beban 10 g, panjangnya menjadi 12 cm. Tentukan panjang spring tersebut apabila digantung beban 30 g. 2. Suatu spring ditarik daripada panjang 15 cm kepada 21 cm menggunakan daya 50 N. Apakah tenaga keupayaan elastik yang tergandung dalam spring tersebut?
75 3. Panjang asal setiap spring dalam rajah sebelah ialah 10 cm. Pada dikenakan beban 10 g, setiap spring tersebut akan memanjang sebanyak 2 cm. Apakah panjang sistem spring (a), (b) dan (c)? (a) (b) (c) 50 g 20 g 40 g
4. 76 Sebagai seorang penyelidik, anda ditugaskan untuk mengkaji ciri-ciri lima spring iaitu A, B, C, D dan E yang boleh digunakan untuk menghasilkan tilam kanak-kanak. Berdasarkan maklumat dalam jadual di bawah, Spring Pemalar daya spring Ketumpatan/ kg m -3 Kadar pengaratan Kos A 200 7 800 Sederhana Rendah B 600 2 200 Tinggi Sederhana C 1 000 5 100 Rendah Tinggi D 1 500 3 000 Rendah Rendah E 5 000 10 500 Rendah Tinggi (i) (ii) terangkan ciri-ciri spring yang sesuai supaya dapat digunakan dalam tilam kanak. [8 marks] tentukan spring manakah paling sesuai untuk digunakan dalam penyelidikan anda dan berikan sebab-sebab untuk pilihan anda. [2 marks] Pelajar-pelajar yang dikasihi, Anda dinasihatkan menjawab soalan ini (dalam Bahagian B dan C) dalam bentuk jadual.
Jawapan : 77 Ciri-ciri Penerangan